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        既有橋梁整體頂升施工及控制技術(shù)研究

        2016-08-11 06:26:21任青龍合肥市市政工程管理處安徽合肥230011
        低碳世界 2016年11期
        關(guān)鍵詞:墩柱梁體支座

        任青龍(合肥市市政工程管理處,安徽 合肥 230011)

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        既有橋梁整體頂升施工及控制技術(shù)研究

        任青龍(合肥市市政工程管理處,安徽合肥230011)

        橋梁整體頂升技術(shù)作為一種新型的橋梁加固、更換支座等的重要技術(shù)措施已應(yīng)用于實(shí)際的橋梁工程中,但在施工中還有一些關(guān)鍵技術(shù)還依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)和施工。本文結(jié)合已有的研究成果,研究既有橋梁整體頂升工程施工技術(shù)、支座更換技術(shù)、監(jiān)控及質(zhì)量檢測技術(shù),并成功應(yīng)用于合肥市北二環(huán)跨板橋河橋頂升工程施工,研究成果可供同類橋梁施工借鑒。

        橋梁;整體頂升;施工工藝;監(jiān)控;質(zhì)量檢測

        橋梁頂升技術(shù)作為一種新型的橋梁加固、更換支座等的重要技術(shù)措施已應(yīng)用于實(shí)際的橋梁工程中,在處理由于通航等級提高、路線改造等引起的橋下凈空不足,橋梁沉降及橋梁支座老化等問題有著不可比擬的優(yōu)勢。目前國內(nèi)外已有許多橋梁頂升的成功案例,整個工程技術(shù)在橋梁改造中應(yīng)用已日趨成熟。在2002年,美國的Balfour Betty建筑公司和ENERPAC公司利用液壓控制同步頂升系統(tǒng),在不中斷交通的情況下對美國最高的金門大橋進(jìn)行了抗震改造[1~2];在2003年,天津市政府為滿足海河兩岸開發(fā)改造需求,恢復(fù)海河干流通航,計(jì)劃將北安橋整體抬升1.5m,兩側(cè)加寬9m。該橋總重3700t,采取同步頂升方法,在不損傷橋梁結(jié)構(gòu)的同時,也盡量不影響交通[3~4]。

        橋梁頂升技術(shù)的發(fā)展時間較短,處于日趨成熟的過程中,在應(yīng)用中還有一些關(guān)鍵技術(shù)還依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)和施工[5],因此還需進(jìn)一步研究和實(shí)踐。文章結(jié)合已有的研究成果,研究既有橋梁整體頂升工程施工技術(shù)、支座更換技術(shù)、監(jiān)控及質(zhì)量檢測技術(shù),并成功應(yīng)用于合肥市北二環(huán)跨板橋河橋頂升工程施工。

        1 工程概況

        1.1橋梁概況

        碭山路跨板橋河橋位于合肥市北二環(huán)碭山路段,跨越板橋河,為4跨鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋,橋跨布置:12.0m+ 18.0m+18.0m+12.0m,橋梁全長為67.5m。橋?qū)?9.8m。橋面橫向布置:3.0m(中央分隔帶)+2×12.0m(機(jī)動車道)+2×2.0m(機(jī)非分隔帶)+2×8.2m(非機(jī)動車道)+2×5.8m(人行道)+2×0.4m(欄桿)。橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用圓柱式墩,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),橋臺采用柱式臺,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。全橋采用盆式橡膠支座,2號墩為固定墩;橋面鋪裝采用瀝青混凝土,伸縮縫采用仿毛勒式伸縮縫。

        1.2橋梁主要病害

        2010年9月橋梁養(yǎng)護(hù)管理巡查時發(fā)現(xiàn)北側(cè)輔道橋橋臺處出現(xiàn)5cm左右的高差,超載大型車通過時橋梁端部變形異常,導(dǎo)致伸縮縫損壞,并有輕微橫向擺動,橋臺外側(cè)支座脫空,內(nèi)側(cè)支座壓縮變形過大。圖1(a)、(b)是兩張具有代表性的支座病害照片。

