減少橋梁整體頂升高程誤差的方法

趙罡頡，汪 洋＊

（中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇蘇州 215153）

引言

橋梁頂升技術(shù)在橋梁改造過(guò)程中廣泛應(yīng)用，但本次橋梁改造工程數(shù)國(guó)內(nèi)首例最大跨徑鋼管砼系拱橋，社會(huì)關(guān)注度較高，且本次工程采取半幅通車(chē)半幅施工的作業(yè)方式，也為工程增加了難點(diǎn)。在橋梁頂升過(guò)程中主要靠PLC 同步頂升控制裝置操控液壓千斤頂進(jìn)行作業(yè)，不可控因素較多，作業(yè)難度增加。所以通過(guò)對(duì)不同頂升施工工藝作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與分析，來(lái)控制減少誤差產(chǎn)生的幾率，從而控制整體施工質(zhì)量[1]。也為后續(xù)類(lèi)似頂升改造工程提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

南河特大橋位于寧杭高速公路溧陽(yáng)境內(nèi)與蕪申線運(yùn)河交叉處，于2003 年建成通車(chē)，該橋至今使用狀況良好。橋位改造段高速公路處于在8 500 m 半徑的圓曲線上，高速公路設(shè)計(jì)速度為120 km/h，雙向6 車(chē)道。北引橋主橋縱坡為1.57%的上坡、南引橋?yàn)?.57%下坡，橋梁處豎曲線半徑為20 000 m，路橋分界填土高度約6.5 m。橋梁步跨為：10×25 m 組合箱梁+130 m 鋼管混凝土系桿拱+4×25 m 組合箱梁+（2×20+18+14）m 現(xiàn)澆箱梁，總長(zhǎng)659.44 m，橫向雙幅布置、路拱橫坡為2%，橋面全寬=15.75 m（單幅寬度）+4.5 m（中分帶）+15.75 m（單幅寬度）=36 m，單幅橋橫向布置為：0.5 m（護(hù)欄）+15.25 m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+1 m（護(hù)欄）=16.75 m。橋位處水面寬50 m，橋梁通航孔凈寬滿足50 m，凈高5 m，通航凈空不滿足Ⅲ級(jí)航道要求。因航道的升級(jí)改造整治需對(duì)該橋梁進(jìn)行整體頂升改造。

2 千斤頂安裝

引橋頂升施工過(guò)程中利用抱柱梁托換形式，提供千斤頂作業(yè)平臺(tái)，改造橋梁自帶2%的橫坡，直接安裝千斤頂會(huì)造成頂升過(guò)程中受力不均的情況，會(huì)導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生縱、橫向位移，破壞橋梁擾度，誘發(fā)安全事故等，控制千斤頂安裝過(guò)程中千斤頂?shù)乃礁叨燃按怪笔芰Τ潭?，可以降低施工過(guò)程中高程誤差的產(chǎn)生，從而減少橋梁的縱、橫向位移，減少對(duì)橋梁應(yīng)力的破壞，避免原有橋梁在施工中受損，從而影響使用質(zhì)量。

本工程采用的帶有自鎖裝置的螺旋千斤頂，作業(yè)時(shí)通過(guò)螺旋上升方式進(jìn)行工作，為了避免千斤頂自身作業(yè)方式帶來(lái)的誤差，在本次施工中全部采用帶有碗狀傳力頂托裝置的新型千斤頂且采用倒置安裝的方式。圖1 為橋墩千斤頂安裝圖。

圖1 橋墩千斤頂安裝

橋墩引橋頂升施工采用上、下抱柱梁托換形式，提供千斤頂反力基礎(chǔ)作業(yè)平臺(tái)，上、下抱柱梁為確保千斤頂軸線垂直、受力均勻，施工時(shí)要保證上、下抱柱梁水平放置，由于上、下抱柱梁采用鋼混結(jié)構(gòu)，施工時(shí)收到混凝土收縮影響，造成抱柱梁成品受力面出現(xiàn)不完全水平現(xiàn)象，安裝千斤頂時(shí)會(huì)造成千斤頂?shù)鬃惭b不實(shí)從而導(dǎo)致頂升過(guò)程中受力不均。

針對(duì)施工過(guò)程中抱柱梁受力面不水平時(shí)，在安裝千斤頂時(shí)采用倒置安裝方式，在千斤頂安裝與上抱柱梁時(shí)，先用膨脹螺絲在抱柱梁底面安裝一塊調(diào)平鋼板，在通過(guò)螺絲將千斤頂安裝于調(diào)平鋼板底面，保證千斤頂?shù)鬃?。千斤頂通過(guò)鋼支撐作用在下抱柱梁上，由于千斤頂直徑相對(duì)于鋼支撐直徑較小，為了使頂升力均勻傳遞，特采用新型碗狀傳力頂托裝置，千斤頂碗狀頂托裝置與千斤頂垂直面可自由活動(dòng)，頂升過(guò)程中在限度范圍內(nèi)可以自由旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，充分保證千斤頂?shù)拇怪笔芰Γ瑴p少頂升過(guò)程中因受力不均產(chǎn)生的高程誤差。

