半橋同步頂升工藝在橋梁支座更換中的應(yīng)用

董 艷 彪

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 概述

市府大道橋梁分為南、北兩橋，地處市政府正前方，為三孔不等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)變截面箱梁橋。橋梁的跨徑組合為22.4 m(邊)+32 m(中)+22.4 m(邊)=76.8 m，橋梁兩端分別為寬13.2 m的框架涵，總長(zhǎng)103.46 m。南、北橋橫向均由三幅橋組成，均為直橋，建成于1994年。

由于全橋支座使用時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)已嚴(yán)重銹蝕，需對(duì)全橋支座進(jìn)行更換，每幅橋需更換8個(gè)盆式橡膠支座，南、北橋共需更換48個(gè)支座。經(jīng)方案比選決定，采用PLC控制液壓同步頂升系統(tǒng)進(jìn)行頂升施工，在不損壞橋梁結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使梁體與橋墩(臺(tái))之間產(chǎn)生足夠的空間來(lái)達(dá)到更換支座的目的[1]。市府大道為該市重要城市道路，車流量巨大，外加施工周期較長(zhǎng)，為不影響城市交通，最終選擇在不中斷交通的情況下進(jìn)行橋梁支座更換施工，這極大地增加了施工難度。

橋面通行的車輛及其他外部環(huán)境都會(huì)對(duì)梁體產(chǎn)生縱向和橫向的干擾力，如采用橋梁整體同步頂升方案，使梁體成為漂浮體系，則橋梁的整體穩(wěn)定性將會(huì)大大減弱，任何的縱、橫向干擾都有很大可能導(dǎo)致梁體整體失穩(wěn)而發(fā)生傾覆[2]。為避免上述安全隱患的發(fā)生，經(jīng)研究決定，采用半橋同步頂升方案進(jìn)行施工。即對(duì)于每幅連續(xù)梁而言，先進(jìn)行左半幅頂升施工，更換左半幅橋墩、橋臺(tái)支座，待支座更換完畢后進(jìn)行落梁施工，此時(shí)已完成左半幅橋梁支座更換工序；之后采用同樣的方法完成右半幅橋梁支座更換。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于：在頂升施工的整個(gè)過(guò)程中，未頂升的半幅橋梁的支座對(duì)橋梁整體起到縱向及橫向的限位作用，相對(duì)于整體頂升而言，既無(wú)需增設(shè)縱、橫向限位裝置，節(jié)省材料，又有效的防止了梁體的失穩(wěn)。

本文以南橋西幅為例，介紹該橋半橋同步頂升施工技術(shù)。

2 頂升施工工藝技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵步驟

半橋同步頂升施工過(guò)程中，梁體會(huì)產(chǎn)生變形。為防止頂升位移過(guò)大導(dǎo)致梁體開(kāi)裂，事先通過(guò)大型有限元分析軟件MIDAS進(jìn)行頂升施工過(guò)程仿真分析[3]，確定出安全的頂升位移。對(duì)于與橋臺(tái)固接、與橋梁翼緣板通過(guò)托架剛性連接的高壓水管，在頂升施工中會(huì)受到向上的強(qiáng)迫位移，使高壓水管與橋臺(tái)連接處產(chǎn)生附加彎矩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓水管自身及高壓水管與橋臺(tái)連接處的混凝土破壞。為解決這一難題，運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)頂升過(guò)程中高壓水管及高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土的受力進(jìn)行精確分析[3]，計(jì)算出高壓水管剛性約束換托的合理范圍，解除這一范圍內(nèi)高壓水管與橋梁翼緣板的剛性連接，同時(shí)搭設(shè)碗扣式支架作為這一部分高壓水管的彈性支撐結(jié)構(gòu)，支座更換完成后立即恢復(fù)原支撐體系。頂升過(guò)程中，伸縮縫處梁體與路面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)高差，需事先鋪設(shè)鋼板，防止跳車現(xiàn)象發(fā)生。頂升全過(guò)程中，對(duì)頂升位移、梁體應(yīng)變、高壓水管應(yīng)變及高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整頂升偏差，保證結(jié)構(gòu)的受力安全。

