連續(xù)箱梁頂升調(diào)坡關(guān)鍵技術(shù)研究*

吳毅彬，鄭 偉，龔 強(qiáng)

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 廈門 361024； 2.廈門市交通基礎(chǔ)設(shè)施健康與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361024； 3.廣州鼎力志成工程有限公司，廣東 廣州 200000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)航道升級(jí)和城市橋梁功能升級(jí)改造的需要，橋梁頂升作為改變橋下空間的重要方法，目前已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。橋梁頂升本質(zhì)是一種橋梁的豎向運(yùn)動(dòng)移位過(guò)程，目前最常見(jiàn)的有兩類頂升模式。第1類同步頂升是目前應(yīng)用最廣泛的工藝，其理論基礎(chǔ)來(lái)自理論力學(xué)中的剛體平移，橋梁作為剛體豎向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其體內(nèi)任意一條直線應(yīng)該與初始位置平行，稱之為“剛體的平行移動(dòng)”，PLC頂升其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀相同且彼此平行；每一瞬時(shí)，各點(diǎn)具有相同的速度和加速度。PLC同步頂升技術(shù)目前在各類橋梁更換支座施工、橋下凈空整體頂升中發(fā)揮了重要的作用。針對(duì)不同的橋梁結(jié)構(gòu)，輔助設(shè)置可靠的頂升底盤結(jié)構(gòu)體系(lifting chassis structure system)。目前國(guó)內(nèi)外PLC橋梁同步頂升控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟[1-11]，典型案例如上海吳淞大橋采用整體同步頂升，由于橋梁低于連接線同濟(jì)路立交，原橋整體頂升0.85m；重達(dá)4 200t的天津獅子林橋?yàn)?跨24m+45m+24m連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，整體頂升1.271m；云南安寧白塔橋由于景觀改造需要整體同步降落3.06m[2]。

第2類橋梁PLC頂升是橋下空間調(diào)坡改造。其運(yùn)動(dòng)本質(zhì)是每一瞬間，橋梁各跨的質(zhì)心位置和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)具有相同的夾角，橋梁不動(dòng)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)類似于力學(xué)中的速度瞬心，由于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度和到垂線(橋梁縱斷面)的垂直距離成正比，因此，調(diào)坡頂升可以理解為一種線性比例旋轉(zhuǎn)頂升問(wèn)題。分級(jí)頂升時(shí)，橋梁第1階段采用線性同步頂升，第2階段采用旋轉(zhuǎn)比例頂升，調(diào)坡是2種工況的結(jié)合。由于連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)自重大，投影面積大，因此調(diào)坡頂升中運(yùn)動(dòng)模式相對(duì)復(fù)雜，其關(guān)鍵技術(shù)是本文研究的重點(diǎn)。

旋轉(zhuǎn)調(diào)坡頂升的關(guān)鍵技術(shù)主要包含：①可連續(xù)頂升的施工工藝；②可循環(huán)接高的頂升底盤體系；③頂升姿態(tài)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；④結(jié)構(gòu)行為數(shù)值仿真?；诶碚摿W(xué)的剛體運(yùn)動(dòng)行為，本文總結(jié)旋轉(zhuǎn)頂升調(diào)坡關(guān)鍵技術(shù)，并以工程實(shí)例進(jìn)行研究，相關(guān)成果可供同類工程項(xiàng)目參考借鑒。

