連續箱梁頂升調坡關鍵技術研究*

吳毅彬，鄭 偉，龔 強

(1.廈門理工學院土木工程與建筑學院，福建 廈門 361024； 2.廈門市交通基礎設施健康與安全重點實驗室，福建 廈門 361024； 3.廣州鼎力志成工程有限公司，廣東 廣州 200000)

0 引言

隨著國內航道升級和城市橋梁功能升級改造的需要，橋梁頂升作為改變橋下空間的重要方法，目前已成為國內外學者的研究熱點。橋梁頂升本質是一種橋梁的豎向運動移位過程，目前最常見的有兩類頂升模式。第1類同步頂升是目前應用最廣泛的工藝，其理論基礎來自理論力學中的剛體平移，橋梁作為剛體豎向運動時，其體內任意一條直線應該與初始位置平行，稱之為“剛體的平行移動”，PLC頂升其上各點的運動軌跡形狀相同且彼此平行；每一瞬時，各點具有相同的速度和加速度。PLC同步頂升技術目前在各類橋梁更換支座施工、橋下凈空整體頂升中發揮了重要的作用。針對不同的橋梁結構，輔助設置可靠的頂升底盤結構體系(lifting chassis structure system)。目前國內外PLC橋梁同步頂升控制技術已經相當成熟[1-11]，典型案例如上海吳淞大橋采用整體同步頂升，由于橋梁低于連接線同濟路立交，原橋整體頂升0.85m；重達4 200t的天津獅子林橋為3跨24m+45m+24m連續梁結構，整體頂升1.271m；云南安寧白塔橋由于景觀改造需要整體同步降落3.06m[2]。

第2類橋梁PLC頂升是橋下空間調坡改造。其運動本質是每一瞬間，橋梁各跨的質心位置和旋轉點具有相同的夾角，橋梁不動的旋轉點類似于力學中的速度瞬心，由于質心運動速度和到垂線(橋梁縱斷面)的垂直距離成正比，因此，調坡頂升可以理解為一種線性比例旋轉頂升問題。分級頂升時，橋梁第1階段采用線性同步頂升，第2階段采用旋轉比例頂升，調坡是2種工況的結合。由于連續箱梁結構自重大，投影面積大，因此調坡頂升中運動模式相對復雜，其關鍵技術是本文研究的重點。

旋轉調坡頂升的關鍵技術主要包含：①可連續頂升的施工工藝；②可循環接高的頂升底盤體系；③頂升姿態控制與監測系統；④結構行為數值仿真。基于理論力學的剛體運動行為，本文總結旋轉頂升調坡關鍵技術，并以工程實例進行研究，相關成果可供同類工程項目參考借鑒。

1 剛體運動理論和橋梁同步頂升

從理論力學剛體運動和數學角度分析，假定初始狀態橋梁結構的狀態為事件AB，經過PLC同步頂升，中間經過A1B1,A2B2，…，AnBn，n個行程或者施工工況最終變為了事件AnBn，事件AnBn和AB除了時間，不發生任何變化。橋梁同步頂升是最基本的剛體平行移動，任何一點的運動軌跡均為直線，同時過程要控制x，y，z3個方向的位移和3個平面外的轉角，不產生任何附加內力和位置變化(見圖1)。調坡旋轉頂升是一種繞固定墩軸線的整體剛體定軸轉動問題，需要控制各個墩頂線位移的比例，保證橋梁線形不發生變化，頂升過程不出現強迫位移。調坡旋轉頂升高度大，過程工況復雜，橋梁線形隨著縱坡投影長度發生局部變化。本文從調坡頂升施工中的關鍵技術展開了若干理論和案例研究，研究成果可為同類工程提供參考借鑒。

圖1 同步頂升橋梁狀態

2 可持續調坡頂升工藝設計

目前傳統的跟隨頂升，由于施工需要停頓來進行支撐系統的接高，是一種被動的頂升→接高→頂升的循環施工工藝，施工效率較低，常用于支座墊石接高或更換支座的小行程頂升施工中，目前在G25杭寧高速改擴建和廣湛高速開擴建項目中均采用了這類工藝。對于頂升高度較大的橋梁，特別是頂升高度達2m以上的調坡工程，主要采用交替頂升工藝，即每個頂點布置處安裝兩組可主動施加頂升力的千斤頂，并由控制臺控制液壓泵站驅動2組千斤頂進行反復交替頂升。頂升過程中，先由第1組千斤頂頂升1個行程，第2組千斤頂跟隨[12]，實現了每個支點均能頂升和加高，該方式可有效提高施工效率和安全儲備。

