橋梁頂升技術在城市高架改造中的應用探討

干繼紅，陳 誠

（紹興市建設工程質量安全管理中心 ，浙江 紹興 312000）

0 引言

在新一輪的城市高速發展中，城市現有橋梁無法滿足日益增長的交通需求，多數橋梁其結構承載力能夠滿足要求，但因凈空或線型問題需進行改造，傳統的拆除新建工藝勢必會造成資源的浪費，且產生大量固體廢棄物，不能滿足綠色化施工的要求。橋梁頂升技術的應用，有效地解決了上述問題。作為一種新型的橋梁改造技術，橋梁頂升技術因其施工經濟性、施工快捷性、對周邊環境影響小等特點，被廣泛應用于城市高架橋的改造工程中，具有良好的應用前景［1］。

1 橋梁頂升技術原理

橋梁頂升技術是在保證橋梁結構整體的完整性和使用功能的前提下，利用剛性支撐支撐梁體、傳感器提供反饋、計算機控制液壓系統進行頂升。該項技術可以控制梁體在頂升過程中的姿態，實現多點同步、同比例或反坡頂升，也可實現梁體在空中長期滯留以及梁體姿態的微調。

橋梁同步頂升一般采用力和位移雙控的方式進行控制，通過壓力傳感器對梁體進行稱重后，由千斤頂集群對梁體進行頂升。此外，千斤頂位移量與臨近的位移傳感器形成數據校對與閉環，控制橋梁頂升過程中各點頂升位移及梁體的整體姿態，保證結構的安全。

2 橋梁頂升施工工藝

2.1 鋼支撐安裝（見圖 1）

圖1 鋼管支撐安裝圖

通過在承臺植入螺桿的方法將鋼支撐與承臺進行螺栓連接，螺栓規格Φ18，間隔布置 8 顆植入承臺的螺栓，植入深度 10d。鋼支撐安裝時植入螺桿如果碰到承臺鋼筋無法下鉆或植筋深度無法達到設計深度時，則需要對該鋼支撐植入螺栓增加一倍以彌補深度不足帶來的不利影響。安裝螺帽并使螺帽處于同一水平面，然后安裝首節鋼支撐，錨栓穿過支撐底部法蘭孔，使用機械扶直將其固定于找平螺帽上，調整鋼支撐垂直度后管底面與混凝土承臺支撐面之間預留 8 cm 空間，用灌漿料灌注密實，灌漿前需對承臺頂部進行清洗干凈。鋼管支撐安裝垂直度控制在 3 ‰ 以內，且≤10 mm。

在頂升時，當單墩頂升高度＜1.5 m 則使用 500 型鋼支撐作為臨時周轉墊塊安裝在千斤頂與底部 609 鋼支撐之間；當頂升高度≥1.5 m 時則將底部 1 m 的 500 型鋼支撐換成 1 m 的 609 型鋼支撐，循環使用但保證上部 500 型鋼支撐的高度≤1.5 m。

2.2 液壓千斤頂的安裝

千斤頂采用十字滑槽雙塊鋼板倒掛安裝于梁底。十字滑槽鋼板為上下兩塊鋼板組合而成。首先，根據上鋼板的位置與大小在梁底植入 4 根φ16 螺紋鋼，螺紋鋼位于千斤頂吊頂鋼板的四周并植入梁體內部，植入深度 12 cm；然后，將上鋼板與植入的 4 根鋼筋進行焊接。因梁底混凝土面存在坡度，所以安裝上鋼板時底面應保持水平。上鋼板與上部梁體底面之間預留 3 cm 左右的空隙，用灌漿料填充密實。千斤頂用螺栓與另一塊鋼板固定，兩塊鋼板通過螺栓連接將千斤頂固定在梁底（見圖 2）。

圖2 液壓千斤頂安裝圖

2.3 跟隨千斤頂安裝（見圖 3）

圖3 跟隨千斤頂安裝圖

跟隨千斤頂均安裝于墩頂與梁底之間的原支座位置附近，墩頂距離調平墊石現狀凈空不足跟隨頂安裝空間時，需將墩頂混凝土在液壓千斤頂頂起梁體并鎖定以后切除一部分［2］，切除高度不宜過大，滿足跟隨千斤頂安裝需求即可（見圖 4）。跟隨千斤頂安裝前先在梁底調平墊石下放樣出吊頂鋼板輪廓線并使用墨斗彈線，然后沿四邊輪廓中線旁邊位置植入 4 根φ16 的鋼筋，植筋位置距離輪廓線 1 cm，鋼筋植入深度 12 cm，外部露出 10 cm。對每塊鋼板與梁底植入的 4 根鋼筋進行焊接，鋼板與梁底楔形塊之間保持 3 cm，鋼板吊裝完畢對鋼板與梁底之間的縫隙進行壓高強灌漿料。

