大跨徑系桿拱橋整體頂升改造施工技術(shù)研究及應用

蔣巖峰

（上海先為土木工程有限公司，上海市 200331）

0 引 言

隨著我國內(nèi)河航道水上運輸?shù)陌l(fā)展，部分水運內(nèi)河航道急需升級改造，以適應日益發(fā)展的內(nèi)河航道水運業(yè)的需要。部分內(nèi)河航道上的市政既有橋梁和高速道路橋梁存在橋下凈空不足的情況，成為此類內(nèi)河航道升級改造的重要制約條件。此類橋梁以前主要采取拆除重建的方法，該方法對社會交通影響較大，危險性較高，需要中斷一定時間的水上運輸，且拆除的固體廢棄物容易造成內(nèi)河水體污染和資源浪費。拆除重建不符合我國綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的要求，因此研究一種全新的內(nèi)河航道橋梁升級改造方式就成為必然需求。橋梁整體頂升技術(shù)能夠滿足內(nèi)河航道升級改造需要，增加內(nèi)河航道橋下通航凈空，提升內(nèi)河航道水運等級[1-4]。

1 工程概況

寧杭高速南河特大橋[5]于2003年正式通車，建成時間較短，使用狀況良好。南河特大橋改造前通航凈寬為60 m，凈高為5 m，根據(jù)蕪申運河航道整治規(guī)劃的要求，其凈高不滿足三級航道通航要求，凈高需要調(diào)整為7 m，因此對南河特大橋進行整體頂升。

本文以寧杭高速南河特大橋整體頂升工程為研究對象。大橋主橋、引橋整體同步頂升2.16 m，最大頂升跨徑130 m；對兩側(cè)引橋相應延長，北引橋增加4孔跨徑為25 m的組合箱梁，南引橋增加6孔跨徑為25 m的組合箱梁；橋臺改造為橋墩。重點研究大跨徑系桿拱橋整體頂升施工技術(shù)和施工工藝，提出符合大跨徑系桿拱橋施工的橋梁整體頂升技術(shù)和施工質(zhì)量保證措施。

2 橋梁整體同步頂升施工技術(shù)

2.1 橋梁整體同步頂升工作原理

橋梁頂升在采用傳統(tǒng)的頂升技術(shù)時，由于荷載的差異和設備的局限，會出現(xiàn)油缸不同步現(xiàn)象，對頂升構(gòu)件造成附加應力，從而對頂升構(gòu)件造成破壞，產(chǎn)生較大的安全隱患。

PLC液壓控制同步頂升技術(shù)建立在力和位移雙閉環(huán)的控制基礎(chǔ)上，是一種力和位移綜合控制的頂升技術(shù)。系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和檢測傳感器組成。液壓系統(tǒng)由油泵、液壓千斤頂、平衡保護閥、比例閥、進出油管等組成；計算機控制系統(tǒng)由計算機主機、同步控制軟件、操作臺、電控箱等組成；檢測傳感器由位移傳感器和力傳感器組成。

液壓千斤頂根據(jù)橋梁的實際荷重，精確平穩(wěn)地頂舉橋梁，使橋梁在頂升過程中受到的附加應力下降至最低。液壓千斤頂按照分布位置分組，與對應的位移傳感器形成位置閉環(huán)，從而控制橋梁在頂升過程中的位移和姿態(tài)。通過PLC系統(tǒng)控制，可將橋梁整體頂升誤差控制在±3 mm以內(nèi)，對老橋允許設計±10 mm誤差來說，抬升過程中始終保持在設計偏差以內(nèi)，完全可以保證其結(jié)構(gòu)不被影響[6]。

2.2 橋梁頂升支撐受力點布置方法

通過PLC液壓控制系統(tǒng)控制若干臺千斤頂進行橋梁整體頂升時，上下部支撐受力點有多種布置方法，主要有三種基本方法。

（1）下部承臺（蓋梁）+上部梁體法

該方法將千斤頂布置于梁體底面，千斤頂下部頂撐在承臺之上，頂升前解除梁體上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的約束，液壓千斤頂出缸頂起梁體。受力傳遞順序為：梁體→千斤頂→頂下支撐→承臺（蓋梁）→基礎(chǔ)。圖1為下部承臺（蓋梁）+上部梁體法示意圖。