該橋半橋同步頂升關(guān)鍵施工步驟為：頂升前對(duì)高壓水管進(jìn)行支撐托換，并且在托換前需對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，消除非彈性變形；伸縮縫處路面鋪設(shè)鋼板；監(jiān)控測(cè)點(diǎn)及監(jiān)控設(shè)備布置；對(duì)梁體進(jìn)行試頂升；對(duì)梁體進(jìn)行正式頂升，根據(jù)該橋需要頂升的高度設(shè)計(jì)頂升步驟及每步頂升高度，頂升過(guò)程采用同步頂升；落梁施工。

3 頂升施工主要技術(shù)

3.1 半橋同步頂升施工

在不中斷交通的情況下，橋面通行的車輛及其他外部環(huán)境都會(huì)對(duì)梁體產(chǎn)生縱向和橫向的干擾力。在無(wú)任何梁體限位措施的條件下，如將橋梁進(jìn)行整體頂升，會(huì)使得梁體成為漂浮體系，極大地減弱了橋梁的整體穩(wěn)定性，增加了梁體整體失穩(wěn)而發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。為避免上述安全隱患的發(fā)生，經(jīng)研究分析，最終采用半橋同步頂升方案進(jìn)行施工。即同時(shí)頂升1號(hào)臺(tái)、2號(hào)墩位置處梁體，更換1號(hào)臺(tái)、2號(hào)墩支座，將3號(hào)墩、4號(hào)臺(tái)支座作為梁體限位裝置，支座更換完畢后進(jìn)行落梁施工。之后進(jìn)行3號(hào)墩、4號(hào)臺(tái)位置支座更換施工，此時(shí)，1號(hào)臺(tái)、2號(hào)墩支座作為梁體的限位裝置。

3.1.1最大頂升位移的確定

采用此方案對(duì)橋梁進(jìn)行頂升施工的過(guò)程中梁體會(huì)發(fā)生變形，如頂升位移過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致梁體的開(kāi)裂。因此，確定合理的最大頂升位移，既能夠保證橋梁受力安全，又能夠有足夠的空間取出舊支座、達(dá)到更換支座的目的成為此方案的關(guān)鍵所在。

采用大型通用有限元軟件MIDAS對(duì)頂升過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，通過(guò)研究頂升位移與梁體混凝土最大拉應(yīng)力增量之間的關(guān)系，確定容許的最大頂升位移。有限元模型如圖1所示。

結(jié)合實(shí)際，采取以下5種工況進(jìn)行分析：

工況一：N1號(hào)、N2號(hào)墩處梁體同步頂升5 mm；

工況二：N1號(hào)、N2號(hào)墩處梁體同步頂升8 mm；

工況三：N1號(hào)、N2號(hào)墩處梁體同步頂升10 mm；

工況四：N1號(hào)、N2號(hào)墩處梁體同步頂升15 mm；

工況五：N1號(hào)、N2號(hào)墩處梁體同步頂升20 mm。

5種工況分析結(jié)果如表1所示。

表1 頂升位移與梁體混凝土最大拉應(yīng)力增量關(guān)系分析結(jié)果

經(jīng)上述分析，在頂升過(guò)程中，當(dāng)橋梁1號(hào)臺(tái)、2號(hào)墩同時(shí)頂升最大位移為15 mm時(shí)，混凝土拉應(yīng)力增量滿足規(guī)范所規(guī)定的混凝土容許拉應(yīng)力；當(dāng)最大位移為20 mm時(shí)，混凝土拉應(yīng)力增量超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的混凝土容許拉應(yīng)力。由此，15 mm即為合理容許頂升位移。由以往施工經(jīng)驗(yàn)可知，15 mm的空間高度能夠保證取出舊支座，達(dá)到更換支座的目的。故最終將15 mm作為合理的最大頂升位移。

