橋梁頂升技術在支座更換工程中應用研究

0 引言

橋梁支座屬于橋梁上部結構與下部結構之間重要的傳力構件，合理的支座布置可改善梁體受力狀態。其中橡膠支座因其構造簡單、承載力高等特點，被廣泛運用于橋梁工程建設[]。橋梁支座在達到設計使用年限后，常出現較多的疲勞病害。如何在確保既有橋梁運營安全的前提下進行橋梁支座更換，是眾多學者研究的主要方向。

橋梁頂升技術是在支座更換過程中逐步發展的施工工藝，目前主要應用在梁體頂升后支座更換，梁體橫向位移糾偏等[2-3]。孫明德[4]以鐵路橋梁為例，提出了頂升梁體更換支座的整治方案。朱江江[5]以運營高鐵橋梁橫向位移糾偏為研究對象，對頂升過程中的梁體穩定性進行了研究。隨著我國大量橋梁的使用年限超過20年，大量橋梁附屬構件需要進行定期維護管養，因此對運營橋梁在支座更換中的頂升技術展開研究很有必要。本文以某城市箱梁橋為例，研究不同頂升位移工況下箱梁橋的受力狀態及應力變化規律，為同類型橋梁的支座更換過程中主梁頂升設計及施工提供參考借鑒。

2頂升方案模擬分析

2.1 頂升方案

1工程概況

某橋位于城市主干路上，路線樁號為 K5+326. 0 ，橋梁下方存在既有道路，橋位區周邊交通較為繁忙。橋梁結構跨徑布置為 38m+44m+38m ，主梁結構形式采用預應力混凝土連續箱梁。橋梁采用雙向四車道進行布置，兩側設置3m寬人行道，橋梁全寬 22m ，設計汽車荷載采用城-A級。根據橋梁竣工圖資料可知，本橋箱梁梁高 2.2m ，懸臂 2m ，采用單箱三室，跨中截面處腹板厚0.5m，支點附近處腹板厚度加寬至 0.8m ，頂底板厚度均為 0.25m 。橋墩采用樁柱式墩，橫向布置2根墩柱，橋墩立柱采用矩形截面墩，尺寸為 1.5m×1.7m ，基礎采用2.2m 圓形樁基礎，樁基礎按照嵌巖樁進行設計，嵌入中風化基巖不小于 10m 。既有橋梁立面布置如圖1所示。

圖1既有橋梁立面布置

根據橋梁檢測資料，橋梁墩臺處均采用盆式支座。其中，橋墩處橫向布置2個支座，橋臺處橫向布置3個支座。對橋梁進行檢測發現，盆式支座鋼盆出現銹蝕，橡膠密封圈被擠出，預埋螺栓出現扭曲變形等病害。

橋梁支座更換通常與橋梁其他病害一并處治，通過利用支座更換的機會，將橋梁內的中間支座組合高度相應調整。在負彎矩結構安全的前提下，使連續梁結構產生豎向強迫向上位移，降低結構正彎矩。支座更換期間的施工工序：處置梁底裂縫 $$ 清除部分或全部既有鋪裝層、調平層 $$ 負彎矩加固 $$ 中間支座向上強迫位移→錨固或粘貼梁底加固材料 $$ 更換支座 $$ 梁體回落至原標高→施工鋪裝層病害處治。主梁頂升過程應盡量選擇在車流量較小的時段，以此減小外部交通荷載對橋梁頂升期間的附加影響。

2.2有限元模型建立

橋梁主體結構計算采用midascivi1軟件建立有限元模型，全橋主梁采用梁單元進行模擬。按照橋梁施工步序，劃分為5個施工階段，通過剛性連接設置主梁梁底的支座頂部節點，再采用彈性連接模擬支座的各向剛度。通過建立車道，實現車輛荷載及人群荷載的加載。橋梁支座更換施工步序如表1所示。

表1橋梁支座更換施工步序

為分析不同的強迫頂升位移工況下主梁的受力性能差異，本次分析設計了 10mm 和 20mm 兩種強迫位移工況。全橋共劃分為120個單元，140個節點。橋梁整體計算模型如圖2所示。