圖1 下部承臺（蓋梁）+上部梁體法示意圖

（2）下部抱柱梁+上部抱柱梁法

該方法在立柱的周邊澆筑兩個抱柱梁，根據(jù)千斤頂?shù)拈L度和初始增加的墊塊高度共同確定上下抱柱梁的豎向間距。頂升前將千斤頂安裝在上抱柱梁的底面，支撐于下抱柱梁頂面，然后將千斤頂打壓至額定頂升力的50%。在千斤頂?shù)闹蜗?，使用繩鋸或其他工具將上下抱柱梁之間的立柱切斷，受力由立柱轉(zhuǎn)移到千斤頂上。頂升時，液壓千斤頂出缸頂升上抱柱梁，使其以上部位的結(jié)構(gòu)上升。受力傳遞順序為：抱柱梁及以上結(jié)構(gòu)→千斤頂→下抱柱梁→承臺（系梁）→基礎(chǔ)。該方法中的反力由現(xiàn)澆抱柱梁與立柱之間利用摩擦力提供。圖2為下部抱柱梁+上部抱柱梁法示意圖。

圖2 下部抱柱梁+上部抱柱梁法示意圖

（3）抬梁+承臺法

該方法在橋梁墩柱位置按一定距離間隔分布貫穿洞，在貫穿洞內(nèi)穿入大于墩柱橫斷面長度的預制抬梁，千斤頂布置于抬梁底面支撐于承臺上，頂升前使用繩鋸或其他工具將抬梁與承臺之間的墩柱切斷，千斤頂支撐上部梁體并將其頂升。受力傳遞順序為：抬梁及以上結(jié)構(gòu)→千斤頂→承臺→基礎(chǔ)。該方法中的關(guān)鍵技術(shù)是必須保證抬梁與貫穿洞墩柱之間的灌漿密實。圖3為抬梁+承臺法示意圖。

圖3 抬梁+承臺法示意圖

2.3 橋梁同步頂升保護技術(shù)比選

橋梁整體同步頂升是一個動態(tài)的過程，在橋梁整體頂升過程中，一般情況下很難做到整體頂升幅度或比例完全一致，不可避免存在誤差，在方案設計時必須考慮各種不利情況，做到有針對性地預防和消除隱患[7-8]。在橋梁頂升時若各點位移不一致或未按設定比例位移，易造成梁體偏扭，使梁內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力，導致梁體開裂，嚴重時會造成梁體失穩(wěn)坍塌。

目前，大型橋梁多點同步頂升系統(tǒng)大多采用PLC同步頂升液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動超高壓液壓千斤頂頂升，利用分布式位移閉環(huán)控制，將橋梁進行同步抬升（頂升）和降落。由于橋梁頂升存在系統(tǒng)斷電、液壓油管損壞、液壓頂內(nèi)泄、液壓密封損壞、計算機控制或電子元件出現(xiàn)故障等意外，從而會對建筑物的頂（抬）升過程造成安全風險。

為解決頂（抬）升中這一安全風險，對橋梁整體同步頂升過程均采取保護措施。目前主要有機械跟隨千斤頂和A、B液壓交替頂2種保護方式。

（1）機械跟隨千斤頂

機械跟隨千斤頂主要是在液壓油缸同步頂升橋梁的同時，成對安裝液壓千斤頂和機械螺桿，自動跟隨支撐機構(gòu)，由液壓馬達驅(qū)動機械螺桿，自動跟隨，始終托住橋梁，可以確保橋梁頂升時的安全。采用的機械跟隨保護技術(shù)將傳統(tǒng)的跟隨支撐保護功能改進為主動施力（既在缸體內(nèi)部增加液壓系統(tǒng)及改變齒輪構(gòu)造，最大可主動加載100 t力，滿足消除鋼支撐的彈性變形量和連接間隙）和靜壓支撐功能，既保證原有的跟隨支撐保護功能，又有效解決了液壓頂升千斤頂頂升完畢后向機械跟隨千斤頂上進行載荷轉(zhuǎn)移存在支撐間隙，導致梁體受力不均和頂升梁體產(chǎn)生橫向側(cè)移的難題。

機械跟隨千斤頂具有實時進行無間隙旋轉(zhuǎn)位移跟進，保證臨時支撐位置處的機械跟隨頂與支撐間的密貼，確保頂升構(gòu)件不致發(fā)生塌落的致命風險的優(yōu)點。

（2）A、B液壓交替頂

采用2套工作原理相同的液壓千斤頂進行同步頂升，并將這些液壓千斤頂分為A、B兩組輪流交替進行頂升。理論上認為，液壓交替頂升速度相對較快，但在實際施工中交替頂升速度并不明顯快。