圖4 墩柱頂部切割圖

當梁底墊石平整度滿足安裝隨動頂要求時可以直接將吊頂鋼板與調平墊石緊貼并通過植入鋼筋焊接不必再壓漿。跟隨千斤頂下部支撐點即墩柱切割面采用高強灌漿料找平，保證下部受力面均勻受力。

2.4 頂升中偏位控制

橋梁頂升施工過程中，難以完全避免的以下因素可能會造成橋梁產生偏位：千斤頂垂直度偏差；頂升支撐體系垂直度偏差；頂升墊塊間的高度誤差；頂升過程中坡度的變化等。

以上四項因素最終均會導致千斤頂不垂直，在頂升過程中可能會出現微小的水平位移。為避免出現此類情況，需設置平面限位裝置，限制橋梁可能發生的縱橫向位移。

限位支架應有足夠的強度，并應在限位方向有足夠的剛度。橋梁中墩的限位支架宜安裝在中墩兩側，邊墩處的限位支架宜安裝在橋臺兩側，邊墩處的縱向限位宜利用橋頭擋墻進行改造設置。

2.5 頂升設備調試

每組液壓千斤頂對應的頂升部位做為一個頂升同步控制點，每個墩柱前后排處相鄰的液壓千斤頂作為一個分組。每臺位移傳感器均通過數據線向控制中心實時提供位移數據。每臺工控液壓泵站通過數據線接收控制中心頂升指令，并按照指令控制向千斤頂的供油速度。

由于各種誤差的存在，各組千斤頂的頂升速度與理論值之間會發生偏差，這種偏差由位移傳感器感知，并反饋至控制中心，控制中心對反饋的數據進行分析后，自動向液壓泵站發出修正指令，液壓泵站通過修正指令調整供油速度，使各同步控制點的頂升速度始終趨近于理論值，從而達到同步控制的目的（見圖 5）。

圖5 同步控制原理圖及千斤頂分組圖

每組千斤頂配置 2 個拉線式傳感器并且與總控臺（控制中心）直接相連，頂升時控制中心接收泵站反饋信號以及拉線式傳感器反饋的信號綜合自動分析，然后進行數據處理以及控制給油速率，確保頂升的同步性與比例協調性。

2.6 試頂升

正式頂升前進行試頂升操作，確認 PLC 系統工作正常、各項監控指標可控。試頂升步驟及要求如下：

1）分級加載至臨界狀態，每級加載 20 %，每級保壓 5 min；

2）以 1、2、5、10 mm 為單位分級頂升，直至確認頂升 PLC 系統運行正常、監控指標可控；

3）試頂升期間檢查安裝的隨動千斤頂是否正常跟隨，能否在指令下自動伸縮。

2.7 正式頂升

試頂升后，觀察若無問題，便進行正式頂升，頂升速率為 3 mm/min，調坡頂升時由計算機自動計算各墩頂升速率。老橋頂升時各千斤頂的頂升速率與加速度均呈現線性變化，可有效控制橋梁頂升前后線型不發生改變，保持上述方法的頂升可以有效防止梁體內產生內力。

正式頂升，須按下列程序進行，并作好記錄。

1）操作。按預設荷載進行加載和頂升。

2）觀察。各個觀察點應及時反映測量情況。

3）測量。各個測量點應認真做好測量工作，及時反應測量數據。

4）校核。數據報送至現場領導組，比較實測數據與理論數據的差異。

5）分析。若有數據偏差，有關各方應認真分析并及時進行調整。

6）決策。認可當前工作狀態，并決策下一步操作。

2.8 分級頂升至設計高度

頂升分為多級頂升，按照總頂升量將每一級頂升量均分控制，以分級頂升量為基準設置各墩頂升速度。

分級頂升時主要要求保證梁體呈均勻的線性抬高。保證梁體內部不產生其余附加應力。每次頂升時設定指令位移按照第一行程的指令高度輸入電腦系統，當實測數據與預定數據出現偏差時可以對下一行程的輸入數據進行微調整以滿足相對高差符合要求。

3 頂升過程監控

3.1 施工監控內容

針對本項目的連續梁同步頂升施工項目，其施工監控主要進行以下幾個方面的內容。

1）工前工后橋梁外觀的檢測。為了明確頂升施工對既有橋梁的影響，以及了解頂升前主梁是否存在影響頂升施工的病害（如受力裂縫），有必要對施工前后的橋梁技術狀況，主要是主梁技術狀況進行檢測。

2）施工仿真分析。建立橋梁上部結構的有限元計算模型，驗算橋梁結構是否能滿足一定范圍內的頂升偏差，通過對頂升過程進行模擬計算，給出頂升過程結構可能產生的內力或變形的允許范圍［3］。通過對施工中頂升支架等臨時設施進行有限元分析評估，以驗算施工臨時結構的安全穩定性。