3.1.2梁體試頂升

為了考核整個(gè)頂升系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對(duì)最大頂升位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)頂升力、橋梁應(yīng)力、整體姿態(tài)、結(jié)構(gòu)位移[4]、高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)力等情況進(jìn)行資料收集，為正式頂升提供依據(jù)，在每一半橋梁頂升施工前都需進(jìn)行試頂升。試頂升也需采用同步頂升的方式，試頂升高度為5 mm，試頂升到位后進(jìn)行持荷觀察，持荷時(shí)間不少于30 min。

3.1.3梁體正式頂升

試頂升符合要求后即可進(jìn)行正式頂升，半橋同步頂升施工的整個(gè)頂升過(guò)程分8個(gè)階段進(jìn)行。每個(gè)階段均為等步長(zhǎng)同步頂升(每個(gè)頂升點(diǎn)在同一階段的頂升過(guò)程中頂升高度相同)。前7個(gè)階段中，每個(gè)階段頂升位移為2 mm，第8階段頂升位移為1 mm。每個(gè)頂升階段完成后，需立即停止頂升，進(jìn)行持荷觀察。對(duì)頂升力、橋梁應(yīng)力、整體姿態(tài)、結(jié)構(gòu)位移[4]、高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)力進(jìn)行檢查，對(duì)不同步誤差進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。每?jī)蓚€(gè)階段之間間歇時(shí)間不得少于20 min。

結(jié)合實(shí)際情況，如某一頂升階段完成后舊支座能夠被順利取出，為最大限度保證梁體受力安全，則其之后的頂升階段不再進(jìn)行。

3.1.4落梁施工

待支座更換完畢后，控制各千斤頂同步回縮，使梁體同步下降，使梁體回落到位。落梁結(jié)束后，需及時(shí)檢查梁體是否回落到位，支座有無(wú)脫空現(xiàn)象。

3.2 高壓水管支撐換托施工

對(duì)于與橋臺(tái)固接、與橋梁翼緣板通過(guò)托架剛性連接的高壓水管，在頂升施工中會(huì)受到向上的強(qiáng)迫位移，使高壓水管與橋臺(tái)連接處產(chǎn)生附加彎矩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致高壓水管及高壓水管與橋臺(tái)連接處的混凝土破壞。為解決這一難題，需解除部分高壓水管與橋梁翼緣板的剛性連接，同時(shí)搭設(shè)碗扣式支架作為這一部分高壓水管的彈性支撐結(jié)構(gòu)，支座更換完成立即恢復(fù)原支撐體系。

3.2.1合理?yè)Q托范圍的確定

由于高壓水管容許一定量的彈性變形，高壓水管與橋臺(tái)連接處的混凝土容許一定量的拉應(yīng)力存在，故無(wú)需將高壓水管所有長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行支撐換托，只需將其合理范圍內(nèi)與梁體剛性連接的角鋼托架換為彈性支架即可。采用大型有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析[5]，分析在頂升過(guò)程中高壓水管的最大應(yīng)力增量以及高壓水管與橋臺(tái)連接處的橋臺(tái)混凝土的最大應(yīng)力增量，來(lái)確定合理的支撐換托范圍。在鋼管兩端建立橋臺(tái)混凝土，橋臺(tái)混凝土與高壓水管固結(jié)。

有限元模型如圖2所示。

考慮從橋臺(tái)開(kāi)始12 m范圍內(nèi)解除梁體對(duì)高壓水管的約束，托換到臨時(shí)支撐上，從橋臺(tái)開(kāi)始12 m內(nèi)高壓水管與梁體同步頂升，共分2個(gè)工況：

工況一：從橋臺(tái)12 m位置處對(duì)高壓水管施加5 mm豎向強(qiáng)迫位移；

工況二：從橋臺(tái)12 m位置處對(duì)高壓水管施加8 mm豎向強(qiáng)迫位移。

以上2種工況分析結(jié)果如表2所示。

表2 豎向強(qiáng)迫位移對(duì)高壓水管

考慮從橋臺(tái)開(kāi)始22 m范圍內(nèi)解除梁體對(duì)高壓水管的約束，托換到臨時(shí)支撐上，從橋臺(tái)開(kāi)始22 m內(nèi)高壓水管與梁體同步頂升(即解除邊跨范圍高壓水管與梁體的剛性約束)，共分4個(gè)工況：