在荷載轉(zhuǎn)換更換墊塊時，A組已經(jīng)頂升10 cm，而B組千斤頂下方完全脫空處于人工更換墊塊狀態(tài)，此時實際上只有一路液壓受力，而且更換墊塊時間較長，存在一定的風險。如果發(fā)生停電、液壓頂內(nèi)泄、液壓密封損壞、計算機控制或電子元件出現(xiàn)故障等意外，就會發(fā)生嚴重的事故，沒有實現(xiàn)實際意義的交替保護。

通過對上述兩種保護方式進行分析比較，雖然兩種方式均可用于橋梁同步頂升，但采用機械跟隨千斤頂進行橋梁同步頂升保護具有明顯的優(yōu)點，可以大大降低安全風險。因此，橋梁同步頂升保護技術(shù)應優(yōu)先采用機械跟隨千斤頂進行橋梁同步頂升保護。

3 工程應用

根據(jù)橋梁頂升支點不同布置方法的特點，結(jié)合南河特大橋主橋整體同步頂升施工的實際情況，主橋頂升采用下部承臺（蓋梁）+上部梁體的頂升方式[9]。鑒于機械跟隨千斤頂在橋梁同步頂升保護中具有的顯著優(yōu)點，南河特大橋橋梁整體同步頂升采用機械跟隨千斤頂保護。

3.1 主橋頂升千斤頂布置

結(jié)合南河特大橋主橋的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場工況（見圖4），按照橋梁整體同步頂升工作原理要求，橋梁整體頂升用千斤頂均布置于系桿拱橋的拱腳支座前后排位置[10]，每個拱腳支座前后排周邊成對布置8臺5 000 kN液壓千斤頂和8臺5 000 kN隨動機械千斤頂，單幅共布置32臺液壓千斤頂和32臺隨動機械千斤頂，頂升力最大值為160 000 kN，單幅拱橋重量為70 000 kN，頂升安全儲備系數(shù)為2.28。拱腳位置上梁底至蓋梁的高度僅為32 cm，而使用的液壓千斤頂與機械跟隨千斤頂高度分別為58 cm和46 cm，由于不能破壞梁體蓋梁，所以主橋整體頂升工程采取兩階段施工方法進行，分為兩個階段進行施工。

圖4 南河特大橋主橋立面示意圖

3.2 主橋整體頂升第一階段

3.2.1 千斤頂布置

第一階段共布置48臺2 800 kN的液壓千斤頂，每個拱腳支座前后排位置分別布置6臺液壓千斤頂，共布置12臺液壓千斤頂，如圖5所示。

圖5 2 800 kN千斤頂布置平面細部圖

由于2 800 kN液壓千斤頂高度加上找平砂漿層和鋼墊板總厚度約為32 cm，所以要適當去除蓋梁頂面及保護層混凝土，安裝好上部吊頂鋼板和下部找平鋼板后，使拱肋底至蓋梁頂凈空達到33 cm左右，以便安裝鋼箱工具墊板和2 800 kN液壓千斤頂，如圖6所示。

圖6 2 800 kN千斤頂安裝立面細部圖

鋼箱工具墊塊支撐配合頂升施工，當主橋頂升到30 cm后將支墩拆除，2 800 kN液壓千斤頂更換為5 000 kN液壓千斤頂和機械跟隨千斤頂。

3.2.2 施工關(guān)鍵工藝要點

頂升前，在梁底安裝一塊帶有絲孔的大型鋼板，鋼板與梁底通過植筋進行臨時固結(jié)，鋼板厚度為2 cm，預留1 cm的縫隙，調(diào)平鋼板后將鋼板與梁底之間的縫隙進行壓漿灌實，確保頂升時千斤頂?shù)闹c位置與梁體之間受力均勻。

在千斤頂兩側(cè)澆筑混凝土配筋支墩，支墩高度為蓋梁與吊頂鋼板之間的距離，使用高強灌漿料澆筑壓漿保證密實，支墩位置放樣準確，采用精加工鋼箱模板，鋼箱與上部鋼板及下部混凝土采用發(fā)泡膠密封。鋼箱事先預留好下部注漿孔與上部出漿孔，出漿孔直徑為3 mm，且出漿孔與梁底鋼板緊貼。注漿時下部注漿，待上部出漿時繼續(xù)注漿5 min，排出氣泡及浮漿后立即封住上部出漿孔，關(guān)閉下部注漿孔，使?jié)仓龅闹Ф张c鋼板密貼。

