城市高架橋梁體頂升關(guān)鍵技術(shù)研究

范鵬 閔弘揚(yáng) 李永泉

摘要 在役橋梁的改造升級(jí)在城市高架橋梁建設(shè)中意義重大，梁體頂升技術(shù)則在城市橋梁改造升級(jí)中起著關(guān)鍵性作用。文章基于某立交跨線橋頂升工程的實(shí)際工程案例，對(duì)城市高架橋梁體頂升技術(shù)所面臨的問題及解決措施進(jìn)行了探討研究，該案例最大頂升行程達(dá)6.631 m。研究表明，交替式頂升方式對(duì)分段式高架橋頂升效果更佳，對(duì)橋梁頂升進(jìn)行及時(shí)有效地監(jiān)控，不僅可以排除施工過程中的不安全因素，而且可以豐富設(shè)計(jì)理論，對(duì)完善施工技術(shù)及保證施工質(zhì)量提供可靠的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞 高架橋；梁體頂升；交替式；監(jiān)控

中圖分類號(hào) U445.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0051-04

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市交通流量的迅速增加，城市道路擁堵現(xiàn)象愈加明顯。而高架橋梁通過利用豎向空間，具有占地面積少、受地面交通干擾小的特點(diǎn)，大幅提高了道路通行能力，改善了城市交通擁堵狀況，因此許多城市正在大力建設(shè)高架橋梁。部分在役的橋梁為了適應(yīng)高架橋梁建設(shè)的需要，需進(jìn)行拆除重建或改造升級(jí)。如果在役橋梁在滿足結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，僅為了適應(yīng)新建高架橋梁線形的需要而拆除重建，勢(shì)必造成資源浪費(fèi)和工期延長。因此，對(duì)在役橋梁的改造升級(jí)意義重大，而梁體頂升技術(shù)在橋梁改造升級(jí)中起著關(guān)鍵性的作用。

1 目前面臨的問題

1.1 結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布

頂升過程中，高架橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變形和承載力的變化。由于梁體大范圍的頂升，結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布的變化可能導(dǎo)致橋梁的穩(wěn)定性和安全性受到影響[1]。因此，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制頂升過程中的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布，是高架橋梁體頂升時(shí)的關(guān)鍵問題。

1.2 裝置選擇和施工限制

頂升裝置的選擇和施工限制是橋梁頂升修復(fù)的關(guān)鍵因素之一[2]。不同的橋梁結(jié)構(gòu)和施工條件可能需要采用不同的頂升裝置，而現(xiàn)有的頂升裝置技術(shù)存在一定的局限性。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工條件和周圍環(huán)境的限制也會(huì)對(duì)頂升裝置的選擇和操作提出一定的要求。因此，如何選擇適當(dāng)?shù)捻斏b置，并克服施工限制，是一個(gè)需要解決的重要問題。

1.3 安全風(fēng)險(xiǎn)控制

頂升過程中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，包括設(shè)備失效、結(jié)構(gòu)破壞、人員傷亡等[3]。特別是大型、重要的城市高架橋梁，一旦發(fā)生事故，將對(duì)交通運(yùn)行和城市安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，如何評(píng)估和控制頂升過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，并采取有效的措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，是一個(gè)需要解決的緊迫問題。

2 城市高架橋梁體頂升關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布問題解決措施

（1）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。通過安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁在頂升過程中的變形和應(yīng)力變化，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)模型的建立，可以提前預(yù)測(cè)頂升過程中可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布情況，從而進(jìn)行合理的頂升設(shè)計(jì)和控制。

（2）結(jié)構(gòu)加固。在頂升過程中，可以采用結(jié)構(gòu)加固技術(shù)來增加橋梁的承載能力和穩(wěn)定性，從而減少變形和應(yīng)力的變化。加固措施包括增加梁板的加固支撐、加固橋墩和橋墩之間的連接等。通過合理的加固設(shè)計(jì)和施工，可以有效控制結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布，提高頂升過程的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 裝置選擇和施工限制解決措施

（1）優(yōu)化頂升裝置設(shè)計(jì)。根據(jù)具體的橋梁結(jié)構(gòu)和施工環(huán)境條件，優(yōu)化頂升裝置的設(shè)計(jì)，提高其適應(yīng)性和靈活性?？梢葬槍?duì)不同類型的高架橋梁設(shè)計(jì)不同的頂升裝置，考慮高強(qiáng)度材料和先進(jìn)的工藝技術(shù)，以提高頂升裝置的效率和安全性。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段，如計(jì)算機(jī)模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)頂升過程進(jìn)行預(yù)先仿真和優(yōu)化，以確保頂升裝置的有效運(yùn)行。

（2）改進(jìn)施工計(jì)劃。合理制訂頂升施工計(jì)劃，考慮施工隊(duì)伍、設(shè)備和材料的調(diào)度，以最大限度地減小施工對(duì)周圍環(huán)境的影響。可以采用夜間施工、交通管制、改道引導(dǎo)等措施，合理安排施工時(shí)間和路線，減少交通干擾和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)解決措施

