某跨航道橋梁整體頂升移位設(shè)計(jì)

張 濤

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200125；2.上海工業(yè)化裝配化市政工程技術(shù)研究中心，上海市200125）

0 引言

頂升移位技術(shù)能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)使用的需要，將結(jié)構(gòu)移動(dòng)到合適的位置上。近年來(lái)，頂升移位技術(shù)在房屋改造、橋梁改造等工程中取得多次成功運(yùn)用[1]。相比老結(jié)構(gòu)拆除重建，采用頂升移位技術(shù)具有大幅降低建安費(fèi)，減少建筑垃圾排放，能夠保存具有歷史意義建筑原貌等優(yōu)勢(shì)。

本文結(jié)合某跨航道橋梁改造工程建設(shè)需要，針對(duì)該橋梁進(jìn)行頂升移位設(shè)計(jì)，可為以后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某跨航道橋梁，原橋梁結(jié)構(gòu)在2009年完成設(shè)計(jì)施工。主橋?yàn)?8m+64m+38m=140m混凝土連續(xù)梁橋（見(jiàn)圖1），兩側(cè)引橋均為4×25m+3×25 m=175m簡(jiǎn)支空心板引橋，引橋橋面連續(xù)。橋面寬度為0.5m（防撞護(hù)欄）+11.5m（車(chē)行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）=12.5m。橋面采用雙向橫坡，橫坡均為1.5%。主橋主墩為墻式橋墩。主橋過(guò)渡墩與引橋均為排架墩，一樁一柱式結(jié)構(gòu)無(wú)承臺(tái)。原橋梁通航凈空為55m×5.5m。

現(xiàn)由于道路升級(jí)改造，需在原橋位兩側(cè)新建兩座橋梁，同時(shí)航道需滿(mǎn)足三級(jí)航道要求，即通航凈空滿(mǎn)足60m×7.0m?？紤]到新老橋梁形成一致橫坡，新橋結(jié)構(gòu)底標(biāo)高控制通航總凈空，經(jīng)過(guò)綜合推算，需將老橋頂升約2.324m。抬升后將老橋橋臺(tái)改建為橋墩，兩側(cè)另增兩孔橋梁與道路接順，見(jiàn)圖2。

圖1 原主橋橋型布置圖(單位：cm)

圖2 頂升后主橋斷面(單位：m)

2 設(shè)計(jì)原則與方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目建成時(shí)間不長(zhǎng)，橋梁檢測(cè)表明結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。鑒于橋梁建成后，諸多規(guī)范進(jìn)行了改版，有的條文更新較大。橋梁改造本著“安全、可行、經(jīng)濟(jì)及滿(mǎn)足使用功能的原則”，按照新規(guī)范對(duì)老橋結(jié)構(gòu)主要控制指標(biāo)進(jìn)行靜力驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)安全。主要指標(biāo)按照新規(guī)范執(zhí)行，不足部分考慮采用加固措施；對(duì)于部分構(gòu)造不能滿(mǎn)足新規(guī)范的情況，仍沿用原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)構(gòu)性能相關(guān)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）設(shè)計(jì)荷載：汽車(chē)荷載-城A級(jí)；

（2）橋梁橫坡：保持原橫坡不變；

（3）環(huán)境類(lèi)別：Ⅰ類(lèi)；

（4）安全等級(jí)：一級(jí)；

（5）設(shè)計(jì)使用年限：不低于原設(shè)計(jì)預(yù)期值；

（6）抗震設(shè)防：地震設(shè)防烈度6度，基本地震加速度值0.05 g，C類(lèi)設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為丁類(lèi)，滿(mǎn)足相關(guān)構(gòu)造和抗震措施要求；

（7）頂升完成后標(biāo)高控制精度：±2mm。

2.2 頂升方案

考慮到主橋頂升準(zhǔn)備工作較少，先具備頂升條件，且主引橋結(jié)構(gòu)可相互提供頂升過(guò)程中的限位，提高整體頂升安全性；因此，制定總體頂升順序：主橋先頂升，兩側(cè)引橋達(dá)到頂升條件后進(jìn)行頂升。

橋梁頂升總體方案如下：

（1）頂升支撐及設(shè)備安裝，1#孔、17孔空心板梁體吊離；

（2）主橋安裝限位裝置并頂升，主墩接高；

（3）引橋安裝限位裝置并頂升，引橋橋墩接高；

（4）過(guò)渡墩頂升，過(guò)渡墩接高；

（5）0#、17#橋臺(tái)改橋墩施工，并將原空心板梁復(fù)位。

3 頂升結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 橋梁頂升后結(jié)構(gòu)狀態(tài)驗(yàn)算

