同步頂升技術(shù)在橋梁抬高改造施工中的發(fā)展和應(yīng)用

摘要 針對跨越道路或航道的既有橋梁增大其橋下通行、通航高度，及城市橋梁現(xiàn)有引橋如何調(diào)坡延長增設(shè)其下穿通道的問題，文章從同步頂升原理、橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)等方面分析，論述了頂升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、限位系統(tǒng)等特點和適用范圍，并結(jié)合不同橋梁邊界條件、結(jié)構(gòu)體系分析了結(jié)構(gòu)截斷位置，旨在使橋梁頂升改造符合綠色、低碳發(fā)展思想，以較低費用成本和較少交通影響時間，且盡可能地保證橋梁結(jié)構(gòu)體系完整、安全、穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)建設(shè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 橋梁工程；改造施工；同步頂升

中圖分類號 U445.7 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0075-03

0 引言

隨著液壓傳動技術(shù)、智能傳感技術(shù)的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)有限元理論的趨于成熟，工民建行業(yè)整體頂升技術(shù)有了較大的發(fā)展，也拓展了橋梁頂升改造思路，其特點是盡量保證既有橋梁結(jié)構(gòu)和形態(tài)，以更少的時間、費用成本實現(xiàn)橋梁的頂升改造。整體頂升技術(shù)是使橋跨結(jié)構(gòu)抬高以滿足橋下凈空作為必要的技術(shù)手段。在對橋梁進行頂升的時候，可以一跨兩端頂升，也可以整聯(lián)各點同步頂升，最終在頂升作用下使橋梁構(gòu)件被抬升至目標(biāo)高程[1]。

1 橋梁頂升的定義和原理

所謂橋梁，主要是通過其跨越不宜平交的介質(zhì)而連接首尾兩端目標(biāo)的、并能保證其跨越段相關(guān)介質(zhì)可正常存在或運行的構(gòu)筑物。同步頂升是針對橋跨等帶狀結(jié)構(gòu)，多節(jié)（段）點頂升時，在每節(jié)段端橫向頂點間相對位移差為零（避免扭轉(zhuǎn)或傾覆）的前提下，縱向多節(jié)段端節(jié)點間滿足同速度（整體抬升）或同角速度（縱向調(diào)坡抬升）頂升的一種工藝方法。所謂橋梁頂升（抬高/提升），是指在限制應(yīng)力重分布擴大影響的情況下，借助同步頂升系統(tǒng)，通過改造支座系統(tǒng)或蓋梁臺帽結(jié)構(gòu)，甚至斷柱接高等工法，動態(tài)改變橋面高程的一種工程方法[2]。同步頂升系統(tǒng)主要由液壓傳動系統(tǒng)、智能傳感系統(tǒng)、IPC-PLC（Industrial Process Control amp; Programmable Logic Control）同步伺服系統(tǒng)等組成，將其與結(jié)構(gòu)有限元分析軟件和橋梁加固改造施工技術(shù)整合后形成橋梁同步頂升改造成套技術(shù)[3]。橋梁頂升的工作原理是一個泵站的流量通過分流器輸出，分別提供給每個執(zhí)行油缸，位移控制系統(tǒng)根據(jù)每個不同測點的回饋的信號，控制每個油缸的帶載頂升的速度，以實現(xiàn)整聯(lián)橋跨結(jié)構(gòu)的同步提升動作[4]，如圖1所示。

2 橋梁同步頂升技術(shù)的應(yīng)用

2.1 流量控制型液壓同步控制方式

通過使用分配閥，將電動泵的流量分流至多臺千斤頂。頂升過程中，發(fā)現(xiàn)某一臺千斤頂速度較其他千斤頂快，則將鏈接該頂?shù)姆峙溟y調(diào)速，減少對該頂?shù)牧髁抗?yīng)，從而使該頂速度變慢，達到和其他頂同步的目的。操作過程中，需要不停觀察各臺千斤頂?shù)捻斏闆r，通過觀察結(jié)果，不斷控制分配閥的流量，一般使用該方法用于對精度要求不高的重物頂升。

2.2 容積控制型液壓同步控制方式

在相同單位時間內(nèi)給每個控制點提供相同體積的液壓油來實現(xiàn)同步。容積同步采用開環(huán)控制實現(xiàn)，其同步僅基于液壓系統(tǒng)的同步，不能動態(tài)反饋頂升點間的位移差量，差量累積不易消除，多適用于小型千斤頂、超薄型千斤頂?shù)鹊牡透叨软斏?/p>

2.3 伺服（比例）控制型同步控制方式

對每臺千斤頂配合位移－壓力傳感器，由傳感器實時收集相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到主控程序，由主控程序通過位移、壓力數(shù)據(jù)，計算出給每臺千斤頂?shù)膶崟r供油量。通過動態(tài)校驗平衡，對千斤頂精確供油，從而使各臺千斤頂?shù)捻斏俣认嗟然虻缺?。由于IPC-PLC控制，避免了人為操控的不確定因素，同步誤差一般在0.5 mm以內(nèi)，可使用在橋梁頂升等對同步精度要求高的場合。IPC-PLC控制系統(tǒng)能夠根據(jù)位移、壓力傳感器的反饋來控制各種大型、重型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的起降定位，適用于任何重量分布的構(gòu)件，可減少因各頂升點之間重量分布不均或負載變化導(dǎo)致的彎曲、扭曲或傾斜，保證橋梁同步整體穩(wěn)定頂升，在同步與穩(wěn)定方面起著非常關(guān)鍵的作用，還可以提高頂升操作的生產(chǎn)率和安全性，見圖2。