在第一階段2 800 kN千斤頂布置時，要將千斤頂放在梁底鋼板與蓋梁頂部的找平鋼板之間，預先在下部鋼板上放樣出位置，以確保千斤頂位置準確。由于上下部鋼板之間間距為33 cm，而千斤頂高度為28 cm，所以在千斤頂?shù)撞款A先放置厚度為4 cm的鋼板，頂升前千斤頂與梁底縫隙為1 cm，方便放入接高墊塊。

通過PLC液壓同步控制系統(tǒng)將全橋整體頂升5.5 cm，此時千斤頂出缸高度為6.5 cm，其中1 cm為補償千斤頂與梁底的間隙。一次頂升到位后在每個支墩位置增加一塊厚度為5 cm的鋼板，鋼板大小與支墩大小一致，不可以增加支墩位置鋼板的厚度，防止各支墩在支撐梁體時受力不均導致的拱腳位置梁體開裂。

完成上述工作后全橋整體落梁5 mm，將梁體受力支撐由千斤頂轉(zhuǎn)移至支墩，千斤頂完全收缸，隨后在千斤頂頂面增加一塊5 cm厚度的鋼板。循環(huán)以上工作頂升至30 cm后，梁體底面吊頂鋼板與下部找平鋼板之間高度為63 cm，符合安裝5 000 kN液壓千斤頂?shù)臈l件。液壓千斤頂安裝完成支撐梁體，拆除支墩再安裝隨動千斤頂后進行第二階段頂升工作。

3.3 主橋整體頂升第二階段

3.3.1 頂升施工關(guān)鍵技術(shù)

該階段主橋整體頂升高度為2.16 m，頂升時采用主動液壓千斤頂頂升和機械跟隨千斤頂保護的方法進行，每一行程標準頂升高度為10 cm。在頂升時由PLC液壓控制系統(tǒng)和動態(tài)傳感系統(tǒng)共同控制頂升速率與頂升高度，全橋各千斤頂支點位置的頂升速率與頂升高度完全一致，防止梁體扭曲變形發(fā)生破壞。

頂升時由液壓千斤頂提供主動力將梁體頂起，在頂起的過程中機械跟隨千斤頂實時向下旋出，且與頂部支撐墊塊保持密貼狀態(tài)，液壓千斤頂一旦發(fā)生油壓外泄或者失效，則機械跟隨千斤頂被動式承受壓力，將上部梁體荷載瞬時轉(zhuǎn)移至機械跟隨千斤頂上。

在主橋頂升前對橋梁進行全面測量，主要測量橋梁軸線及拱腳位置的高程，在頂升過程中主要控制橋梁頂升時的各點相對高程不發(fā)生變化，出現(xiàn)各支點位置頂升高度不一致且接近或達到限值時系統(tǒng)會提示報警，必須對其進行調(diào)整。頂升時，在機械跟隨千斤頂支撐上部梁體時，將下部增加的墊塊使用槽鋼或者角鋼上下連接焊牢。通過這種方法能夠消除鋼箱墊塊之間的縫隙，能夠有效解決橋梁在機械跟隨千斤頂支撐時各支點變化不一致的情況，保證主橋梁體不發(fā)生偏移。

3.3.2 限位結(jié)構(gòu)體系

由于在千斤頂安裝時會產(chǎn)生一定的垂直誤差，主橋橋梁頂升過程中可能會存在不利因素的影響，主橋整體頂升過程中存在可能出現(xiàn)水平位移的風險，為避免出現(xiàn)較大的水平位移，對主橋設置平面限位裝置，限制可能發(fā)生的縱橫向位移幅度[11]，保證橋梁頂升施工過程的安全。

限位結(jié)構(gòu)體系是對頂升過程中可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)非預期偏移進行限制，包括橫橋向限位與順橋向限位。頂升限位結(jié)構(gòu)與被限位結(jié)構(gòu)的間隙保證順直，寬度滿足被限位結(jié)構(gòu)的驗收要求；限位結(jié)構(gòu)的安裝和拆除不應產(chǎn)生影響原結(jié)構(gòu)受力安全性的損傷，對因安裝限位結(jié)構(gòu)而在原橋結(jié)構(gòu)上形成的孔洞應進行修補。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點以及頂升偏差可能引起的對限位的作用力，其作用更多表現(xiàn)為一種預警，而非真正限位。

南河特大橋主橋設置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)限位，限位裝置采用化學植筋固定于端橫梁側(cè)面和蓋梁上面，分別在端橫梁側(cè)面設置50 cm×50 cm×60 cm的鋼筋混凝土限位擋塊，在蓋梁頂部設置50 cm×50 cm×250 cm鋼筋混凝土限位柱，混凝土強度等級為C50，限位柱與限位擋塊之間預留10 mm間隙。主橋限位立面和平面示意分別見圖7和圖8。

