甌江北口大橋南引橋頂升施工技術

羅 瀟,周道銀

(中交二航局第二工程有限公司,重慶 401120)

0 引言

橋梁工程施工中經常會面臨針對實際工況進行線性調整的問題。尤其是在大跨度橋梁主、引橋施工過程中,主橋和引橋的施工不同步性導致此類問題時有發生。結構頂升技術最早應用于建筑工程,多用于解決一些既有建筑的位移糾偏問題,后隨著液壓頂升技術的發展及施工機械的研制,逐步應用到橋梁工程中。目前,橋梁頂升技術的工程實踐在國內外都已相當廣泛[1-2]。該項技術能很好地應用于橋梁施工、改造及加固工程中,具有良好的經濟性。但受限于各橋梁施工概況不一,目前無非常系統的設計理論和施工方法,隨著工程發展需要,許多學者加強了橋梁頂升技術理論方面的研究,主要集中在頂升施工技術和施工監控研究2個方面,主要研究方法有數值模擬法和現場實測法。

段中星[3]、陳舟等[4]以佛開高速公路北江大橋引橋多跨同步頂升工程為研究對象,利用Midas/civil軟件與橋梁博士軟件建立橋梁梁格法模型,通過軟件的強制位移功能和支座沉降功能模擬頂升過程,以主梁的縱橋向應力、支座反力為評價指標,分析了頂升同步誤差工況對主梁力學性能的影響,確定了最優施工方案。石華軍[5]針對濟南工業北路高架橋梁體托換及橋墩更換工程,利用有限元軟件建立4跨連續梁梁格法模型,對單墩頂升情況下主梁彎矩、頂底板應力進行計算,在保證主梁的次內力在允許范圍內確定最大頂升控制值;探討了單墩和雙墩同時2種頂升方案對全聯主梁力學性能影響,并考慮設備使用、施工條件等工程經濟性內容確定雙墩同時頂升的最優方案。

施工期間發生幾何變形和產生次內力。當內力和變形超過限值時就會影響結構的正常使用和安全。因此,對橋梁頂升過程進行監控尤為重要,針對該方面,相關學者做了一些研究。趙洪善[6]在南浦大橋主引橋頂升施工過程中,利用多種測量手段和技術結合橋梁頂升理論對頂升過程中引橋的變形和應力進行實時監測;杜方[7]以某公路段立交橋頂升工程實例為依托,通過布置合理的監測方案對整個頂升過程中橋面標高、縱橫橋向位移及橋梁內力變化和橋梁外部形變等一系列內容進行監測,并結合有限元模擬進行對比分析。在頂升監測過程中采用應力和位移雙重監測原則,對應力和位移進行嚴格控制,保證頂升過程安全進行。

綜上所述,盡管橋梁頂升技術應用已相當廣泛,但相關理論研究缺少標準化方案設計及結構計算方法,一些關鍵施工步驟主要依靠施工人員經驗,無統一施工規范。對于頂升過程監控也未形成一套完整的頂升監控方案,有必要結合實際工程開展專項研究。本文以大跨度懸索橋甌江北口大橋南引橋第1聯頂升工程為研究背景,采用現場布置監測系統及有限元模擬對南引橋第1聯在頂升過程中發生的變位及應力狀態變化開展研究。

1 工程概況

甌江北口大橋[8]主橋為3塔4跨連續雙層鋼桁梁懸索橋,其南引橋第1聯上部結構形式為雙層5×50m預應力等高單箱室混凝土箱梁,分左、右幅。標準斷面梁高3m,單跨重約1 800t。基礎及下部結構為鉆孔灌注樁、三柱框架門式墩,其中S02,S03號墩位于錨碇上,具體立面如圖1所示。

圖1 南引橋第1聯預應力混凝土箱梁立面(單位:cm)

由于主引橋施工工序變更,甌江北口大橋南引橋將先于主橋完成施工,在后續的主橋主纜架設、加勁梁吊裝等施工過程中,隨著主橋荷載增大,南錨碇將發生較大位移。受錨碇變位影響,南引橋第1聯S02,S03號墩產生了支座沉降和縱橋向位移,進而影響到南引橋第1聯上、下層節段梁。因此,在主橋加勁梁吊裝完成后,需根據引橋墩、梁的位移監控數據,制定頂升及監控方案以指導主梁局部頂升和墊石施工,對南引橋節段梁在主橋施工過程中產生的沉降進行補償,調整第1聯連續梁線形,從而保證橋梁結構安全。

