PLC同步頂升技術在墩梁固結橋梁中的應用

孫鵬旭

（山西省交通新技術發(fā)展有限公司，山西 太原 030006）

1 引言

我國高速公路采用全封閉控制方式，在連接兩側農(nóng)耕道路或服務區(qū)時，修建了很多上跨天橋。隨著高速公路交通流量的日益增大，瀝青混凝土路面的老化和破損逐漸加重。在道路預防性養(yǎng)護這一理念被提出后，高速公路管理單位為提高路面性能，節(jié)約養(yǎng)護成本，經(jīng)常在原有路面上直接加鋪瀝青，久而久之，勢必提高原有路面的標高，再加上建設期施工控制的不足，導致天橋凈空不足，經(jīng)常造成超高車輛剮蹭梁底，引起結構破壞或者因行車障礙導致高速堵車的情況，給行車安全帶來了極大的隱患。

本文依托山西省運城市G5京昆高速公路侯禹段北王堡分離式立交橋上部結構頂升工程，采用PLC 同步頂升技術將分離式立交橋分步整體頂升，滿足橋下凈空要求，為今后同類橋梁頂升提供參考。

2 工程概況

G5京昆高速公路侯禹段（以下簡稱“侯禹高速”）是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”第十一橫（陵川營盤至河津禹門口）的一段，也是國家G5 京昆高速的重要組成部分，全長65.561km，路基寬度為28m，該路采用雙向4 車道高速公路建設標準，設計時速為120km/h，2006年12月28日建成通車。

北王堡分離式立交橋位于侯禹高速公路K816+662 處，上部構造采用2m×23m 鋼筋混凝土展翼箱梁、墩梁固結；下部構造采用薄壁墩、柱式臺、樁基礎。該橋下方主路禹門口方向局部通行凈高不足，箱梁底面距主路路面最低處只有4.74m，造成該橋底板多次受到大車的刮擦，形成多處破損，對橋梁耐久性及高速公路主路行車的安全帶來很大的隱患。

3 處治方案

解決天橋橋下凈空不足的問題，目前有兩種方法：①路面調(diào)坡。該方法工程量大，對線形有一定的影響，而且經(jīng)常受路面構造物的影響，無法調(diào)坡。②橋梁頂升。橋梁頂升是將橋梁上部結構頂升至一定高度，通過接長墩柱或接高支座墊石的方法來改變橋面標高，使其滿足要求，該方法施工費用低、施工速度快，在解決橋梁凈空不足的問題上有明顯的優(yōu)勢[1-4]。

針對侯禹高速北王堡分離式立交橋橋下凈空不足問題，根據(jù)《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20-2017）第6.6.2條要求，擬將該橋梁頂升40cm，以滿足養(yǎng)護要求和行車要求。

4 頂升方案設計

4.1 頂升原則

北王堡分離立交橋為兩跨連續(xù)超靜定結構，對頂升點位置的布置要求較為嚴格，頂升過程中盡量保證頂升點布置在支座附近，使頂升力接近支座反力，必須保持各千斤頂同步頂升，頂升過程中箱梁的受力與工作狀態(tài)相近，否則就會在梁體內(nèi)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，容易對橋梁結構造成損壞，甚至危及結構安全[5]。

為避免支架受力下沉的影響，頂升施工過程應采用絕對高程進行高程控制，以確保施工完畢后橋下凈空抬升40cm；另外，應合理安排施工工藝，加強頂升過程中的橫縱向限位措施，可先對擋塊進行加高，并設置橡膠墊塊，然后進行頂升施工，以限制橫向位移。

4.2 設備選擇

采用傳統(tǒng)的頂升設備，由于技術的局限和荷載的原因，以及分步頂升中間過程中臨時支墊的不均勻程度，根本無法消除油缸的不同步性，無法避免結構的附加應力的產(chǎn)生，對大噸位橋梁頂升工程無疑存在較大的安全隱患[6]。

PLC 同步頂升設備通過計算機工控軟件來控制液壓泵站及其配置的液壓元件，通過計算機指令來控制液壓千斤頂，然后通過位移及力傳感器把液壓千斤壓力變化及頂升的距離反饋至計算機屏幕上，便于操作人員了解有關情況并及時調(diào)整。這種控制系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)（油泵、液壓千斤頂、平衡保護閥、比例閥、進出油管等）、計算機控制系統(tǒng)（計算機、計算機軟件、操作臺、電控箱等）、檢測傳感器（位移傳感器、力傳感器）等幾個部分組成，在頂升過程中保持各頂升力的平衡性，保證了各臺液壓千斤頂平移的同步性，是一種力和位移綜合控制的頂升方法，這種力和位移綜合控制方法，建立在力和位移雙閉環(huán)的控制基礎上，同步精度可達到±2.0 mm，確保頂升時結構安全[7]。

