游 煒

(廈門市市政建設(shè)開發(fā)總公司 福建廈門 361000)

引 言

隨著機(jī)動車數(shù)量的快速增長，既有城市橋梁往往不能滿足日益增長的車輛通行需求。這為城市橋梁建設(shè)帶來了一個新的課題:對既有城市橋梁進(jìn)行擴(kuò)寬或高架改造，以增加道路的通行能力。如果對建成時間較短的橋梁進(jìn)行拆除重建不僅造成巨大的資源浪費(fèi)，而且會引起環(huán)境污染問題。因此考慮既有城市橋梁建成時間較短，結(jié)構(gòu)較新，為節(jié)省工程投資、縮短工期并且減少拆除重建產(chǎn)生的社會影響，在保證結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營后行車舒適的前提下，應(yīng)盡可能多改造利用既有橋梁結(jié)構(gòu)。橋梁頂升技術(shù)就是在這樣的環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。

目前，城市橋梁頂升技術(shù)已經(jīng)在廈門市湖濱東路跨線橋頂升工程、廈門市蓮岳路跨線橋頂升工程、天津獅子林橋頂升工程、天津北安橋頂升工程、上海吳淞江橋頂升工程、南浦大橋抬升工程等一系列重大建設(shè)工程中，獲得了巨大成功，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。傳統(tǒng)的橋梁頂升系統(tǒng)構(gòu)成中主要有臨時支撐子系統(tǒng)、液壓頂升子系統(tǒng)、PLC控制子系統(tǒng)、隨動支撐子系統(tǒng)、縱橫限位子系統(tǒng)、監(jiān)控量測子系統(tǒng)構(gòu)成。在仙岳路與成功大道立交改造提升工程中，需要對一聯(lián)鋼箱連續(xù)梁和一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁進(jìn)行頂升改造。其中預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一端頂升高度達(dá)到了11.181m，為目前國內(nèi)最高。為增加頂升過程的安全性、縮短頂升工期，該頂升工程摒棄了傳統(tǒng)的隨動支撐技術(shù)，采用交替頂升技術(shù)。文章詳述了既有連續(xù)梁橋頂升技術(shù)改造的技術(shù)要點(diǎn)。

1 工程概況

仙岳路為廈門市主干道，其西段已實(shí)現(xiàn)全程高架橋。而中段仙岳路下穿鷹廈鐵路并于成功大道立體交叉，往東接金尚路高架橋。為提升仙岳路中段的通行能力和與成功大道的交通轉(zhuǎn)換能力，對仙岳路與成功大道立交工程進(jìn)行提升改造，將仙岳路中段改為全線高架橋并在成功大道處增設(shè)三座匝道橋。原仙岳路西段高架橋在跨越臺灣街后落地，本次改造將跨越臺灣街的L3聯(lián)鋼箱梁和L4聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進(jìn)行頂升利用，接新建高架橋見(圖1)。

L3聯(lián)為鋼箱梁，配跨為36m+45m+36m，L4為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，配跨為3×36m，L3及L4聯(lián)一部分位于R=3000m的凸形豎曲線上，其后接縱坡為4.53%的下坡。箱梁梁高2.0m，橋?qū)?5.0m，按整幅布置，采用扁平流線型箱梁截面。

由于L3聯(lián)箱梁的現(xiàn)狀橋面比擴(kuò)建后的橋面起點(diǎn)低0.001m，終點(diǎn)低3.522m，且大部分位于豎曲線上，橋梁結(jié)構(gòu)為向上的拱形，若整體頂升，則鋪裝調(diào)平層最厚處需增設(shè)97cm，無法滿足結(jié)構(gòu)布置及受力要求。設(shè)計考慮對上部鋼箱梁進(jìn)行整體頂升，然后切割成3段分段調(diào)整標(biāo)高，最后將3段鋼梁重新焊接成整體的施工方案。L4聯(lián)改造前后平面及立面均位于直線段上，新橋面比現(xiàn)狀橋面高3.522～11.261m，因此，擬對該聯(lián)箱梁進(jìn)行頂升處理，通過頂升、旋轉(zhuǎn)后，箱梁末端比新橋面低8.0cm，采用增設(shè)混凝土調(diào)平層能滿足設(shè)計要求。