圖2橋梁整體計算模型

2.3頂升計算基礎參數確定

自重方面，預應力鋼筋混凝土容重取值為 26kN/m³ 瀝青混凝土容重取值為 23kN/m³ 。溫度方面，主梁整體升降溫及溫度梯度按照JTGD60—2015《公路橋涵設計通用規范》取值。荷載方面，汽車荷載采用城-A級，根據《城市橋梁計算規范（CJJ11—2011）》（2019版）人群荷載采用 3.906kN/m2 。強迫位移方面，主梁頂升時，對支承點考慮一定的頂升強迫位移。

3頂升過程對橋梁受力的影響

支座更換頂升梁體包括頂升和落梁兩個階段。根據檢測資料，橋梁支座均存在一定程度的病害，本次考慮對全橋支座進行更換。

3.1對主梁受力的影響

對橋梁1號及2號橋墩進行同步頂升時，考慮由10mm 逐次頂升至 20mm ，分析主梁在頂升過程中的應力變化，以此判斷主梁的受力狀態。經有限元計算，得到不同頂升位移工況下主梁截面頂板、底板位置的應力。主梁截面壓應力增量計算結果如表2所示，其中的負號表示截面壓應力減小。

表2主梁截面壓應力增量計算結果 單位：MPa

由表2可知，頂底板應力的變化情況并不一致。頂升位移為 10mm 時，在產生應力增量后，因應力變化值較小，主梁頂底板均為受壓狀態。頂升位移為20mm時，主梁頂底板局部單元位置出現了拉應力，在產生應力增量后，1號墩處主梁截面的頂板的拉應力值達 2.37MPa 已超過C50混凝土的容許拉應力值 1.83MPa. 。綜上所述，頂升位移控制在 10mm 以內時，主梁的截面應力變化較小，頂升后對主梁的應力狀態改變不大。

3.2對主梁支點位置受力的影響

不同頂升位移工況下，對應的支點位置的反力也將發生變化，主梁支座布置如圖3所示。根據模型分析，計算得到的主梁支點位置反力。主梁支點位置反力計算結果如表3所示。

圖3主梁支座布置

表3主梁支點位置反力計算結果 單位：MPa

由表3可知，在橋墩進行同步頂升 10mm 和20mm時，1號及2號墩的豎向反力值均呈現增大趨勢，0號及3號臺位置的支點反力逐漸減小。當頂升位置由 10mm 增加至20mm 時，支座反力增量呈現翻倍趨勢。

綜上所述，頂升位移控制在10mm以內時，主梁各個支點反力值變化較小，頂升后對主梁的反力值改變不大。采用頂升 10mm 的強迫位移更換支座，不會對主梁的內力狀態產生較大影響。

3.3對橋墩立柱受力的影響

根據主梁計算結果，當主梁頂升位移為 10mm 時，單個橋墩立柱處最大支承反力為12038.6kN；當主梁頂升位移為20mm時，單個橋墩立柱處最大支承反力為12175.5kN。為分散單個支點處的集中力，本方案考慮在單個橋墩立柱位置設置4個千斤頂，通過在既有橋墩立柱頂部設置鋼抱箍托架作為千斤頂的作業平臺，鋼抱箍沿著墩柱周邊徑向對稱布置。鋼抱箍及千斤頂布置圖如圖4所示。

圖4鋼抱箍及千斤頂布置

根據主梁計算模型分析，單個千斤頂分擔的支點反力為 3043.9kN_o 考慮一定安全系數后，單個千斤頂下方的鋼抱箍反力按照4000.0kN計算，鋼抱箍與墩柱混凝土之間的摩擦系數取值0.3。鋼抱箍豎向高度設為 2m ，其環向拉應力為 116.3MPa 。鋼抱箍采用M22高強螺栓與墩柱進行連接。施工前，應采用鋼筋探測儀對墩柱內部鋼筋分布進行探測并標記。

3.4對墩柱受力的影響

主梁頂升過程中，主梁荷載通過千斤頂傳遞至鋼抱箍形成的托架，再由鋼抱箍傳遞至下部墩柱。同一墩柱位置的4組千斤頂將同步頂升，由于千斤頂沿著墩柱周邊徑向對稱布置，頂升過程中墩柱不會增加偏心荷載，僅會局部增加墩柱的軸心荷載。