調坡頂升工藝流程如圖2所示。

3 頂升底盤結構體系

頂升底盤結構可根據橋梁下部結構特點進行針對性設計。對于下部群樁基礎承臺結構可考慮利用老承臺承載力，而對局部承臺截面尺寸不足的可考慮采用人工挖孔樁結合承臺增大截面進行設計。如成都二環線雙楠老橋調坡頂升利用老橋承臺基礎，設計了鋼支撐和分配梁結構，布置如圖3所示，調坡頂升高度最大達到7.42m(見表1)。

表1 成都雙南橋頂升高度

圖3 雙南橋支撐平面布置

頂升底盤結構承臺受力分析如圖4所示。建模時先采用MIDAS/civil有限元軟件模擬頂升支架反力，采用彈性連接線剛度模擬支架和支點空間位置,計算荷載包括護欄、橋面鋪裝二期恒載、箱梁恒載。然后根據各墩頂升力值，考慮2倍以上的安全系數，將反力作用在鋼支撐上方，同時考慮風荷載、水平力、不均勻受力系數進行荷載組合，荷載傳遞到承臺上方。承臺底部設置人工挖孔樁，采用植筋和原承臺連接。采用大型通用有限元軟件ABAQUS進行模擬，邊界條件底部樁基采用6自由度固定約束，不考慮樁土接觸分析，混凝土和鋼支撐采用C3D8R減縮積分的三維實體單元，混凝土和鋼支撐網格劃分以0.2m和0.1m為基本尺寸單元，界面連接采用Constraint 中TIE綁定約束，考慮對稱建立1/2模型[13]。

圖4 雙南橋頂升底盤結構受力分析

由圖4應力計算結果可見新老基礎承臺可滿足頂升支撐要求。而對于單樁獨柱結構往往采用抱柱結構設計，既可以作為頂升反力平臺，同時抱柱結構可以作為結構加固。

4 正式頂升設計

正式頂升設計有如下若干關鍵工序。

1)液壓千斤頂數量 根據墩頂反力計算荷載確定，一般須考慮2倍安全系數。

2)分配梁 分配梁固定在箱梁底部，位于箱梁與千斤頂之間，分配梁可直接承擔上部梁體的質量，并將力轉移給千斤頂。分配梁上的支撐點應布置在箱梁腹板處，分配梁需要有足夠的剛度、強度及穩定性，保證頂升過程中不產生變形，同時在頂升過程中，梁體若有縱向位移，則分配梁可隨梁體同時移動。

3)頂升支撐體系安裝 包括鋼管支撐及平聯等格構連接件、頂升分配梁、機械自鎖液壓千斤頂、蓋梁上超薄型千斤頂等。

4)橫、縱向限位體系安裝 在蓋梁兩端及橋臺側安裝鋼管格構橫向限位結構，橋面梁端縫處安裝縱向限位結構。

5)頂升系統安裝調試 安裝PLC控制系統、油電路、監控系統等并進行聯機調試，對相關參數進行檢查、校正。

6)試頂 調試完成后，先分別對各墩進行試頂，檢查鋼支撐、分配梁承載能力。聯機試頂至設計頂升力的80%，持荷。

7)正式同步頂升 待所有墩柱切斷完成后，進行正式調坡同步頂升作業。

8)達到設計標高后墩柱接長。

9)橋臺改橋墩。

10)卸載落梁及臨時設施拆除。

5 橋梁姿態控制

根據剛體運動理論，橋梁在調坡狀態，z方向剛體豎向運動或者繞速度瞬心運動時，要隨時對xy方向進行限位監測。同時由于頂升旋轉運動，梁體縱坡的變化會引起梁投影長度的變化，并導致安裝在梁底的千斤頂與支撐產生相對位移[12]。因此，除了頂升過程中不斷調節千斤頂的縱向位置外，還應充分考慮支撐系統在承受偏心荷載情況下的受力，確保偏心受力情況下具有足夠的安全性。根據實際案例驗證，采用可自身調節3°～5°的調節千斤頂，以保證千斤頂垂直受壓，同時千斤頂與反力架和分配梁連接法蘭盤采用順橋向條形孔，保證可滑移，可微量調節。上述對策可較好解決偏壓所產生的問題。