1 剛體運(yùn)動(dòng)理論和橋梁同步頂升

從理論力學(xué)剛體運(yùn)動(dòng)和數(shù)學(xué)角度分析，假定初始狀態(tài)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)為事件AB，經(jīng)過(guò)PLC同步頂升，中間經(jīng)過(guò)A1B1,A2B2，…，AnBn，n個(gè)行程或者施工工況最終變?yōu)榱耸录嗀nBn，事件AnBn和AB除了時(shí)間，不發(fā)生任何變化。橋梁同步頂升是最基本的剛體平行移動(dòng)，任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為直線，同時(shí)過(guò)程要控制x，y，z3個(gè)方向的位移和3個(gè)平面外的轉(zhuǎn)角，不產(chǎn)生任何附加內(nèi)力和位置變化(見(jiàn)圖1)。調(diào)坡旋轉(zhuǎn)頂升是一種繞固定墩軸線的整體剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，需要控制各個(gè)墩頂線位移的比例，保證橋梁線形不發(fā)生變化，頂升過(guò)程不出現(xiàn)強(qiáng)迫位移。調(diào)坡旋轉(zhuǎn)頂升高度大，過(guò)程工況復(fù)雜，橋梁線形隨著縱坡投影長(zhǎng)度發(fā)生局部變化。本文從調(diào)坡頂升施工中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了若干理論和案例研究，研究成果可為同類工程提供參考借鑒。

圖1 同步頂升橋梁狀態(tài)

2 可持續(xù)調(diào)坡頂升工藝設(shè)計(jì)

目前傳統(tǒng)的跟隨頂升，由于施工需要停頓來(lái)進(jìn)行支撐系統(tǒng)的接高，是一種被動(dòng)的頂升→接高→頂升的循環(huán)施工工藝，施工效率較低，常用于支座墊石接高或更換支座的小行程頂升施工中，目前在G25杭寧高速改擴(kuò)建和廣湛高速開(kāi)擴(kuò)建項(xiàng)目中均采用了這類工藝。對(duì)于頂升高度較大的橋梁，特別是頂升高度達(dá)2m以上的調(diào)坡工程，主要采用交替頂升工藝，即每個(gè)頂點(diǎn)布置處安裝兩組可主動(dòng)施加頂升力的千斤頂，并由控制臺(tái)控制液壓泵站驅(qū)動(dòng)2組千斤頂進(jìn)行反復(fù)交替頂升。頂升過(guò)程中，先由第1組千斤頂頂升1個(gè)行程，第2組千斤頂跟隨[12]，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)支點(diǎn)均能頂升和加高，該方式可有效提高施工效率和安全儲(chǔ)備。

調(diào)坡頂升工藝流程如圖2所示。

3 頂升底盤結(jié)構(gòu)體系

頂升底盤結(jié)構(gòu)可根據(jù)橋梁下部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。對(duì)于下部群樁基礎(chǔ)承臺(tái)結(jié)構(gòu)可考慮利用老承臺(tái)承載力，而對(duì)局部承臺(tái)截面尺寸不足的可考慮采用人工挖孔樁結(jié)合承臺(tái)增大截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。如成都二環(huán)線雙楠老橋調(diào)坡頂升利用老橋承臺(tái)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了鋼支撐和分配梁結(jié)構(gòu)，布置如圖3所示，調(diào)坡頂升高度最大達(dá)到7.42m(見(jiàn)表1)。

表1 成都雙南橋頂升高度

圖3 雙南橋支撐平面布置

頂升底盤結(jié)構(gòu)承臺(tái)受力分析如圖4所示。建模時(shí)先采用MIDAS/civil有限元軟件模擬頂升支架反力，采用彈性連接線剛度模擬支架和支點(diǎn)空間位置,計(jì)算荷載包括護(hù)欄、橋面鋪裝二期恒載、箱梁恒載。然后根據(jù)各墩頂升力值，考慮2倍以上的安全系數(shù)，將反力作用在鋼支撐上方，同時(shí)考慮風(fēng)荷載、水平力、不均勻受力系數(shù)進(jìn)行荷載組合，荷載傳遞到承臺(tái)上方。承臺(tái)底部設(shè)置人工挖孔樁，采用植筋和原承臺(tái)連接。采用大型通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬，邊界條件底部樁基采用6自由度固定約束，不考慮樁土接觸分析，混凝土和鋼支撐采用C3D8R減縮積分的三維實(shí)體單元，混凝土和鋼支撐網(wǎng)格劃分以0.2m和0.1m為基本尺寸單元，界面連接采用Constraint 中TIE綁定約束，考慮對(duì)稱建立1/2模型[13]。