在規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)的主要策略中，首先需要建立健全安全管理體系，包括制定詳細(xì)的安全操作規(guī)程、加強(qiáng)安全培訓(xùn)和監(jiān)督等，確保施工人員具備必要的安全知識(shí)和技能。同時(shí)，要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，落實(shí)安全防護(hù)措施，定期檢查和維護(hù)設(shè)備的安全性能，以避免設(shè)備失效和事故發(fā)生。

其次是完善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度和預(yù)防措施。在頂升施工前，進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，識(shí)別潛在的危險(xiǎn)因素，制定相應(yīng)的預(yù)防措施?？梢圆捎脩?yīng)急預(yù)案、臨時(shí)支撐措施、頻繁檢測(cè)和監(jiān)測(cè)等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 高架橋梁體頂升技術(shù)的工程應(yīng)用

以某立交跨線橋頂升施工為例，對(duì)城市高架橋梁體頂升技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.1 工程概況

某立交跨線橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，橋跨組合為2×30+（30+40+30）+3×30 m，全橋共分三聯(lián)。橋臺(tái)為輕型橋臺(tái)，橋墩為門式墩身，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

該工程通過整體調(diào)坡頂升工藝將梁體抬升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，橋墩接高墩柱，0號(hào)橋臺(tái)拆除并新做交接墩，橋面與新建高架相接。

該工程頂升最大行程為6.631 m，該橋總頂升面積為5 750 m2，頂升總重量為13 950 t。總體頂升參數(shù)見表1。

3.2 頂升方式的選擇及過程控制

3.2.1 頂升方式的選擇

橋梁頂升工程中常用的頂升方式包括交替式頂升和隨動(dòng)式頂升兩種。交替頂升方式與隨動(dòng)頂升方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

交替頂升方式原理是在每個(gè)支撐頂點(diǎn)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)兩組千斤頂進(jìn)行反復(fù)交替頂升。頂升過程中，先由第一組千斤頂進(jìn)行梁體頂升的一個(gè)行程，同時(shí)在頂升過程中另一組千斤頂跟隨使用，以防止千斤頂失效時(shí)梁體突然墜落。一個(gè)行程過后，通過控制臺(tái)控制液壓泵站驅(qū)動(dòng)第二組千斤頂進(jìn)行頂升，同時(shí)控制第一組千斤頂收缸，并在收缸后的第一組千斤頂?shù)幕钊聣|設(shè)相應(yīng)高度的鋼支撐墊塊，重復(fù)以上步驟，直至完成整個(gè)頂升過程。

3.2.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

第一聯(lián)為兩跨2×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，頂升重量為3 350 t，共配置67臺(tái)200 t千斤頂（分為A、B組），交替頂升。頂升總體步驟：第一聯(lián)先進(jìn)行整體同步頂升，待2號(hào)橋墩處梁體頂升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后（頂升行程3.16 m），再整聯(lián)調(diào)坡頂升將0號(hào)橋臺(tái)處梁體頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高（頂升行程6.631 m）。

第二聯(lián)為三跨30 m+40 m+30 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。頂升總重量為5 600 t，共配置110臺(tái)200 t千斤頂（分為A、B組），交替頂升。頂升總體步驟：先通過調(diào)坡頂升將2號(hào)墩處梁體頂升到設(shè)計(jì)標(biāo)高（頂升行程2.862 m），再通過反向調(diào)坡降落，將5號(hào)墩處梁體降落至設(shè)計(jì)標(biāo)高（下降0.172 m）。

第三聯(lián)為三跨3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，頂升總重量為5 000 t，共配置49臺(tái)200 t千斤頂，總頂力9 800 t。第三聯(lián)整體豎向頂升0.090 m。

3.2.3 頂升過程監(jiān)控

由于該工程頂升施工中牽涉到既有橋梁、新建臨時(shí)裝置和永久結(jié)構(gòu)，加上控制系統(tǒng)反應(yīng)不一，各種因素的直接或間接影響會(huì)導(dǎo)致頂升過程中產(chǎn)生施工誤差。如不對(duì)這些施工誤差加以控制或調(diào)整，則橋梁標(biāo)高將偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，并影響最終成橋內(nèi)力及線形。

過程中的監(jiān)控主要從以下方面進(jìn)行：

（1）橋面坐標(biāo)監(jiān)測(cè)。該工程同步頂升工況復(fù)雜，在頂升過程中存在一定的誤差積累，最終效果需要通過實(shí)際施工過程中的坐標(biāo)監(jiān)測(cè)來控制。

坐標(biāo)監(jiān)測(cè)包括主梁軸線標(biāo)高監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)。主梁軸線標(biāo)高監(jiān)測(cè)是為了控制橋梁頂升誤差，確保最終標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求；主梁軸線水平偏移監(jiān)測(cè)是為了保證施工時(shí)主梁軸線順直達(dá)到設(shè)計(jì)軸線，監(jiān)測(cè)時(shí)間與標(biāo)高監(jiān)測(cè)同步。