工況一：從橋臺(tái)22 m位置處對(duì)高壓水管施加5 mm豎向強(qiáng)迫位移；

工況二：從橋臺(tái)22 m位置處對(duì)高壓水管施加8 mm豎向強(qiáng)迫位移；

工況三：從橋臺(tái)22 m位置處對(duì)高壓水管施加10 mm豎向強(qiáng)迫位移；

工況四：從橋臺(tái)22 m位置處對(duì)高壓水管施加15 mm豎向強(qiáng)迫位移；

以上4種工況分析結(jié)果如表3所示。

表3 豎向強(qiáng)迫位移對(duì)高壓水管

由以上工況分析可以得出：當(dāng)從橋臺(tái)開(kāi)始22 m范圍內(nèi)解除對(duì)高壓水管的約束，頂升22 m位置(即2號(hào)或3號(hào)橋墩位置)時(shí)，可明顯降低高壓水管及高壓水管與橋臺(tái)混凝土連接處橋臺(tái)混凝土最大拉應(yīng)力增量，且豎向頂升15 mm時(shí)應(yīng)力增量也在規(guī)范規(guī)定的安全范圍之內(nèi)[6]。建議頂升前解除從橋臺(tái)開(kāi)始22 m范圍內(nèi)梁體對(duì)高壓水管的剛性約束，進(jìn)行彈性支撐托換，并降低高壓水管中的水壓力，確保頂升安全。

3.2.2彈性支撐托換

將兩根立桿與一根橫桿通過(guò)碗扣和限位銷連接，再將此組合結(jié)構(gòu)通過(guò)碗扣和限位銷與已搭建的施工支架平臺(tái)連接，形成新的高壓水管彈性支撐。此彈性支架應(yīng)有足夠的工作寬度，以便梁體與高壓水管間的連接釋放后，能對(duì)全部管線進(jìn)行支撐，高壓水管彈性支撐整體示意圖如圖3所示，局部示意圖如圖4所示。為避免臨時(shí)支架平臺(tái)下沉，對(duì)現(xiàn)有碗扣式支架進(jìn)行了加密。彈性支架搭設(shè)完成后，用沙袋模擬高壓水管重量，對(duì)彈性支架進(jìn)行預(yù)壓，消除其非彈性變形，在此過(guò)程中需對(duì)變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)安全性進(jìn)行分析評(píng)估。預(yù)壓完成后即可解除此范圍內(nèi)高壓水管與梁體的剛性連接，將高壓水管重量托換至彈性支架上。

3.2.3剛性約束解除

高壓水管與梁體翼緣板通過(guò)U型角鋼進(jìn)行剛性連接。施工過(guò)程中通過(guò)采用火焰切割技術(shù)將U型角鋼切除來(lái)達(dá)到解除剛性約束的目的。待頂升施工完成后，需及時(shí)恢復(fù)此剛性約束。高壓水管剛性約束解除前如圖5所示，約束解除后如圖6所示。

3.3 伸縮縫處路面交通保障措施

在頂升過(guò)程中，伸縮縫處梁體與路面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)高差，由此可能導(dǎo)致跳車現(xiàn)象發(fā)生。為此，頂升施工之前，在伸縮縫處鋪設(shè)鋼板來(lái)使得路面相對(duì)平順，避免了跳車的可能?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施如圖7所示。

3.4 頂升施工監(jiān)控

3.4.1頂升施工監(jiān)控目的

為保證在頂升施工過(guò)程中梁體的變形及應(yīng)力、高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)力滿足規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)頂升位移不同步誤差做出及時(shí)調(diào)整，確保頂升施工安全順利進(jìn)行，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行了全程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.4.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制手段