圖1 L3、L4聯(lián)頂升改造示意圖

2 連續(xù)梁橋交替頂升的技術(shù)要點(diǎn)

連續(xù)梁橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，在頂升過程中要保證結(jié)構(gòu)為剛性的旋轉(zhuǎn)或平移，結(jié)構(gòu)內(nèi)部才不會產(chǎn)生次內(nèi)力。頂升過程中最理想的狀態(tài)為剛體位移，即在同步頂升時要保證各頂點(diǎn)位置的位移相同，在旋轉(zhuǎn)頂升時要保證各支座處的豎向位移成比例。實(shí)際頂升時，各支座的實(shí)際位移與理論值相比不可避免的出現(xiàn)誤差。必須要控制各支座處的位移誤差，以控制梁體次內(nèi)力的水平，保證結(jié)構(gòu)的安全。此外，梁體在頂升時重量從支座轉(zhuǎn)移到液壓頂升系統(tǒng)和臨時支撐上，而且由于解除了支座約束，梁體在空間上易發(fā)生縱向和橫向的位移。這些因素在頂升方案編制時必須加以考慮并合理解決。

2.1 臨時支撐技術(shù)

橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量是通過支座、墩臺傳遞到下部結(jié)構(gòu)上的。頂升時主梁脫離原支座，主梁自重要有新的支撐體系來承擔(dān)，此即為臨時支撐。一般采用鋼管柱作為臨時支撐體系，見(圖2)所示。鋼管柱基礎(chǔ)可以利用原橋承臺或擴(kuò)大基礎(chǔ)，或者當(dāng)?shù)鼗休d力滿足時設(shè)計為獨(dú)立的基礎(chǔ)。當(dāng)原承臺或擴(kuò)大基礎(chǔ)的寬度不夠時，可以采用植筋的方式對原承臺進(jìn)行加寬。鋼管支撐要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且鋼管支撐要易于接長、安裝，也不能影響對墩臺的改造施工。

臨時支撐體系還應(yīng)該考慮主梁的臨時承力點(diǎn)位置。對于混凝土箱梁，臨時承力點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在橫隔板位置或腹板位置。鋼箱梁的臨時承力點(diǎn)最好設(shè)置在橫隔板和腹板的交界位置。通過分配梁、千斤頂將力傳遞到臨時鋼支撐上。

對于比例調(diào)坡頂升，臨時支撐設(shè)計還需要考慮以下兩點(diǎn)因素。一是，隨著梁體坡度的變化，主梁在縱向上的水平投影長度會變化。以3×36m連續(xù)梁為例，坡度從－4.53%變化到2.74%，梁體投影長度先增長0.11m，再縮短0.04m。這要求千斤頂在縱向上的位置可調(diào)，在頂升過程中確保千斤頂與鋼管柱對中。橫向分配梁要有足夠的寬度，且能承受千斤頂偏心壓力的作用。二是，隨著梁體坡度的變化，千斤頂?shù)拇怪倍纫３只静蛔?。通過在千斤頂與分配梁之間增加楔形鋼板來實(shí)現(xiàn)，將千斤頂?shù)拇怪倍日`差控制在0.5%以內(nèi)。此外千斤頂?shù)幕钊斆睅в星蛐毋q，允許有0.5度以內(nèi)的轉(zhuǎn)角。

臨時支撐系統(tǒng)的主要作用不僅是承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)橋梁箱梁的重量，還要解決比例頂升中的梁體投影長度改變和角度改變問題。因此需要考慮他的承載力、剛度及穩(wěn)定性，保證梁體頂升時托架體系本身的狀態(tài)不變，同時保證梁體在頂升過程中的受力狀態(tài)不變，包括附加應(yīng)力、位移等。

圖2 頂升臨時支撐系統(tǒng)