3）應力監測。結合施工工況及現場反饋的結構參數，預測并實時跟蹤測試控制截面應力變化情況。針對可能引起應力超標的結構參數，向施工單位提出調整措施，以確保整個施工過程及成橋后內力滿足設計和規范要求。應力測試斷面應選取施工過程中受力最不利的斷面。綜合考慮測試的便捷性以及避免整個過程中產生流程沖突，選擇各跨跨中截面為應力監測斷面。對頂升支架的應力監測，應結合有限元分析以及設計頂升力的結果，多次比較支架內力與分析、設計預估是否吻合，以確保支架及梁體頂升安全。

4）變形監測。變形監測的主要目標為以下幾個方面：①確保梁體剛度狀況良好，避免頂升過程因偏差導致頂升點產生不合理轉角或梁體產生不合理撓度；②確保頂升過程中，梁體的穩定性，尤其是頂升過程橫橋向的同步性問題很容易被忽視；③確保整個施工過程頂升支架基礎不產生較大的變形，以保證頂升安全。

5）溫度監測。利用測試元件中的溫度傳感測試，對關鍵截面尤其是大體積混凝土以及超靜定結構的溫度場進行測量。

6）施工監控指令及誤差調整。在每個施工步驟結束后，要求對上個施工步驟的結構安全、設計目標實現情況及施工誤差情況等進行分析、論證；并根據目前施工誤差情況及施工的安全風險等因素，在下一步施工前，給出新的施工監控指令。

3.2 安全預警指標及報警制度確立

為了能合理地對結構狀態進行評估，并對危險狀態及時發出預警信號，對于橋梁結構安全評估將基于直接指標進行，即基于結構的應力及變形。

結構安全預警功能設置在監測系統內，當發現預處理結果超出額定警戒值后，預警程序自動檢測本數據采集單元內與該傳感器相關的參數和其它傳感器的輸出，進行超值預警判別；與此同時，該數據采集單元將向管理人員發出預警信息。

預應力混凝土連續箱梁頂升過程監控預警系統在實際實施中擬對結構應力、變形等指標實行兩級報警制度（預警值及報警值見表 1）。

表1 施工監控參數預報警值表

1）第一級為“橙色區”，應力及變形兩部分監測測點中部分達到這一水平后，施工單位應引起足夠的重視。“橙色區”的應力及變形的閥值為施工荷載作用下的效應標準值。

2）第二級為“紅色區”，亦稱為危急報警區域。當結構部分應力、變形值超過該區域設定值之后，施工單位需立即停止施工，并迅速根據各種計算分析結論，會同專家一起進一步檢查，經研究和分析后決定是否需要調整施工方案或施工需進行臨時加固。“紅色區”的應力及變形的閥值則暫定為應力及變形達到影響結構安全的允許限值。

3.3 施工監控反饋控制的方法

橋梁頂升過程幾何監測值與理論值間誤差超過規范規定限值時，可采取下列反饋控制措施：

1）對于施工過程及成橋幾何狀態可調整的橋梁，應在當前施工或成橋狀態直接調整；

2）對于施工過程及成橋幾何狀態不可調整的橋梁，應以當前施工狀態為基礎，根據誤差影響預測分析結果，對后續的施工狀態數據進行反饋控制。

橋梁施工過程結構受力狀態監測值與理論值誤差超過規范規定限值時，應在保證結構安全的前提下，采取下列針對性的反饋控制措施：

1）對于混凝土梁式橋頂升施工過程中結構應力，可通過調整頂升荷載的變化速率與同步性改善受力；

2）當因施工工序、工藝不當導致結構受力不利時，應通過調整施工工序、工藝，調整施工過程結構受力狀態；

3）當因橋梁結構設計與施工方案匹配性不夠導致結構受力不利時，應采取局部加固或增設臨時輔助設施等改善后續施工中結構受力狀態。

4 結語

橋梁頂升工藝是一項復雜且危險性較大的施工工藝，能夠改變橋梁的線形，對比于橋梁拆除新建工藝，橋梁頂升技術可節約成本約 1/3，不產生固體廢棄物，不封道施工，無灰塵生產，有效降低對周邊環境和交通的影響，充分實現現場無廢化管理，在城市高架改造中具有廣泛的應用前景。本工程通過對頂升設備及頂升監測的控制，能夠很好地保證頂升過程的安全。但對于橋梁本身力學行為分析不夠全面，現有的橋梁頂升技術缺少標準化的結構分析模型，這對于前期的計算分析十分不利，不同的設計者可能采取不同的分析模型，將會使計算出來的結構參差不齊，有時甚至會出現錯誤結論。Q