2 總體施工方案

橋梁頂升主要是受力構件的暫時轉換,一般是在橋梁墩臺、基礎等部位布置千斤頂,使橋梁上部構件荷載暫時由千斤頂承受,再通過千斤頂傳遞到千斤頂放置處的下部結構,通過更換支座及其他結構或填補高強度材料接高等措施,施工完成后再使千斤頂回油卸力,完成整體頂升工作,整體施工流程清晰。但由于橋梁頂升工程是針對既有橋梁,比較受限于現場的施工條件,包括施工設備運輸、施工平臺建立、施工空間大小等,因此需根據實際工程情況分析專項工程施工重難點,制定適宜安全的頂升方案,進行現場試驗和測試[9-11]。

本工程整體采用墊石加高頂升方式。在南引橋合并段第1聯上、下層的臨時支墩全部拆除完成后,將千斤頂按批次分別吊至S02,S03號墩上下層、左右幅梁底放置,根據測量監控數據頂升主梁梁體,將永久支座下鋼板抽出,為墊石施工提供操作空間,墊石澆筑標高按永久支座下板以下3～5cm控制,墊石澆筑完成后在其上塞墊鋼板,千斤頂回油取出。重復以上工序,完成所有主梁頂升、墊石施工,觀測第1聯梁段整體線形,根據觀測結果,局部調整整體線形,并在主梁下塞墊的鋼板抽出,安裝好支座地腳螺栓孔,將支座灌漿,待灌漿層達到強度后,千斤頂回油取出,依次完成S02,S03號墩上下層、左右幅梁底每個墊石灌漿。總體施工流程如圖2所示。

圖2 總體施工流程

3 頂升關鍵技術

3.1 施工重難點分析

由于橋梁頂升工程是針對既有橋梁,比較受限于現場施工條件,包括施工設備運輸、施工平臺建立、施工空間大小等,因此需根據實際工程情況,分析專項工程施工的重難點,制定適宜安全的頂升方案。根據甌江北口大橋南引橋第1聯實際工程情況,其具體工程施工重難點主要有以下幾個方面。

1)上、下層主梁千斤頂就位和移除問題 由于南引橋上部結構箱梁已安裝完成,箱梁與下部結構間施工空間較小,千斤頂重達260kg,在不能使用起重設備情況下,人工不能使千斤頂就位和移除。

2)千斤頂頂升過程中傾斜問題 千斤頂頂升過程中,主梁可能會出現水平位移,若千斤頂與主梁接觸位置摩擦力過大,將導致千斤頂傾斜,此時結構受力均在千斤頂上,此過程較危險,需采取相應保護措施。

3)墊石鋼筋安裝問題 因墩頂與主梁間操作空間有限,墊石鋼筋安裝施工時操作難度較大。

針對上述施工重難點,需在頂升方案制訂中采取相應施工措施,保證頂升工程安全、順利進行。

3.2 控制系統確定

單跨箱梁重約1 800t,選用12臺320t千斤頂作為同一主梁頂升設備,可提供38 400kN的頂力。考慮施工空間及避免墩頂發生剪切破壞,需在一塊墊石周邊均勻布設6臺千斤頂,千斤頂周轉使用。千斤頂配置自鎖功能,能保證長時間支撐工況的安全穩定。12臺千斤頂采用GTS-12PLC同步系統,集中油泵控制。該控制系統可反饋負載和位移情況。通過傳感器監測頂力情況,根據每臺千斤頂承受的上部荷載,通過調整送油量調節每臺獨立千斤頂的頂力。此外,為保證頂升位移準確,可事先設置預頂升量,并配備頂升位移監測系統,控制系統通過監測系統反饋的頂升位移值實時與預頂升量進行比較,當發現有偏差時,控制系統會實時調整每臺獨立千斤頂的頂升速度,消除位移偏差,各千斤頂的不平衡行程<0.2mm。同時,頂升過程中配備人工測量輔以校正,最終實現同步頂升。