圖4 雙南橋頂升底盤結(jié)構(gòu)受力分析

由圖4應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)新老基礎(chǔ)承臺(tái)可滿足頂升支撐要求。而對(duì)于單樁獨(dú)柱結(jié)構(gòu)往往采用抱柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可以作為頂升反力平臺(tái)，同時(shí)抱柱結(jié)構(gòu)可以作為結(jié)構(gòu)加固。

4 正式頂升設(shè)計(jì)

正式頂升設(shè)計(jì)有如下若干關(guān)鍵工序。

1)液壓千斤頂數(shù)量 根據(jù)墩頂反力計(jì)算荷載確定，一般須考慮2倍安全系數(shù)。

2)分配梁 分配梁固定在箱梁底部，位于箱梁與千斤頂之間，分配梁可直接承擔(dān)上部梁體的質(zhì)量，并將力轉(zhuǎn)移給千斤頂。分配梁上的支撐點(diǎn)應(yīng)布置在箱梁腹板處，分配梁需要有足夠的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，保證頂升過(guò)程中不產(chǎn)生變形，同時(shí)在頂升過(guò)程中，梁體若有縱向位移，則分配梁可隨梁體同時(shí)移動(dòng)。

3)頂升支撐體系安裝 包括鋼管支撐及平聯(lián)等格構(gòu)連接件、頂升分配梁、機(jī)械自鎖液壓千斤頂、蓋梁上超薄型千斤頂?shù)取?/p>

4)橫、縱向限位體系安裝 在蓋梁兩端及橋臺(tái)側(cè)安裝鋼管格構(gòu)橫向限位結(jié)構(gòu)，橋面梁端縫處安裝縱向限位結(jié)構(gòu)。

5)頂升系統(tǒng)安裝調(diào)試 安裝PLC控制系統(tǒng)、油電路、監(jiān)控系統(tǒng)等并進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢查、校正。

6)試頂 調(diào)試完成后，先分別對(duì)各墩進(jìn)行試頂，檢查鋼支撐、分配梁承載能力。聯(lián)機(jī)試頂至設(shè)計(jì)頂升力的80%，持荷。

7)正式同步頂升 待所有墩柱切斷完成后，進(jìn)行正式調(diào)坡同步頂升作業(yè)。

8)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后墩柱接長(zhǎng)。

9)橋臺(tái)改橋墩。

10)卸載落梁及臨時(shí)設(shè)施拆除。

5 橋梁姿態(tài)控制

根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)理論，橋梁在調(diào)坡?tīng)顟B(tài)，z方向剛體豎向運(yùn)動(dòng)或者繞速度瞬心運(yùn)動(dòng)時(shí)，要隨時(shí)對(duì)xy方向進(jìn)行限位監(jiān)測(cè)。同時(shí)由于頂升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，梁體縱坡的變化會(huì)引起梁投影長(zhǎng)度的變化，并導(dǎo)致安裝在梁底的千斤頂與支撐產(chǎn)生相對(duì)位移[12]。因此，除了頂升過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)千斤頂?shù)目v向位置外，還應(yīng)充分考慮支撐系統(tǒng)在承受偏心荷載情況下的受力，確保偏心受力情況下具有足夠的安全性。根據(jù)實(shí)際案例驗(yàn)證，采用可自身調(diào)節(jié)3°～5°的調(diào)節(jié)千斤頂，以保證千斤頂垂直受壓，同時(shí)千斤頂與反力架和分配梁連接法蘭盤采用順橋向條形孔，保證可滑移，可微量調(diào)節(jié)。上述對(duì)策可較好解決偏壓所產(chǎn)生的問(wèn)題。

另外，橋梁x,y方向采用縱向橫向限位，并進(jìn)行頂升全過(guò)程監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括以下方面。

1)頂升支架基礎(chǔ)沉降觀測(cè)。

2)頂升支撐體系(鋼支撐、蓋梁上型鋼支墊等)、位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

3)頂升高度、位移及梁端縫監(jiān)控與量測(cè)。

4)施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控。

6 實(shí)施案例

浙江某二環(huán)北路某高架橋因功能提升須調(diào)坡頂升，調(diào)坡頂升段為第3聯(lián)4×30m連續(xù)箱梁，最大頂升高度6.534m，頂升總體平面如圖5所示，頂升設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖5 頂升總體設(shè)計(jì)