3 橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 多點同步頂升應(yīng)力－位移雙控的側(cè)重點確定

針對多點頂升的超靜定結(jié)構(gòu)，可采用位移同步適應(yīng)弱剛度結(jié)構(gòu)，采用應(yīng)力均衡技術(shù)來適應(yīng)強剛度結(jié)構(gòu)。所謂弱剛度與強剛度，是指構(gòu)件變形相對油缸位移控制精度而言，若相鄰兩點存在0.5 mm行程差，但應(yīng)力負荷變化≤5%，則可視為弱剛度結(jié)構(gòu)，若負荷變化20%以上，則應(yīng)視作強剛度結(jié)構(gòu)。針對弱剛度待頂結(jié)構(gòu)，多點同步液壓系統(tǒng)應(yīng)選位移閉環(huán)；否則，要選用應(yīng)力閉環(huán)系統(tǒng)作應(yīng)力均衡，然后再組成位移閉環(huán)。特殊階段和情況下，諸如試頂、承重時，宜采取應(yīng)力閉環(huán)頂升方式，但是應(yīng)力閉環(huán)無法控制施工對象的姿態(tài)，所以在應(yīng)力閉環(huán)工作狀態(tài)下，還要輔以位移閉環(huán)。PLC多點同步頂升系統(tǒng)具有多點位移同步和應(yīng)力均衡同步兩種模態(tài)。選擇位移同步狀態(tài)時，另可外設(shè)位移傳感器校驗千斤頂步進行程；選擇應(yīng)力閉環(huán)工作狀態(tài)時，需千斤頂自帶壓力傳感器作應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測反饋。

3.2 整體同步頂升適用橋型分析

整體同步頂升技術(shù)適用于提升凈空或調(diào)坡改造，而對橋下拓寬改造無濟于事，主要針對公路、市政領(lǐng)域的平原微丘區(qū)的梁式橋等，另有少量的系桿拱橋、剛構(gòu)橋或組合體系橋也可納入整體同步頂升改造。施工可行性分析如下：

3.2.1 頂升反力系統(tǒng)

頂升反力系統(tǒng)的優(yōu)選原則：優(yōu)先采用既有橋梁蓋梁（臺帽），當(dāng)其作業(yè)空間受限時，可用混凝土抱柱圈梁結(jié)構(gòu)，若工期壓力大，可選用裝配式剛性托架；當(dāng)頂升負荷較小時，可安裝并使用鋼抱箍支撐或鋼制牛腿。反力平臺系統(tǒng)特點如表1所示。

3.2.2 限位支撐系統(tǒng)

頂升后的橋跨結(jié)構(gòu)在水平方向僅受到臨時支撐點的摩阻力約束，為避免橋跨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平方向位移，應(yīng)在聯(lián)端或其他翼腹板適當(dāng)位置設(shè)立縱橫向限位裝置。限位裝置應(yīng)有一定的制動導(dǎo)向約束作用。限位支撐系統(tǒng)特點如表2所示。

3.2.3 臨時支撐系統(tǒng)

橋梁同步頂升過程中，千斤頂、輔助支墊及其頂托的橋跨結(jié)構(gòu)需有可靠且穩(wěn)定的支撐及充足的調(diào)配空間，既有墩柱或蓋梁等多不適用于直接作為支撐平臺，故需在墩柱周側(cè)另設(shè)臨時支撐系統(tǒng)。臨時支撐系統(tǒng)特點及適用范圍如表3所示。

3.2.4 墩柱接高技術(shù)

墩柱接高措施，接高段水泥基材料宜高于原橋墩墩柱混凝土強度5～10 MPa，并宜采用無收縮微膨脹材料，必要時可適當(dāng)增大橋墩接高段水平斷面面積。接高段外側(cè)周宜設(shè)鋼圍箍，澆筑期可作為施工模板使用。

簡支梁橋、PC連續(xù)梁橋、系桿拱橋等依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可較好地實現(xiàn)該類橋型的整體同步頂升改造。涉及上部結(jié)構(gòu)重度大、多跨帶坡曲線梁等橋梁，目前施工技術(shù)尚存在一定的風(fēng)險和難度。

3.3 結(jié)構(gòu)體系可行性分析

通過對既有成橋與頂升施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力比對分析，若兩者相差較大，則不能進行頂升改造，若相差較小，可采用整體同步頂升改造施工。

3.3.1 邊界條件分析

頂升橋墩和頂升橋跨特點見表4所示。

3.3.2 結(jié)構(gòu)體系分析

不同結(jié)構(gòu)體系頂升特點如表5所示。

3.4 結(jié)構(gòu)截斷位置分析

結(jié)構(gòu)受力特性及相應(yīng)截斷區(qū)段如表6所示。

4 結(jié)語

橋梁頂升改造符合綠色、低碳發(fā)展思想，節(jié)省了公共資源和企業(yè)成本。本文從同步頂升原理、橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)等方面分析，論述了頂升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、限位系統(tǒng)等特點和適用范圍；并結(jié)合不同橋梁邊界條件、結(jié)構(gòu)體系分析了結(jié)構(gòu)截斷位置。希望對同步整體頂升技術(shù)發(fā)展起到一定的補充和完善。

參考文獻

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[4]肖宏宇， 劉薇. 橋梁整體同步頂升及監(jiān)測技術(shù)[J]. 公路與汽運， 2021（5）： 121-124+132.