3.3 施工平臺布置

墩頂千斤頂就位、墊石現澆施工等步驟,人員需在墩頂進行鋼筋、模板及橫向預應力施工作業,因此在墩頂四周設置封閉的操作平臺,平臺采用2根I25型鋼懸掛在墩頂支座內、外兩側,平臺滿鋪走道網,設置1.2m高防護欄桿。墩頂平臺采取定制加工、周轉使用,如圖3所示。

圖3 施工平臺布置示意(單位:cm)

3.4 千斤頂就位與布置

針對3.1節中提到的上、下層主梁千斤頂就位和移除問題,因上層橋墩單墩縱橋向長4.2m,S02,S03號墩隱橫梁寬度為2.8m,均與墩頂墊石中心重合,所以兩邊各有70cm間隙,可直接在上層利用起重機將千斤頂吊至墩頂,在墩頂布設涂抹黃油的鋼板,在水平面靠人工或手拉葫蘆拖拽千斤頂就位,如圖4所示。安裝下層梁底千斤頂時,先在下層橋面用起重機將千斤頂吊至下層橫向連系梁,因翼緣板和墩身將位置擋住,可在千斤頂上系掛尼龍繩,橫梁上作業人員提前拿住尼龍繩,在起重機將千斤頂向下吊時,橫梁上作業人員拖拽千斤頂至橫梁頂面。在橫梁上鋪設涂抹黃油的鋼板,以便千斤頂拖拽就位。

圖4 千斤頂就位方式示意

圖5 墩頂千斤頂整體布置示意(單位:cm)

根據設計方案,墊石高度27～67cm,箱梁底部距離墩身頂部的最小高度為54cm,當高度不夠時采用鋼板塞墊;在每個加力點位置千斤頂或墊塊與墩頂或橫梁的接觸面面積均經過計算確定,布置在實心區域,距離邊緣5cm以上,不超出原結構物混凝土強度,防止混凝土崩裂;千斤頂根據墊石中心線位置對稱、均勻布置;千斤頂與主梁底間塞墊的鋼板、聚四氟乙烯滑板平面尺寸均為40cm×40cm。千斤頂平面布置如5所示。

3.5 頂升施工

墩頂或橫梁上臨時支墩拆除完成后,對其表面進行清理,若有明顯不平整地方,可使用灌漿料進行找平。在頂升梁體前,需測量梁底與橫梁或墩頂位置實際距離,若千斤頂行程不夠,可在其下塞墊鋼板,保證千斤頂在有效行程內完成頂升施工。

因梁體底部存在縱、橫向坡度,且在頂升過程中可能會出現梁體平面滑動,故在千斤頂與梁底間按從上至下塞墊橡膠皮、鋼板、聚四氟乙烯滑板、鋼板的組合形式,保證梁體和千斤頂間可自由滑動,且力可有效傳遞。防止千斤頂與主梁接觸位置摩擦力過大,導致千斤頂在施工過程中發生傾斜。

正式頂升前需進行試頂升工作,便于監測頂升控制系統及梁體墩臺穩定性。根據橋墩支座的最終沉降實測值,頂升高度按S02號墩支座處主梁頂升40.0mm、S03號墩頂升8.0mm控制,施工時可根據現場實時測量數據調整。

3.6 墊石施工

1)原本為保證墩身隨錨碇水平位移或偏轉時箱梁可自由滑動,同時也考慮到后續標高調整,故在S02,S03號墩設置了可調支座(由聚四氟乙烯滑板+調節鋼板+預埋鋼板組成),位于永久支座下部,如圖6所示。當梁體頂升至指定高度后,在永久支座墊石施工前需將調節鋼板抽出。

圖6 調節支座布置示意

2)在千斤頂頂升至可調支座脫空,千斤頂自鎖,拆除可調支座后,在預埋鋼板上焊接鋼筋,綁扎墊石鋼筋,墊石鋼筋主要為φ20,φ16。鋼筋在鋼筋廠制作加工,由于現場操作空間有限,鋼筋在后場制作成整體,吊裝至墊石區域處整體安裝,鋼筋接長均采用焊接形式,鋼筋交叉處采用扎絲綁扎;采用∟100×100×6根據墊石尺寸焊接為四邊矩形,在角鋼兩邊單面焊接L形鋼筋代替原設計中預埋的豎向φ20鋼筋,鋼筋整體制作完成后,吊至墊石處,將角鋼和橫梁或墩頂預埋鋼板進行環形焊接。焊接方式如圖7所示。