2.2 PLC液壓同步頂升控制技術(shù)

頂升指令控制系統(tǒng)為PLC液壓同步頂升系統(tǒng)，是一種反饋控制系統(tǒng)，包括控制主機(jī)、位移傳感器、變頻泵站等設(shè)備見(圖3)。PLC液壓控制同步頂升是一種力和位移綜合控制的頂升方法。這種控制方法是建立在位移和頂升力雙閉環(huán)的控制基礎(chǔ)上。為使液壓千斤頂平穩(wěn)地頂舉橋梁。首先，在正式頂升前要對橋梁進(jìn)行稱重。當(dāng)主梁自重全部轉(zhuǎn)移到千斤頂和臨時支撐系統(tǒng)時，記錄各分組千斤頂?shù)挠蛪褐挡Q算成千斤頂?shù)捻斏?。在此后的頂升過程中，千斤頂?shù)捻斏εc初始值相比誤差應(yīng)控制在±5%以內(nèi)，此即為力閉環(huán)的原理。其次，在頂升前，依據(jù)縱向支座間距比例設(shè)定支座豎向位移比例，計算各支座的理論位移量。通過布置于支座斷面上的豎向位移傳感器反饋實(shí)際位移數(shù)據(jù)，計算實(shí)際位移與理論位移的差值，控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速增減，從而控制千斤頂?shù)捻斏俣?，?shí)現(xiàn)位移閉環(huán)控制。

通過頂升力和頂升位移的雙閉環(huán)控制，可以控制梁體頂升時的位移和姿態(tài)。采用PLC系統(tǒng)的位移同步精度可以 達(dá) 到 ±2.0mm。這樣可以很好的保證頂升過程的同步性，使頂升過程中橋梁受到的附加內(nèi)力下降至最低，確保頂升時梁體結(jié)構(gòu)安全。

圖3 PLC液壓同步頂升控制系統(tǒng)

2.3 縱橫向限位技術(shù)

頂升時，由于解除了永久支座對梁體水平位移的約束，極小的水平力就可能造成橋梁縱向或橫向的位移。若產(chǎn)生縱向位移，則可能造成伸縮縫過寬或過窄，支座中心偏離設(shè)計位置等危害;若產(chǎn)生橫向位移，則可能造成既有梁橫向錯位、軸線偏離設(shè)計位置等危害。水平位移嚴(yán)重的時會危及結(jié)構(gòu)安全。因此，在頂升過程中要設(shè)置臨時的限位措施防止主梁產(chǎn)生過大的縱向和橫向位移。

在比例調(diào)坡頂升時，梁體一端頂升，另一端沒有頂升。此時，可以將沒有頂升的梁端縱向固定在相鄰的梁體上或橋臺上。通過在伸縮縫間插入鋼楔墊塊以防止伸縮縫縮小。通過千斤頂縱向限位裝置施加拉力，限制伸縮縫變寬趨勢?？v向限位裝置見(圖4)。需要注意的是比例調(diào)坡頂升時，梁端會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，縱向限位裝置的設(shè)計要充分考慮這一因素。

橫向限位裝置可以是限位柱或限位架，安裝在頂升梁端。橫向限位裝置見(圖 5。)若產(chǎn)生橫向偏移可以采用鋼楔墊塊或橫向千斤頂糾偏。在非頂升一端一般可不設(shè)專門的橫向限位裝置，但可以將部分縱向限位裝置與橋軸線呈45度角安裝，起到一定的橫向限位功能。

圖4 縱向限位裝置

圖5 橫向限位裝置

2.4 監(jiān)控與量測技術(shù)

橋梁的頂升過程中，各千斤頂頂升速率仍有可能存在差異，將導(dǎo)致梁體出現(xiàn)相對位移差，主梁產(chǎn)生次內(nèi)力，進(jìn)而有可能使梁體受到損傷。鑒于連續(xù)梁頂升的風(fēng)險性，一般要引入第三方單位對連續(xù)梁頂升進(jìn)行監(jiān)控。第三方監(jiān)控內(nèi)容包括，PLC測點(diǎn)豎向位移的復(fù)核測量、梁體應(yīng)力的實(shí)時監(jiān)測、梁體的投影伸長和橫向偏移、橋面控制點(diǎn)標(biāo)高測量等。

PLC測點(diǎn)豎向位移的復(fù)核測量是通過在PLC采集豎向位移傳感器附近布置第三方監(jiān)控位移傳感器，如光柵尺，實(shí)時測量各測點(diǎn)的豎向位移值，并與PLC系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，控制梁體的豎向位移誤差;梁體的應(yīng)力測量是通過在梁體上布置電阻式或者鋼弦式應(yīng)變傳感器，實(shí)時監(jiān)測梁體的應(yīng)變變化情況，確保結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)始終在安全范圍內(nèi);梁體投影伸長和橫向偏移監(jiān)測的目的是掌握梁體的空間姿態(tài);而橋面控制點(diǎn)標(biāo)高測量的目的是復(fù)核PLC的累計位移量，消除多次累加的誤差。