按照頂升后的結(jié)構(gòu)形式和荷載數(shù)據(jù)，考慮結(jié)構(gòu)施工過(guò)程，按規(guī)范[2]驗(yàn)算橋梁受力結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算項(xiàng)目與結(jié)論見(jiàn)表1，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)在不考慮新規(guī)范中局部構(gòu)造要求的情況下，頂升完成后結(jié)構(gòu)可直接投入使用，不需要針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固與改造。

表1 橋梁頂升后結(jié)構(gòu)狀態(tài)驗(yàn)算

3.2 頂升過(guò)程中結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為頂升過(guò)程中結(jié)構(gòu)有三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素：連續(xù)梁結(jié)構(gòu)頂升不同步使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；引橋蓋梁頂升過(guò)程由于體系轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)承載能力不足；由于引橋無(wú)承臺(tái)，需要設(shè)置抱柱梁為頂升千斤頂提供支撐力。抱柱梁結(jié)構(gòu)由于承載能力不足發(fā)生破壞。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展驗(yàn)算分析如下：

（1）連續(xù)梁結(jié)構(gòu)頂升不同步分析

建立有限元分析模型，利用支撐點(diǎn)的不均勻沉降模擬頂升過(guò)程中不同步產(chǎn)生的影響，分別考慮5 cm、6 cm、7 cm、10 cm不同步率作用下結(jié)構(gòu)狀態(tài)見(jiàn)表2。當(dāng)不同步率超過(guò)5 cm后，會(huì)出現(xiàn)大量裂縫。考慮到目前市面上同步頂升工藝通常能將不同支點(diǎn)不同步率控制在±2mm，將監(jiān)控支點(diǎn)不同步精度預(yù)警值設(shè)置為±2mm，超過(guò)預(yù)警值應(yīng)預(yù)警并采取措施修正不同步率。同時(shí)要求不同步率超過(guò)±25mm應(yīng)立即停止作業(yè)，檢查原因后，修正頂升工藝后再開(kāi)展后續(xù)頂升工作。

表2 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)頂升不同步分析

（2）引橋蓋梁頂升過(guò)程分析

考慮在引橋立柱切斷后，在外側(cè)立柱外緣0.5m范圍設(shè)置1個(gè)頂升支點(diǎn)；內(nèi)側(cè)立柱兩側(cè)各0.5m范圍設(shè)置1個(gè)頂升支點(diǎn)。在頂升過(guò)程中，蓋梁承受的荷載包括：蓋梁和引橋上部結(jié)構(gòu)恒載；千斤頂支撐力。兩者互為作用力與反作用力?？紤]到千斤頂之間聯(lián)動(dòng)，在頂升過(guò)程中，各千斤頂支反力始終保持一致，可推算出各個(gè)千斤頂在受力平衡時(shí)荷載數(shù)值。根據(jù)恒載數(shù)值和千斤頂反力，可計(jì)算得到引橋蓋梁結(jié)構(gòu)在頂升過(guò)程中主要力學(xué)控制指標(biāo)見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，驗(yàn)算彎矩值和剪力值均小于蓋梁結(jié)構(gòu)承載能力允許值，頂升過(guò)程中的最大變形非常小，可基本忽略不計(jì)。

表3 引橋蓋梁頂升過(guò)程中內(nèi)力與變形

（3）抱柱梁驗(yàn)算

利用引橋蓋梁頂升過(guò)程分析得到的千斤頂支撐力，驗(yàn)算抱柱梁結(jié)構(gòu)，驗(yàn)算內(nèi)容包括新舊混凝土結(jié)合面抗剪和抱柱梁抗彎驗(yàn)算[3]。依據(jù)相關(guān)規(guī)范中驗(yàn)算公式，在不植筋時(shí)，抱柱梁新舊混凝土結(jié)合面豎向承載能力數(shù)值與梁、柱混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、新舊混凝土交接面的有效面積正相關(guān)[4]。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，單個(gè)立柱選用1.2m高抱柱梁結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足兩個(gè)引橋頂升點(diǎn)反力的要求。