4.3 橋墩截斷位置的確定

通過有限元分析（圖1），結構在自重、整體升降溫及溫度梯度作用下，橋墩不產(chǎn)生彎矩。橋墩彎矩僅在車輛荷載、制動力作用下產(chǎn)生。按承載能力極限狀態(tài)設計時，作用基本組合下墩頂位置彎矩最大彎矩組合為678kN·m，墩底位置最大彎矩組合為769.4kN·m。

圖1 成橋結構分析計算模型圖

根據(jù)計算結果，將橋墩切割位置選擇在彎矩組合較小的位置，即靠近墩頂100cm 附近。根據(jù)規(guī)范要求，考慮鑿除后焊接鋼筋對混凝土的影響，保證焊接不會燒傷混凝土，選定距墩柱頂面100cm 處作為截斷面。

此外，在橋梁頂升時，梁體預留100cm 橋墩混凝土，在自重作用下處于軸心受拉狀態(tài)，還應驗算受拉區(qū)混凝土能否開裂。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）6.4.3 條，在100cm 橋墩混凝土自重作用下，其最不利截面處混凝土裂縫大小為2.21×10-3mm，可認為其仍處于未開裂狀態(tài)，所以將橋墩切割位置定于墩頂100cm 處[8]。

4.4 橋墩主筋連接方案的選擇

按承載能力極限狀態(tài)設計時，作用基本組合下墩頂最大彎矩為769.4678 kN·m，最大軸向壓力為6682.6kN。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）5.3.4 條計算可得其截面相對受壓區(qū)高度ξ=2.05＞ξb=0.56，墩臺為小偏心受壓構件。小偏心受壓構件受力特點為全截面受壓，所有主筋均位于受壓區(qū)。

故根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362-2018）9.1.8 條第2 款規(guī)定“在連接區(qū)段L 內(nèi)有接頭的受力鋼筋截面面積占受力鋼筋總截面面積的百分數(shù)，普通鋼筋在受拉區(qū)不宜超過50%，在受壓區(qū)和裝配式構件間的連接鋼筋不受限制”，故本次頂升改造中橋墩鋼筋可在墩臺切斷位置統(tǒng)一位置截斷后再進行焊接[8]。

4.5 千斤頂?shù)牟贾门c安裝

采用100t 雙作用液壓千斤頂，參數(shù)為100t、63MPa、高200mm、底徑240mm、行程最大120mm。每個臨時支架上布置2 臺，可以提供200t 頂力，單個橋臺布置3 臺千斤頂。如圖2～圖4 所示，千斤頂具有液控平衡閥，可以防止落梁過程中的突然液壓失控。橋梁重量約為559.75t，全部千斤頂頂力為1400t，千斤頂頂力安全儲備系數(shù)為2.5倍[2，3]。

圖2 橋墩臨時支架

圖3 支架處千斤頂布置

圖4 橋臺處千斤頂布置

4.6 頂升監(jiān)控點設置

北王堡分離式立交橋頂升過程中需進行線形監(jiān)控和應力監(jiān)控。線形監(jiān)控包括主梁線形監(jiān)控、橋墩頂標高監(jiān)控，主要依靠全站儀或水準儀進行標高復核；應力監(jiān)控包括主梁和墩身的軸向應變增量，主要采用表面式溫度應變計進行測量。主梁立模標高測點在橋梁縱向上對稱布置在主梁支點截面、1/2 截面、1/4 截面、1/8截面、3/8截面處，如圖5所示。

圖5 橋梁縱向主梁標高測點布置圖

主梁標高測點在橋梁橫向上布置在主梁截面兩腹板中心處，如圖6、圖7所示。

圖6 橋梁橫向主梁標高測點布置圖

圖7 橋梁縱向主梁應力測點布置圖

主梁1-0.4L、墩梁固結處、主梁2-0.6L、墩頂和墩底截面處設5處主梁應力測點。

應力監(jiān)控部位主要包括1-0.4L、墩身頂主梁截面、2-0.6L 截面左右腹板的上下緣，以及墩頂截面和墩底截面的邊緣處,如圖8所示。

圖8 主梁1-0.4L、2-0.6L截面處應力測點布置圖

5 頂升施工工藝

5.1 臨時支架安裝

鋼管支架單節(jié)重量約為2.5t，為保證吊裝過程安全，本次臨時支架安裝需采用導鏈吊裝至預先澆筑的混凝土基礎上。支架之間通過法蘭螺栓連接，采用12.6型槽鋼設置“目”字型勁性骨架，格內(nèi)分別緊密抱箍矩形墩柱和中間一排6根Φ299鋼管，如圖9、圖10所示。