頂升過(guò)程中對(duì)箱梁控制截面應(yīng)變(應(yīng)力)變化、千斤頂頂點(diǎn)附近的頂升高度及高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)變(應(yīng)力)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。梁體應(yīng)變(應(yīng)力)值的監(jiān)測(cè)通過(guò)在控制截面梁底布置高靈敏度應(yīng)變(應(yīng)力)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖8，圖9所示。頂升位移值的監(jiān)測(cè)通過(guò)在梁底千斤頂附近位置布置光柵尺實(shí)現(xiàn)[7]，如圖8，圖10所示。高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)變(應(yīng)力)通過(guò)布置在高壓水管下側(cè)橋臺(tái)位置的電阻應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)，如圖11所示。

施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控梁體及橋臺(tái)混凝土應(yīng)力增量變化，使之不得超過(guò)1.83(設(shè)計(jì)值)/1.2=1.52 MPa[6]。一旦梁體與橋臺(tái)混凝土應(yīng)力增量超過(guò)1 MPa(應(yīng)變值為28 με)，應(yīng)及時(shí)示警。同時(shí)需監(jiān)控梁體頂升位移值的變化，使之不得超過(guò)15 mm，一旦梁體頂升位移值超過(guò)12 mm，應(yīng)及時(shí)示警。如頂升過(guò)程中出現(xiàn)不同步誤差，則及時(shí)對(duì)頂升高度進(jìn)行調(diào)整。

3.4.3監(jiān)控結(jié)果

1)應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果顯示，在橋梁頂升過(guò)程中，梁體各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力值增量變化趨勢(shì)基本一致，且均滿足規(guī)范要求。高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)力值未超出規(guī)范規(guī)定的限值?？傊?，梁體與橋臺(tái)混凝土受力安全。

2)位移監(jiān)控結(jié)果顯示，在橋梁頂升過(guò)程中，梁體各位移測(cè)點(diǎn)位移值變化基本一致，且頂升最大位移在規(guī)定的最大位移限值15 mm之內(nèi)?？傊?，梁體頂升達(dá)到了同步頂升的效果，其梁體變形受力安全。

4 結(jié)語(yǔ)

該橋通過(guò)采用科學(xué)、先進(jìn)的施工工藝，克服了不中斷交通、無(wú)縱橫向限位裝置等情況給施工帶來(lái)的巨大困難，成功地完成了頂升施工任務(wù)，為今后不中斷交通的城市橋梁維修改造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并提供了如下技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可供參考。

1)該橋采用半橋同步頂升技術(shù)，避免了梁體在無(wú)任何限位裝置的情況下發(fā)生失穩(wěn)而傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，在不中斷交通的條件下，安全、順利地完成了橋梁支座更換任務(wù)。

2)通過(guò)大型通用有限元軟件MIDAS對(duì)梁體頂升過(guò)程進(jìn)行仿真分析，精確地計(jì)算出梁體容許的最大頂升高度，確保了整個(gè)頂升過(guò)程中梁體的變形受力安全。

3)運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)頂升過(guò)程中高壓水管及高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土的受力進(jìn)行精確分析，計(jì)算出高壓水管剛性約束換托的合理范圍。通過(guò)將這一范圍內(nèi)的高壓水管與梁體的剛性連接解除，同時(shí)將高壓水管托換至彈性支架上的方法，保證了頂升施工過(guò)程中高壓水管及高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土的受力安全。

4)在伸縮縫處路面鋪設(shè)鋼板，成功的避免了因梁體與路面產(chǎn)生相對(duì)高差而導(dǎo)致的跳車現(xiàn)象。

5)利用監(jiān)控設(shè)備對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證了在頂升施工過(guò)程中梁體的變形及應(yīng)力、高壓水管與橋臺(tái)連接處橋臺(tái)混凝土應(yīng)力滿足規(guī)范要求，同時(shí)能夠?qū)斏灰撇煌秸`差做出及時(shí)調(diào)整，確保了頂升施工安全順利進(jìn)行。