3 橋梁整體頂升施工工藝

橋梁整體頂升主要是PLC 同步頂升控制系統(tǒng)操控液壓千斤頂在反力基礎(chǔ)作業(yè)平臺(tái)上，通過(guò)千斤頂?shù)墓ぷ餍谐淌箻蛄寒a(chǎn)生可控的位移變化。當(dāng)橋梁基礎(chǔ)設(shè)置承臺(tái)時(shí)，一般以承臺(tái)作為頂升反力基礎(chǔ)，當(dāng)未設(shè)置承臺(tái)時(shí)一般依附于橋墩澆筑鋼筋混凝土抱柱梁作為頂升反力基礎(chǔ)；當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)置有蓋梁時(shí)，可利用蓋梁作為頂升作業(yè)受力點(diǎn)，當(dāng)蓋梁寬度范圍內(nèi)不足以安裝千斤頂時(shí)，可澆筑鋼筋混凝土上抱柱梁作為頂升作業(yè)受力點(diǎn)。利用各種長(zhǎng)度的鋼立柱作為頂升支撐，頂升完成后進(jìn)行橋墩接高和連接[2-3]。

3.1 引橋整體頂升施工工藝

南河特大橋由于主、引橋結(jié)構(gòu)形式不同，綜合考慮施工安全、經(jīng)濟(jì)及工期條件等因素，根據(jù)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)形式不同，因此制宜，分別采取以下幾種頂升布置方法。

3.1.1 A～D 類(lèi)橋墩頂升

A～D 類(lèi)橋墩采用上下抱柱梁托換體系，利用斷柱頂升法進(jìn)行頂升，傳力體系為：原橋基礎(chǔ)→下抱柱梁→上抱柱梁→頂升結(jié)構(gòu)。在上下抱柱梁之間安裝液壓千斤頂和隨動(dòng)千斤頂，在上下抱柱梁之間切斷橋墩進(jìn)行頂升，見(jiàn)圖2。

3.1.2 E 類(lèi)橋墩頂升

E 類(lèi)橋墩頂升采用下抱柱梁作為頂升反力基礎(chǔ)，以梁底對(duì)應(yīng)的橫隔梁實(shí)心部位作為頂升受力點(diǎn)，傳力體系為：原橋基礎(chǔ)→下抱柱梁→梁底。

3.1.3 F 類(lèi)橋墩頂升

F 類(lèi)橋墩頂升采用直接頂升法進(jìn)行頂升，在梁底與承臺(tái)之間安裝千斤頂和鋼管支撐結(jié)構(gòu)，傳力體系為：原橋基礎(chǔ)→承臺(tái)→梁底。頂升前需解除支座與梁底的連接。

3.1.4 橋臺(tái)和過(guò)渡墩引橋側(cè)頂升

（1） 橋臺(tái)和過(guò)渡墩引橋側(cè)處采用直接頂升法進(jìn)行頂升，采用條形基礎(chǔ)- 分配梁的托換體系，以新作混凝土基礎(chǔ)作為反力平臺(tái)，在梁底安裝鋼分配梁作為頂升受力點(diǎn)，不改變上部橋梁體系，通過(guò)分配梁方式實(shí)現(xiàn)橋梁的抬高，頂升完成后改造橋臺(tái)，同時(shí)增設(shè)一排樁基。

橋臺(tái)處反力平臺(tái)為在肋板兩側(cè)澆筑鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基地土夯實(shí)，上澆筑50 cm 厚碎石混凝土，再在其上澆筑50 cm 厚120 cm 寬的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。過(guò)渡墩引橋側(cè)頂升平臺(tái)為在原橋臺(tái)側(cè)面植筋澆筑鋼筋混凝土平臺(tái)作為頂升基礎(chǔ)，在梁底鋼分配梁與新做頂升平臺(tái)之間安裝千斤頂與鋼管支撐進(jìn)行頂升。

3.2 主橋整體頂升施工工藝

主橋?yàn)?30 m 跨度下承式系桿拱結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)查，端橫梁底與蓋梁頂之間凈空為33 cm。為了盡量減少頂升力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，充分利用原蓋梁結(jié)構(gòu)承載力，在支座周?chē)贾靡簤呵Ы镯斶M(jìn)行頂升[4]。由于主墩千斤頂安裝位置凈空的限制，分兩階段進(jìn)行主橋頂升。

3.2.1 主橋第一階段頂升

由于280 t 千斤頂高度28 cm 加上找平砂漿層和鋼墊板總厚度約為41 cm，所以首先適當(dāng)剔除過(guò)渡墩蓋梁頂面及拱腳底面的保護(hù)層混凝土，使拱肋底至蓋梁頂凈空達(dá)到44 cm 左右。以便安裝鋼墊板及280 t 液壓千斤頂進(jìn)行第一階段頂升。