圖7 鋼筋焊接方式示意

3)在鋼筋布置完成后,安裝墊石模板,利用箱梁上的預埋孔,采用支座灌漿料將墊石灌注密實,并緊貼支座。灌漿料應保證流動性,確保密實。此處應注意提前使用PVC管預埋支座螺栓孔,PVC管適時放大,底口采用透明膠封堵,防止澆筑過程中漏漿,從而導致支座螺栓安裝受阻。當墊石灌漿密實后強度達到40MPa以上,其上塞墊鋼板,保證永久支座和墊石間密實。鋼板塞墊完成后,千斤頂回油,永久支座受力,完成受力體系轉換。

4)所有墊石按以上工序施工完成后,觀測整聯整體線形,不符合成橋后線形位置可再次頂升調整。

5)最后通過預留下的地腳螺栓孔安裝支座下地腳螺栓,其中地腳螺栓長45.0cm,預留孔深度為48.0cm,將提前配制的支座灌漿料灌入支座螺栓孔和灌漿層內,可使用硬物敲擊模板保證漿體密實。

依照上述步驟施工完成后,將千斤頂回油取出,依次完成S02,S03號墩上下層、左右幅梁底每塊墊石灌漿。

4 頂升過程施工監測與控制

4.1 監控方案

為保障頂升過程中規范施工和橋梁結構安全,頂升過程中施工監控主要包括3個方面:①通過集中控制系統的頂升高度自動監測;②配備豎向位移控制網;③主梁關鍵截面應變測點監測。通過3項監測數據相互檢驗校核,當其中一項監測出現異常情況,通過其他2項查找原因并調整頂升工況。其中,通過PLC中央控制器的計算機結合位移傳感器自動實時反饋的數據,可實時獨立調整每臺千斤頂的頂升速度和頂升高度,從而通過精確控制頂升速度達到同步頂升和預期頂升量;結構幾何變形是最終橋梁線形控制的基礎,也是最宏觀的控制手段,其在反映結構整體發生變化的靈敏度方面要優于應力監測。通過應力監測可了解梁體的實際內力狀態,若出現異常狀態,可結合結構幾何變形監測進行原因分析和施工調整。

4.1.1幾何變形監測方案

頂升過程中箱梁幾何變形主要是豎向位移,故本次監測主要進行豎向位移監測,為應力監測提供可靠依據。

首先需進行高程控制網測設[12],以控制點成果為依據,采用水準儀測量各觀測點(S02,S03號墩對應的箱梁支座截面沿橫橋向布置3個高程觀測點)高程,將S02號墩下層左幅1～3號測點命名為S02#XZ1～3, 其余墩依次類推。為避免控制點高程變化,根據南引橋的結構特點,左、右幅相互分離,互不影響,故當左幅頂升時,高程控制點布設在左幅;反之,右幅頂升施工時,高程控制點布設在右幅。在頂升施工前取多次獨立觀測的S02,S03號墩對應的箱梁支座截面各監測點的高程平均值作為初始值。最終沉降測量成果的輸出分為本次量和累計量。將累計量與頂升系統自動監控的預期位移值進行對比,從而保證頂升過程安全進行。

4.1.2箱梁應力監測方案

甌江北口大橋南引橋第1聯屬于5跨連續梁橋,屬于超靜定結構,頂升施工使得主梁在豎橋向發生位移,必然導致箱梁結構的應力產生變化。因此,有必要對頂升施工過程中和結束后結構的受力情況進行監測,判斷其是否滿足設計要求的理論變化趨勢。通過對箱梁關鍵部位的應變進行連續監測來了解結構應力變化狀態,當實測應力狀態超限或不符合理論變化時,應與幾何變形監測結果進行對比印證分析,查找原因并及時對現場施工進行調控。考慮到現場施工等受外界環境因素影響,從而對監測項目產生影響,采用具有良好穩定性和應變累計功能的振弦式應變計進行采集。頂升過程中箱梁應力,尤其是頂升部位即支座處應力變化敏感,故在頂升過程中對S02,S03號墩對應支座處箱梁最不利位置進行應力監控,支座處箱梁應力測點位置如圖8中2—1,2—2截面所示,在該截面各箱梁上緣的左側和右側各布置1個應變計。在每次頂升施工前采集的S02,S03號墩對應的箱梁支座截面各監測點的應變平均值作為初始值。通過采集施工過程中的應變值代入公式計算得到應力變化值,最終應力測量成果的輸出分為本次量和累計量,結合實際施工工況,判斷是否符合理論變化趨勢,保障頂升施工安全。