表2 支座反力和樁號(hào)對(duì)應(yīng)表格

主要施工步驟如下：①頂升反力計(jì)算；②頂升支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算；③承臺(tái)增大截面施工，增設(shè)樁基施工；④頂升支撐體系搭設(shè)；⑤分配梁施工；⑥箱梁腹板底部墊塊施工；⑦液壓千斤頂選用，千斤頂布置與分組；⑧頂升限位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工；⑨頂升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工；⑩正式同步頂升，墩柱接高施工。

千斤頂通過(guò)吊頂鋼板和螺栓倒掛安裝在分配梁底部，頂升過(guò)程中，在吊頂鋼板和分配梁底板之間填塞楔形鋼板，并與吊頂鋼板焊接固定，保證千斤頂?shù)呢Q向受力。

頂升支撐體系考慮利用原承臺(tái)并增大截面以提高承載力。頂升荷載計(jì)算和承臺(tái)計(jì)算與圖4分析思路類似，鋼支撐受力分析時(shí)充分考慮水平力影響，驗(yàn)算時(shí)考慮兩側(cè)鋼管對(duì)稱受力與不對(duì)稱受力工況，不對(duì)稱受力按兩側(cè)0.7/0.3比例分配荷載[13]，分析工況如表3所示，頂升支撐平面布置如圖6所示，承臺(tái)受力分析結(jié)果如圖7,8所示。

圖6 頂升支撐系統(tǒng)立面和平面布置

表3 頂升支撐體系分析工況

圖7 頂升承臺(tái)基礎(chǔ)主應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 增大截面承臺(tái)變形(單位：mm)

計(jì)算結(jié)果表明：混凝土的主拉應(yīng)力最大位置位于懸臂根部，承臺(tái)最大變形位于新增承臺(tái)懸臂端部，混凝土的主拉應(yīng)力最大值為1.38MPa，略小于設(shè)計(jì)值1.71MPa。鋼支撐的Mise應(yīng)力最大為132MPa，小于規(guī)范值215MPa限值?？梢?jiàn)在最大荷載作用力承臺(tái)和鋼支撐的受力是安全可控的。

頂升過(guò)程對(duì)橋梁伸縮縫部位設(shè)置橫向位移監(jiān)測(cè)；對(duì)關(guān)鍵截面混凝土進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，應(yīng)變監(jiān)測(cè)利用在墩頂腹板兩側(cè)、跨中底板兩側(cè)混凝土表面布置JMZX-212表面型智能弦式應(yīng)變計(jì)[4]，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9,10所示。由圖可見(jiàn)，在頂升過(guò)程中應(yīng)混凝土應(yīng)變小于預(yù)警值。梁體的變形在彈性范圍內(nèi)，箱梁截面整體受力未超出預(yù)警值50με[14]。落梁后，箱梁的橫向位移基本回位，可見(jiàn)頂升階段的橫向位移為彈性偏移，隨著頂升狀態(tài)的恢復(fù)而逐漸消失。

圖9 關(guān)鍵截面應(yīng)力變化

圖10 橫向位移監(jiān)測(cè)變化

7 結(jié)語(yǔ)

從可連續(xù)頂升的施工工藝、可循環(huán)接高的頂升底盤體系、頂升姿態(tài)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)行為數(shù)值分析4個(gè)方面總結(jié)了對(duì)連續(xù)箱梁大行程頂升調(diào)坡的關(guān)鍵技術(shù)。采用原承臺(tái)抗剪增大截面技術(shù)作為頂升托盤結(jié)構(gòu)體系可較好地保證頂升支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。頂升支撐體系應(yīng)充分考慮偏心受壓工況，確保具有足夠的穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)考慮千斤頂垂直度的調(diào)整，減小偏壓荷載工況。頂升作為一種剛體平移行為，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)在頂升過(guò)程中不產(chǎn)生附加內(nèi)力和位移，充分做好結(jié)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整與控制，才能真正實(shí)現(xiàn)調(diào)坡頂升。