圖9 臨時支架平面圖

圖10 現(xiàn)場臨時支架搭設

5.2 整體同步頂升

墩柱混凝土鑿除工作完成后，全面對橋梁進行檢查，將約束橋梁頂升的外力全部解除。

將PLC系統(tǒng)與千斤頂連接好，并現(xiàn)場進行調(diào)試。

①千斤頂可靠性確認：確認設備的密封性，將千斤頂按設計頂升力的30%頂起，并現(xiàn)場保壓5h。

②系統(tǒng)可靠性確認：為保證系統(tǒng)運行時無故障和無泄漏，對系統(tǒng)進行24h 的滿載試驗和0～100%滿載循環(huán)試驗。

5.2.1 整體同步提升

①橋梁頂升之前需由監(jiān)控單位在橋面設置監(jiān)控點，并對監(jiān)控點的初始坐標及高程進行測量和記錄。

②在機械設備和人工全部就位后，開始對橋梁進行頂升，頂升分七步完成，單步頂升高度初步確定為6cm，每步頂升分3次進行，即每次頂升達到2cm 后應當對現(xiàn)場的設備和橋梁進行觀測記錄，確認無誤后方可進行下一次的頂升[9]。

③單步最后一次頂升可將頂升高度調(diào)整至2.1cm～2.2cm，方便加墊鋼板的放置。頂升完成并確認現(xiàn)場無異常后，將加工好的加墊鋼板放置到臨時支架和橋臺蓋梁上，加墊鋼板頂面和底面必須保持水平。

④在完成單步最后一次頂升工作后，及時將支墊鋼板放置到位，對千斤頂進行卸載工作，將橋梁整體平穩(wěn)地落至支墊鋼板上。

⑤將千斤頂?shù)幕钊渴栈?，取出千斤頂后，在其下方放置加墊鋼板，加墊鋼板頂面底面須保持水平，千斤頂下方的加墊鋼板共需放置6cm厚。

⑥重復上述步驟③～步驟⑤，直至箱梁整體頂升升高41cm。待上述步驟完成后，橋梁自重全部由鋼墊板承擔。

5.2.2 落梁

①支座安裝完成后，對千斤頂下的加墊鋼板進行調(diào)整，調(diào)整后應保證千斤頂空載時活塞頂面與梁底間距為6cm。

②調(diào)整到位后，將橋臺和臨時支架上的支墊鋼板全部撤除。

③對千斤頂全部進行同步卸載，卸載過程按0.5cm為一步進行控制，待下落1cm 時，將千斤頂油閥全部鎖死，防止產(chǎn)生豎向位移，此時千斤頂活塞行程剩余5cm，達到設計頂升標高，橋臺處支座與箱梁底面緊密貼合。

5.3 墩柱接高

將豎向豎筋恢復其原來形狀，并將下料好的新鋼筋與之焊接，焊接距離原混凝土鑿除面35cm 以上，并采取一定的降溫措施，防止燒傷原墩柱混凝土。焊接長度不小于10d。

安裝綁扎其余結構鋼筋，并將加工好的鋼模板安裝到位。

將拌制好的C35 高強灌漿料由鋼模板下方進料口注入，注入速度需緩慢均勻，待上方出料口有混合料流出時，逐個封閉出料口，最終注滿后，封閉下方進料口。敲擊鋼模板，確認內(nèi)部無空洞后完成灌漿料壓注。

根據(jù)高強灌漿料產(chǎn)品說明，待混凝土強度足夠后拆除鋼模板，如圖11所示。

圖11 墩柱接高立面圖

5.4 撤除千斤頂和PLC 頂升設備

待墩柱強度達到設計值時，即可將千斤頂回油閥打開，千斤頂同步回油，千斤頂不再承擔梁體重量，將千斤頂和PLC 頂升設備全部撤除。

6 橋梁頂升注意事項

①橋梁頂升過程中，必須嚴格布置千斤頂?shù)奈恢?，避免因結構受力狀態(tài)改變，產(chǎn)生結構附加應力，對結構產(chǎn)生不利影響。

②頂升工程中，實行頂升力和位移“雙控”方式，及時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，做好現(xiàn)場參數(shù)調(diào)整，控制頂升速度，保證各千斤頂同步頂升[10]。

③橋梁頂升是在不阻斷交通的條件下進行的一項高空作業(yè)，安全問題尤為重要，現(xiàn)場墩柱臨時支架應固定牢固，做好防護措施。頂升過程中，采取必要措施限制梁體橫向位移和抗扭，并做好橋梁抗傾覆設計。

7 結語

侯禹高速北王堡分離式立交橋成功的通過PLC 同步頂升技術實現(xiàn)了橋梁頂升，解決了橋梁凈空不足帶來的一系列困擾和隱患。本文通過對PLC 整體同步頂升設備的介紹、頂升方案的設計、頂升施工工藝、頂升監(jiān)測等方面的內(nèi)容較系統(tǒng)的闡述了橋梁頂升的全過程，對進一步規(guī)范橋梁頂升施工，解決同類型難題提供了參考。