圖8 南引橋第1聯主梁應力監測截面示意

4.2 監測結果

4.2.1幾何監測結果

根據上述頂升過程監測方案,每次頂升施工進行時,測量人員通過連續多次采集支座截面處箱梁各高程觀測點的高程變化,最終計算高差并取平均值作為該部位箱梁的實測頂升高度,并與設計頂升高度進行校核,各高程觀測點頂升高度最終實測值如圖9所示。

圖9 各高程觀測部位頂升高度變化曲線

由圖9所示頂升過程中監測頂升高度變化分析可知,在頂升施工時,頂升速率較平穩,S03號墩下層左幅頂升高度存在局部突變,根據施工日志,是由于現場可調支座預埋鋼板抽出時存在局部凹陷卡死,故將初始頂升量設置為15mm,直至鋼板抽出,千斤頂收缸,梁體開始回落。最終各部位箱梁的實測頂升高度與設計頂升高度偏差均控制在10%以內。

4.2.2應力監測結果

頂升過程中對主梁支座處截面進行連續應力采集,現給出上下層S02,S03號墩對應右幅和左幅梁體支座處應力變化曲線圖,具體數值如圖9～10所示。

由圖9可得:①在S02,S03號墩左、右幅支座頂升過程中,應力變化相對較穩定,結合各部位施工當天的施工日志記錄可知,自頂升開始到千斤頂收缸,隨著頂升量增加,對應S02,S03號墩支座處箱梁截面頂板與腹板交接處應變值增大,即頂升過程中S02,S03號墩支座處梁體上緣呈受拉趨勢,且未超過混凝土受拉強度,符合理論變化趨勢。②在S03號墩左幅支座頂升過程中,應力變化相對較穩定,在第5次數據采集時發生較大突變,結合當天的施工工況可知,是由于S03號墩頂升量較小(8.0mm)。由于現場可調支座預埋鋼板抽出時存在局部凹陷卡死,故將初始頂升量設置為較大值,直至第5次數據采集時,鋼板抽出,千斤頂回油收缸,梁體開始回落。故第5次數據采集時應力發生較大突變是由于千斤頂收缸、箱梁回落、壓力釋放所致。這與預測應力變化趨勢相吻合,同時與圖10中頂升高度變化相對應。③S02號墩整體應力變化幅度較S03號墩大,主要是因為S02號墩的頂升高度大于S03號墩導致。④振弦式應變計通過頻率變化反映結構應力,通常只適用于靜態和準動態環境,監測項目在施工現場進行,現場施工振動對應變計的監測結果影響較大,數據的局部異常波動是受橋面施工及過往車輛振動所致。

圖10 S02,S03號墩頂升過程應力變化趨勢

5 結語

1)橋梁頂升工程主要針對既有橋梁,較受限于現場施工條件,包括施工設備運輸、施工平臺建立、施工空間大小等,在進行施工前,需根據實際工程情況,分析專項工程施工重難點,制訂適宜安全的頂升方案,保障現場施工順利進行。

2)針對橋梁頂升,應建立專項的橋梁頂升施工監控方案。在監控過程中除了利用PLC液壓頂升系統進行自動控制外,還應輔以額外的位移與應力監測,以此保證頂升精確程度和安全。同時,做好相關施工日志,以便異常監測數據分析。

3)處理工程應力監測數據前,需對上部箱梁的受力情況進行定性分析,宏觀上把握關鍵部位的變形趨勢和受力變化規律。根據監控數據,最終各部位箱梁的實測頂升高度與設計頂升高度偏差較小(均<10%)。頂升過程中S02,S03號墩支座處梁體上緣呈受拉趨勢,且未超過混凝土受拉強度,符合理論變化趨勢,受頂升高度變化及橋面施工應力監測數據存在局部波動。支座截面處箱梁應力變化規律與頂升高度變化較吻合,該監控方案較好地指導了頂升施工。