根據橋梁竣工圖設計資料，墩柱豎向鋼筋直徑為32mm ，箍筋直徑為 12mm ，均采用HRB400鋼筋。根據原橋梁計算書，墩柱在制動力、風荷載等水平荷載作用下為偏心受壓構件，其軸力承載力為 16389.7kN ，承載力富裕系數為1.43。主梁頂升后，在頂升至 10mm 的工況下，其承載力富裕系數為1.41；在頂升至 20mm 的工況下，其承載力富裕系數為1.37。由此可知，主梁頂升位移越大，墩柱承載力富裕系數降低越多。盡管墩柱截面安全富裕系數雖有降低，但仍滿足現行規范要求，可維持橋梁正常運營。

支座周邊進行檢查，測量待更換支座位置的支座規格、墊石等數據，作為更換新支座的基礎資料。拆除既有支座后，對墊石存在破碎的位置采用C50環氧混凝土進行修復補強。支座安裝前應對橋梁走向進行測定，確保支座的變形方向與橋梁原設計圖紙要求的方向保持一致。

4頂升施工要點

1）主梁進行支座更換頂升時，頂升位置支點處的反力將呈現增大趨勢，應力變化值也隨之出現一定的變化。2）頂升位移控制在 10mm 時，主梁主要截面的應力變化值均較小，主梁的頂板、底板整體處于受壓狀態。3）橋梁處治為系統性工程，支座頂升過程中應著重加強對千斤頂所處位置的梁體截面加強處治，確保混凝土局部受壓滿足規范要求。

4.1安裝千斤頂托架

根據前述主梁內力及應力分析結果，為減小對梁體的影響，頂升位移控制在 10mm 以內較為理想。根據前述計算，由于橋梁橋墩位置橫向僅布置2個墩柱，頂升過程中產生的集中力較大。為避免主梁混凝土在頂升過程中出現損壞，頂升實施前可在梁底區域增設鋼板，擴大頂升集中力的擴散范圍，從而將混凝土的局部受壓強度值控制在規范容許值以內。

4.2支座更換

千斤頂安裝完成并實現梁體頂升后，對需要更換的支座更換是施工過程中較為關鍵的一環，建議選擇在車流量較小的時段進行作業，以減小實施難度。支座更換過程中，需在梁底關鍵截面位置安裝應變片等監控設備，同時嚴控主梁頂升各個階段的位移，確保梁體頂升后主梁的各項應力指標變化均在規范容許范圍以內。

4.3主梁回落

支座安裝完成后，需通過千斤頂將主梁回落至設計標高。主梁回落時，應嚴格控制單次的最大回落位移，回落過程中應做好對單個支座的位移監測，確保各個支點位置同步頂升、同步回落，避免梁體應差異回落出現拉應力區，造成主梁局部開裂。主梁回落完成后，需對各個支座的受力狀態進行檢查，若發現支座頂部存在楔形縫時，應及時采用薄鋼板進行填塞頂緊，確保橋梁橫向各個支點均勻受力。

5結論

本文依托某現澆箱梁橋為研究背景，對頂升工藝在支座更換中的應用進行了相關的分析和應用研究，得出的主要結論如下：

參考文獻

[1]廖玉珍.鋼箱梁和混凝土箱梁連續梁橋頂升技術在城市既有跨線橋改造中的應用[J].施工技術，2014（17）：77-81.

[2]劉欣益，楊子江，馮明揚，等.連續鋼箱梁橋頂升改造方案比選及關鍵技術[J].世界橋梁，2016（1）：87-91.

[3]李方韜.城市橋梁頂升改造設計與施工工藝[J].結構工程師，2016，32（4）：176-182.

[4]孫明德，班新林，臧曉秋，等.鐵路連續梁頂升法更換支座技術方案研究[J].鐵道建筑，2021，61（8）：36-39.

[4]朱江江，俞添，陳占.運營高鐵箱梁頂升平移糾偏關鍵控制參數及結構穩定性分析[J].鐵道標準設計，2023，67（3）：115-120.