第一階段頂升完成，當(dāng)拱腳底至蓋梁頂凈空達(dá)到65 cm 以后，擰緊保壓環(huán)鎖定液壓千斤頂。這一階段頂升過(guò)程無(wú)隨動(dòng)頂保護(hù)，采用抄墊的方法保證安全，即在頂升過(guò)程中逐步向支座頂與梁底出現(xiàn)的縫隙內(nèi)插入鋼板，單幅主跨系桿拱橋四只支座頂上插入鋼板一樣多，使各支座上累計(jì)厚度保持一致，防止液壓失效時(shí)梁體出現(xiàn)突然下落。

3.2.2 主橋第二階段頂升

當(dāng)頂升至梁底凈空達(dá)到65 cm 時(shí)，用保壓環(huán)鎖死液壓千斤頂，形成液壓千斤頂保壓支撐，然后拆出原支座。將原支座位置蓋梁頂以灌漿料找平，安裝500 t隨動(dòng)千斤頂，將上部荷載全部轉(zhuǎn)移至隨動(dòng)千斤頂形成由隨動(dòng)頂支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)。然后將280 t 液壓千斤頂更換為500 t 液壓千斤頂，繼續(xù)進(jìn)行第二階段頂升。

這一階段的主橋頂升由隨動(dòng)千斤頂跟隨保護(hù)，鋼管支撐墊塊和鋼箱混凝土支撐墊塊逐級(jí)加高，直至逐級(jí)頂升到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4 頂升過(guò)程中的箱梁縱橫向位移監(jiān)測(cè)

在實(shí)施頂升過(guò)程中，隨著上部結(jié)構(gòu)的提升，箱梁會(huì)產(chǎn)生橫向的位移偏差，為有效的控制橫向位移，必須采用橫向位移監(jiān)測(cè)。采用全站儀在頂升全階段進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，利用坐標(biāo)法計(jì)算箱梁的縱橫向位移。

坐標(biāo)測(cè)量：可測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，H）。

測(cè)量原理：

若輸入：方位角αSB，測(cè)站坐標(biāo)（Xs，Ys）；測(cè)得：水平角β 和平距Dst。則有：

方位角αSt=αsb+β，坐標(biāo)Xt=Xs+Dst·cosαst，Yt=Ys+Dst·sinαst

若輸入：測(cè)站S 高程Hs，測(cè)得儀器高i，棱鏡高v，平距Dst，豎直角θst，則有：高程Ht=Hs+i+Dst·tanθst-v

由于箱梁在頂升過(guò)程中，處于運(yùn)動(dòng)的自由狀態(tài)，水平方向的約束僅受頂升處的摩阻力。在橫向風(fēng)作用下是否會(huì)發(fā)生側(cè)移或側(cè)傾，需要對(duì)風(fēng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用在橋面上布置智能風(fēng)壓測(cè)試儀，對(duì)頂升作業(yè)全過(guò)程進(jìn)行風(fēng)壓測(cè)試。風(fēng)壓計(jì)算公式，換算成橋梁橫向風(fēng)力值，有效地知道頂升施工作業(yè)。

水平力：H=k0k1k3WkAw

其中：k0為設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，對(duì)于大跨橋梁取1.0；k1為風(fēng)載阻力系數(shù)，取1.3；k3為地形，地理?xiàng)l件系數(shù)，取1.0；Wk為風(fēng)壓值，參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值（KN/m2）；Aw為橋梁橫向迎風(fēng)面積（m2）。

鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)見(jiàn)表1。

表1 頂升臨時(shí)鋼管支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

5 主橋頂升施工過(guò)程中易產(chǎn)生誤差的因素及處理方法

主橋頂升作業(yè)方式不同于引橋頂升施工，主橋頂升施工利用原橋臺(tái)與系桿拱的拱腳作為反力基礎(chǔ)，進(jìn)行的頂升作業(yè)方式，且主橋頂升施工需要進(jìn)行一次千斤頂跟換工作，控制好千斤頂?shù)陌惭b與通過(guò)使用鋼箱墊塊加高工作空間的過(guò)程，可以有效的控制頂升施工質(zhì)量，減少高程誤差以及安全隱患[5]。

6 結(jié)論

在航道水運(yùn)改造工程中，現(xiàn)有橋梁成為制約工程發(fā)展的瓶頸，因此在航道整治工程中對(duì)現(xiàn)有橋梁的改造有著至關(guān)重要的意義，橋梁頂升施工在橋梁改造工程中有著時(shí)間短、成本低、污染少的優(yōu)勢(shì)。而橋梁頂升施工，是一個(gè)動(dòng)態(tài)作業(yè)過(guò)程，施工狀態(tài)下，只由同步控制系統(tǒng)下的千斤頂單一提供支撐，隨著梁體抬升高度的增加，在橋梁高程誤差因素的影響下縱橫向偏差也會(huì)發(fā)生較大變化?？刂坪酶叱陶`差產(chǎn)生的因素，在源頭上消減誤差，可以更好地把控整體頂升施工質(zhì)量，提高工作效率。