另外，橋梁x,y方向采用縱向橫向限位，并進行頂升全過程監測，主要監測項目包括以下方面。

1)頂升支架基礎沉降觀測。

2)頂升支撐體系(鋼支撐、蓋梁上型鋼支墊等)、位移、應力監測。

3)頂升高度、位移及梁端縫監控與量測。

4)施工現場視頻監控。

6 實施案例

浙江某二環北路某高架橋因功能提升須調坡頂升，調坡頂升段為第3聯4×30m連續箱梁，最大頂升高度6.534m，頂升總體平面如圖5所示，頂升設計參數如表2所示。

圖5 頂升總體設計

表2 支座反力和樁號對應表格

主要施工步驟如下：①頂升反力計算；②頂升支撐系統設計驗算；③承臺增大截面施工，增設樁基施工；④頂升支撐體系搭設；⑤分配梁施工；⑥箱梁腹板底部墊塊施工；⑦液壓千斤頂選用，千斤頂布置與分組；⑧頂升限位系統設計和施工；⑨頂升監測系統設計和施工；⑩正式同步頂升，墩柱接高施工。

千斤頂通過吊頂鋼板和螺栓倒掛安裝在分配梁底部，頂升過程中，在吊頂鋼板和分配梁底板之間填塞楔形鋼板，并與吊頂鋼板焊接固定，保證千斤頂的豎向受力。

頂升支撐體系考慮利用原承臺并增大截面以提高承載力。頂升荷載計算和承臺計算與圖4分析思路類似，鋼支撐受力分析時充分考慮水平力影響，驗算時考慮兩側鋼管對稱受力與不對稱受力工況，不對稱受力按兩側0.7/0.3比例分配荷載[13]，分析工況如表3所示，頂升支撐平面布置如圖6所示，承臺受力分析結果如圖7,8所示。

圖6 頂升支撐系統立面和平面布置

表3 頂升支撐體系分析工況

圖7 頂升承臺基礎主應力(單位：MPa)

圖8 增大截面承臺變形(單位：mm)

計算結果表明：混凝土的主拉應力最大位置位于懸臂根部，承臺最大變形位于新增承臺懸臂端部，混凝土的主拉應力最大值為1.38MPa，略小于設計值1.71MPa。鋼支撐的Mise應力最大為132MPa，小于規范值215MPa限值。可見在最大荷載作用力承臺和鋼支撐的受力是安全可控的。

頂升過程對橋梁伸縮縫部位設置橫向位移監測；對關鍵截面混凝土進行應變監測，應變監測利用在墩頂腹板兩側、跨中底板兩側混凝土表面布置JMZX-212表面型智能弦式應變計[4]，監測結果如圖9,10所示。由圖可見，在頂升過程中應混凝土應變小于預警值。梁體的變形在彈性范圍內，箱梁截面整體受力未超出預警值50με[14]。落梁后，箱梁的橫向位移基本回位，可見頂升階段的橫向位移為彈性偏移，隨著頂升狀態的恢復而逐漸消失。

圖9 關鍵截面應力變化

圖10 橫向位移監測變化

7 結語

從可連續頂升的施工工藝、可循環接高的頂升底盤體系、頂升姿態控制與監測系統、結構行為數值分析4個方面總結了對連續箱梁大行程頂升調坡的關鍵技術。采用原承臺抗剪增大截面技術作為頂升托盤結構體系可較好地保證頂升支撐結構的強度和穩定性。頂升支撐體系應充分考慮偏心受壓工況，確保具有足夠的穩定性，同時應考慮千斤頂垂直度的調整，減小偏壓荷載工況。頂升作為一種剛體平移行為，應確保結構在頂升過程中不產生附加內力和位移，充分做好結構姿態調整與控制，才能真正實現調坡頂升。