4 頂升措施與結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

4.1 引橋抱柱梁結(jié)構(gòu)與頂升設(shè)備布置

按照抱柱梁驗(yàn)算要求以及頂升點(diǎn)設(shè)置位置，在立柱底部設(shè)置高度1.2m的抱柱梁（見(jiàn)圖3、圖4）。為提高頂升過(guò)程中抱柱梁整體穩(wěn)定和強(qiáng)度，將同一個(gè)橋墩三根立柱底的抱柱梁連接為一體。為不影響橋梁頂升完成后，橋墩立柱樁基的水平向剛度，要求在頂升完成后拆除抱柱梁連接段。抱柱梁上設(shè)置8處鋼支撐，鋼支撐底部采用植筋固定。鋼支撐頂上設(shè)置A、B兩組千斤頂，每組千斤頂4個(gè)，以便于交替頂升。單組千斤頂總頂升力/單組頂升總荷載大于1.75。

圖3 引橋橋墩抱柱梁與千斤頂布置立面（單位：cm）

圖4 引橋橋墩抱柱梁與千斤頂布置平面（單位：cm）

4.2 引橋橋墩接高

引橋立柱用金剛繩鋸切斷后，用水刀清除切斷面上下各1m范圍內(nèi)的混凝土，不得采用破碎錘等易造成結(jié)構(gòu)體劇烈振動(dòng)的設(shè)備，以免造成結(jié)構(gòu)本身破壞。利用機(jī)械冷擠壓套筒將接長(zhǎng)主鋼筋與立柱受力主鋼筋對(duì)接連接，并在接長(zhǎng)段外側(cè)布置螺旋箍筋，接長(zhǎng)段需澆筑無(wú)收縮混凝土。

4.3 主橋頂升設(shè)備布置

主橋承臺(tái)上支撐空間充足，根據(jù)頂升荷載需要，采用16處鋼支撐，鋼支撐底部采用植筋與承臺(tái)固定。鋼支撐頂上設(shè)置A、B兩組千斤頂，每組千斤頂8個(gè)，以便于交替頂升。單組千斤頂總頂升力/單組頂升總荷載大于1.75。

4.4 主橋橋墩接高

主橋主墩在立柱頂面局部接高，接高處立柱頂面需鑿毛，通過(guò)植筋將接高段受力主鋼筋與原立柱連接。

4.5 過(guò)渡墩抱柱梁結(jié)構(gòu)與頂升設(shè)備布置

與引橋抱柱梁結(jié)構(gòu)類(lèi)似，抱柱梁高度1.2m，頂升施工過(guò)程中將各個(gè)立柱底抱柱梁連接為一體，頂升完成后，拆除抱柱梁連接段（見(jiàn)圖5）。過(guò)渡墩抱柱梁上鋼支撐以及千斤頂布置分為兩個(gè)階段。第一階段：主橋頂升時(shí)在抱柱梁靠近主橋側(cè)設(shè)置8處鋼支撐，鋼支撐頂上設(shè)置A、B兩組千斤頂，交替頂升主橋；第二階段：引橋及過(guò)渡墩頂升時(shí)在抱柱梁偏向引橋側(cè)設(shè)置8處鋼支撐，鋼支撐頂上設(shè)置A、B兩組千斤頂，交替頂升蓋梁。單組千斤頂總頂升力/單組頂升總荷載大于1.75。

圖5 過(guò)渡墩抱柱梁與千斤頂布置平面（單位：cm）

4.6 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于橋面布置變化，頂升前需要拆除防撞墻。按照頂升施工工藝，需要拆除伸縮縫，主橋球鋼支座。頂升完成后，施工新的防撞墻、伸縮縫以及主橋球鋼支座。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，引橋部分支座老化，在頂升完成后，更換新支座安裝。

5 結(jié) 語(yǔ)

在老橋頂升工程中，由于設(shè)計(jì)規(guī)范的變更，橋梁結(jié)構(gòu)通常只能夠滿(mǎn)足原規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)前期階段需要針對(duì)頂升后結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確。本工程中，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出主橋引橋分開(kāi)頂升的設(shè)計(jì)方案，頂升后的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算驗(yàn)證了該工程采用頂升的可行性，設(shè)計(jì)中分析了頂升過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并進(jìn)行驗(yàn)算。設(shè)計(jì)了頂升抱柱梁結(jié)構(gòu)、頂升千斤頂布置位置、橋墩接高等構(gòu)造措施。在實(shí)際工程施工過(guò)程中，施工單位尚應(yīng)充分考慮施工階段的風(fēng)險(xiǎn)，如：頂升縱橫向偏移、大風(fēng)惡劣天氣、設(shè)備故障等，確保工程的順利開(kāi)展。