在具體實(shí)施頂升過程中，橋面橫、縱向偏移值見圖1，橋梁中線標(biāo)高誤差見圖2。

圖1中，第一聯(lián)～第三聯(lián)橫向偏位分別為10±2 mm、?5±2 mm、±1 mm；縱向偏位分別為8±2 mm、3±1 mm、±1 mm，各測(cè)點(diǎn)縱向偏位值在伸縮縫限位裝置工作后無明顯增加；全橋標(biāo)高誤差為5±3 mm。結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)橫（縱）向水平位移均滿足±20 mm的精度要求；高程變化與頂升目標(biāo)值基本一致，誤差滿足10 mm的精度控制要求。

圖2中，第一聯(lián)各橋中線處標(biāo)高誤差分別為9 mm、8 mm、3 mm，第二聯(lián)各橋中線處標(biāo)高誤差分別為8 mm、2 mm、4 mm、?1 mm，第三聯(lián)各橋中線處標(biāo)高誤差分別為6 mm、4 mm、?1 mm、1 mm，全橋中線處標(biāo)高誤差為4±5 mm。各測(cè)點(diǎn)均滿足連續(xù)梁橋墩相對(duì)于其他橋墩的豎向位移差限值：邊墩小于10 mm、次邊墩和中墩不大于10 mm。

（2）橋下位移監(jiān)測(cè)。該工程采用的是連續(xù)頂升施工，為控制施工單位的施工速度，同時(shí)驗(yàn)證實(shí)施頂升效果，采用位移傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的行程。重要測(cè)點(diǎn)頂升時(shí)程曲線如圖3所示。

由圖3可知，頂升過程平穩(wěn)無異常，頂升過程中每個(gè)墩臺(tái)左右側(cè)位移傳感器實(shí)時(shí)位移量基本一致，時(shí)程曲線基本重合，表明在各頂升行程中實(shí)時(shí)修正上一行程誤差的控制方法效果良好，避免了誤差的積累，保證了最終的誤差控制。

（3）梁體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。梁體在施工過程中將承受軸向壓力和變化彎矩的共同作用，連續(xù)梁主要控制截面為中墩頂部負(fù)彎矩區(qū)，重要測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線如圖4～5所示。

由圖4～5可知，未頂升前應(yīng)變均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，開始頂升后梁體從支座受力轉(zhuǎn)換成千斤頂受力，受力體系轉(zhuǎn)換后應(yīng)變有明顯突變，千斤頂受力穩(wěn)定后應(yīng)變?cè)谝欢ǖ陌踩秶鷥?nèi)波動(dòng)，應(yīng)變值遠(yuǎn)小于限值（正為拉應(yīng)變100 με、負(fù)為壓應(yīng)變2 000 με），頂升過程梁體受力狀況均在安全可控范圍內(nèi)。

（4）鋼支撐應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)目頂升施工借助豎向支撐和支撐橫梁，將上部箱梁荷載向基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換，在頂升期間，臨時(shí)支撐類似橋墩作用，支撐在自重和其他施工荷載作用下將發(fā)生力的轉(zhuǎn)換[4]。特別是受制于支撐柱間的連桿作用，加上支撐平臺(tái)基礎(chǔ)可能的沉降等因素影響，導(dǎo)致支撐受力與理想狀態(tài)存在差異，需要全程掌握其軸力狀態(tài)，也是對(duì)頂升過程中千斤頂傳力效果的校準(zhǔn)[5]。

選取具有代表性的2個(gè)斷面監(jiān)測(cè)，即頂升行程和重量最大的兩個(gè)墩臺(tái)（0號(hào)臺(tái)和3號(hào)墩）。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6～7所示。

由圖6～7可知，未頂升前應(yīng)力均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，開始頂升后從支座受力轉(zhuǎn)換成鋼支撐受力，受力體系轉(zhuǎn)換后應(yīng)力產(chǎn)生突變，轉(zhuǎn)換到鋼支撐受力后應(yīng)力又在一定的安全范圍內(nèi)波動(dòng)，應(yīng)力均遠(yuǎn)小于限值（所用609鋼支撐應(yīng)力限值為215 MPa），頂升過程鋼支撐受力均在安全可控范圍。

4 結(jié)論

該文通過對(duì)城市高架橋梁體頂升方法進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行應(yīng)用分析得出如下結(jié)論：

（1）選擇合適的梁體頂升方法對(duì)于保證橋梁安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，該案例中選擇的交替式頂升方式，對(duì)分段式高架橋頂升效果更佳，各測(cè)點(diǎn)的位移誤差均滿足控制精度要求。現(xiàn)場(chǎng)采用多種監(jiān)測(cè)措施，順利實(shí)現(xiàn)高達(dá)6.631 m的大行程梁體頂升。

（2）每個(gè)頂升行程對(duì)上一個(gè)行程的誤差進(jìn)行及時(shí)修正的控制方法效果良好，避免了誤差的積累，保證了最終的誤差控制。

（3）對(duì)橋梁頂升進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)控，不僅可以避免施工過程中的不安全因素，而且可以為豐富設(shè)計(jì)理論、完善施工技術(shù)及保證施工質(zhì)量提供可靠的技術(shù)保障。

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