2.5 交替頂升技術(shù)

由于千斤頂?shù)男谐逃邢?，一次行程達(dá)不到設(shè)計頂升高度。液壓千斤頂收缸，需要對梁體進(jìn)行可靠的支撐。傳統(tǒng)的做法是采用隨動頂升技術(shù)。隨動頂升為每個支撐頂點(diǎn)布置安裝一組可主動施加頂升力的千斤頂和一組被動跟隨千斤頂，并分別由各控制臺控制液壓泵站驅(qū)動兩組千斤頂。頂升過程中，由主動千斤頂進(jìn)行梁體頂升，跟隨千斤頂同時跟隨頂升。一個行程過后，主動千斤頂收缸，主梁自重轉(zhuǎn)移到跟隨千斤頂。收缸后的主動千斤頂?shù)幕钊聣|設(shè)相應(yīng)高度的鋼支撐墊塊，主動千斤頂調(diào)整到位并重新受力后，跟隨千斤頂收缸，并在收缸后千斤頂?shù)幕钊聣|設(shè)相應(yīng)高度的鋼支撐墊塊。重復(fù)以上步驟，直至完成整個頂升過程。

頂升過程中，隨動千斤頂雖然實(shí)時跟隨，但其并不提供頂升力，只起到在主動頂失效后的保護(hù)作用。主動頂達(dá)到行程收缸，梁體自重是逐漸轉(zhuǎn)移到跟隨千斤頂上的，因而不可避免的會對跟隨頂產(chǎn)生壓縮。由于各跟隨頂?shù)闹蝿偠炔煌瑝嚎s量必然不同，而且壓縮量是不可控制的。分析隨動裝置頂升的工作過程，每行程頂升循環(huán)都需要對主動頂和隨動頂進(jìn)行抄墊，工作效率較低，延長頂升工期?；谏鲜鰞牲c(diǎn)原因，在規(guī)模較大，頂升高度較高的頂升工程中，不宜采用隨動頂升技術(shù)。

圖6 交替頂升千斤頂

將跟隨千斤頂更換成另一組主動千斤頂，兩組千斤頂交替作為主動千斤頂，此即為交替頂升裝置。頂升過程中，先由第一組千斤頂進(jìn)行梁體頂升的一個行程，另一組千斤頂為替補(bǔ)。當(dāng)達(dá)到行程后，在替補(bǔ)千斤頂活塞下墊實(shí)鋼支撐墊塊，進(jìn)行主動托換，開始下一個行程頂升。重復(fù)以上步驟，直至完成整個頂升過程。

采用交替頂升技術(shù)，首先，改隨動裝置的被動托換為PLC系統(tǒng)控制下的主動托換，消除了隨動裝置壓縮量不均現(xiàn)象。其次，交替頂升由于液壓千斤頂?shù)氖崭姿俣瓤?，每頂升兩個行程墊實(shí)一次墊塊，工作效率提高一倍，可以大幅縮短頂升工期。交替頂升的主動千斤頂數(shù)量是隨動頂升的兩倍，此外為增加頂升過程的安全性，需要對每個千斤頂配置液壓平衡閥，防止泵站和管路的突然失壓。交替頂升千斤頂見(圖6)。

3 結(jié)語

結(jié)合仙岳路與成功大道立交改造提升工程L3聯(lián)鋼箱梁和L4聯(lián)混凝土箱梁的頂升案例，介紹了連續(xù)梁橋頂升改造五個方面的技術(shù)要點(diǎn)。連續(xù)梁橋頂升控制的核心問題是控制各墩的實(shí)際位移量與理論位移量誤差在一定范圍內(nèi)，連續(xù)梁產(chǎn)生近似剛體位移。此外，應(yīng)結(jié)合比例調(diào)坡頂升工程特點(diǎn)，處理梁體投影長度變化、千斤頂垂直度、以及水平力引起的橋梁縱橫向移位等諸多難點(diǎn)。在本工程中，使用交替頂升技術(shù)，顯示了該頂升技術(shù)具有安全系數(shù)高、頂升速度快、工期短等優(yōu)勢。本文所述技術(shù)要點(diǎn)可以為同類工程提供借鑒。

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