圖7 主橋限位立面示意圖

圖8 主橋限位平面示意圖

3.4 主橋整體頂升后接高施工

南河特大橋主橋整體頂升長度比設計頂升長度超了5 mm，預留落梁后的壓縮空間，完成后保留機械跟隨千斤頂和液壓千斤頂，同時擰緊液壓千斤頂?shù)谋涵h(huán)，保證安全支撐上部梁體。

3.4.1 支座安裝施工

接高施工前，對老支座進行拆除并保留支座螺栓，將新支座通過老支座的預留螺栓與梁體吊裝于梁底，必須保證新支座與梁體密貼且處于水平狀態(tài)，新老支座的螺栓孔位、螺栓型號和方向要求必須一致，新支座安裝后不要將螺栓完全緊固。

新支座安裝完成后，在支座與蓋梁之間安裝φ125 mm、高度為20 cm的鋼箱墊塊，安裝鋼箱墊塊的數(shù)量根據(jù)支座與蓋梁之間的高度確定。第一塊鋼箱墊塊安裝時要對墊塊底部進行找平，找平層要與支座和鋼箱墊塊同軸線，找平高度一般不大于20 cm，找平層的平面大小為135 cm×135 cm。通過調(diào)整墊塊水平度，使用鋼箱支撐墊塊維持墊塊水平，隨后支模板澆筑墊塊與蓋梁之間的灌漿料，使鋼箱墊塊與找平層密貼。

3.4.2 鋼箱墊塊安裝制作

鋼箱墊塊通過簡單堆疊無法消除墊塊之間的拼接間隙，在橋梁落梁時產(chǎn)生較大的不均勻壓縮，因此通過對鋼箱墊塊表面精加工銑刨和預壓，以消除墊塊之間的拼接間隙。

首先，在進場前先將φ125 mm鋼箱墊塊進行精加工銑刨，使拼裝后的墊塊之間不產(chǎn)生縫隙或者縫隙在規(guī)定標準范圍內(nèi)；其次，墊塊在運輸和現(xiàn)場卸落及安裝時防止劇烈碰撞；再次，墊塊安裝整個過程要將支座與墊塊之間均勻放置4臺500 kN液壓千斤頂，對其進行整體預壓以壓緊底部鋼箱墊塊之間的拼裝縫隙，消除支座與梁底之間的縫隙，同時擰緊支座的固定螺栓。預壓完成后利用4根φ25 mm的鋼筋上下貫通，將墊塊之間全部焊牢，在底部墊塊焊接及支座擰緊后再安裝最后一塊墊塊，安裝完成后與支座之間保留1 cm的縫隙，通過灌漿進行填實。當相同試塊達到設計要求后將梁體垂直頂起1 cm，拆除機械跟隨千斤頂，將液壓千斤頂保壓環(huán)擰到底部，全橋整體落梁，直至受力完全從千斤頂轉(zhuǎn)移到鋼箱墊塊與支座上。

3.4.3 整體落梁施工監(jiān)測

在進行主橋整體落梁時，需要在總控臺上實時觀測各點落梁的均勻性，當發(fā)現(xiàn)單點壓縮相較于其他點大于3 mm時，則需要對該點進行單獨處理[12-15]，橋梁頂升落梁后各點實測值見表1。

表1 橋梁頂升落梁后各點實測值 單位：mm

4 結(jié)語

（1）南河特大橋整體頂升工程采用PLC液壓同步頂升控制技術(shù)，保證橋梁主橋整體頂升時的整體性和同步性，采用機械跟隨千斤頂進行同步頂升保護，解決了大跨徑系桿拱橋整體頂升工程一大技術(shù)難題。該工程是國內(nèi)首例大跨徑系桿拱橋主橋整體頂升工程。

（2）南河特大橋大跨徑系桿拱橋橋梁主橋頂升采用下部承臺（蓋梁）+上部梁體的頂升方式，結(jié)合南河特大橋主橋的結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場工況需要，通過兩階段頂升施工技術(shù)，保證了鋼箱墊塊、千斤頂、支座等支撐構(gòu)件的變化一致性，控制頂升以后各支點位置的相對高差，實現(xiàn)大跨徑系桿拱橋的主橋整體頂升安全。

（3）在主橋整體頂升后接高施工中，通過對鋼箱墊塊進行精加工銑刨和放置4臺500 kN液壓千斤頂進行整體預壓，以消除鋼箱墊塊之間的連接縫隙，從而保證橋梁頂升施工的安全。