        圖1 支座病害代表照片

        經(jīng)檢測單位對橋梁進(jìn)行詳細(xì)檢測,發(fā)現(xiàn):左2幅、右2幅盆式支座存在嚴(yán)重脫空和非均勻壓縮變形危及到結(jié)構(gòu)安全(全橋支座普遍銹蝕,其中9個銹蝕明顯,17個支座受壓嚴(yán)重,6個存在錯位現(xiàn)象,5個支座脫空,其中4個完全脫空,伴縱向錯位)。依據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ99-2003)的相關(guān)規(guī)定,將該橋直接評定為D級,處于不合格狀態(tài),建議對其采用整體頂升技術(shù)進(jìn)行支座更換施工。

        2 頂升施工

        2.1頂升平臺方案

        頂升平臺的主要作用是與柱頂共同作為千斤頂頂升的反力架和工作平臺,拓寬墩柱頂放置千斤頂和輔助支撐的工作面。通常在不影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的前提下直接選擇橋梁自身結(jié)構(gòu)(如:墩臺、蓋梁等)作為頂升平臺。但在實(shí)際施工過程中,受橋梁本身的限制和現(xiàn)場施工環(huán)境的影響(如:無蓋梁、梁底至墩臺頂間隙不足,無法放置頂升設(shè)備等)無法直接選擇橋梁自身結(jié)構(gòu)作為頂升平臺,則需另行搭設(shè)頂升平臺[6]。

        由于板橋河橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用圓柱式墩,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。墩柱間無蓋梁和承臺,墩頂面積較小,無法放置千斤頂,因此無法直接利用墩頂做為頂升平臺和利用承臺做基礎(chǔ)搭設(shè)反力架作為頂升反力支撐平臺;又因橋梁所跨板橋河底積淤較深,需進(jìn)行圍堰,對河床進(jìn)行清理后分層依次填筑填隙碎石、級配碎石、C25片石混凝土后才能搭設(shè)支撐墩或支架作為頂升反力支撐平臺,施工較為困難,且施工平臺基礎(chǔ)難滿足頂升要求,會對梁體頂升時橋梁結(jié)構(gòu)安全造成很大隱患。因此結(jié)合橋梁的實(shí)際情況,通過反復(fù)比較,選擇采用在墩頂搭設(shè)鋼抱箍作為頂升平臺,因橋臺的支撐高度及面積滿足頂升需求直接作為橋臺處頂升平臺。圖2是在原橋墩頂搭設(shè)鋼抱箍作為頂升反力支撐平臺照片。

        圖2 鋼抱箍頂升平臺搭設(shè)照片

        2.2頂升平臺設(shè)計(jì)

        鋼抱箍是利用在墩柱上的適當(dāng)部位安裝抱箍并使之通過高強(qiáng)螺栓與墩柱夾緊產(chǎn)生的最大靜摩擦力,來克服梁體頂升的重量。鋼抱箍的關(guān)鍵是要確保抱箍與墩柱間有足夠的摩擦力,以安全地傳遞荷載。

        鋼抱箍由套箍、肋板和頂板三部分組成,本次施工頂板、肋板和套箍均采用厚度為25mm的Q235鋼板,套箍分為三塊制作,塊與塊之間采用高強(qiáng)螺栓連接。經(jīng)計(jì)算,鋼抱箍預(yù)緊力及高強(qiáng)螺栓抗剪驗(yàn)算均滿足要求。鋼抱箍構(gòu)造如圖3~5所示。

        2.3頂升平臺安裝

        鋼抱箍在現(xiàn)場制作和安裝,便于根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。托架主要由套箍、肋板和頂板三部分組成。套箍必須與墩柱套緊,安裝時分塊套箍之間采用螺栓錨緊[1]。

        圖3 臨時托架構(gòu)造1

        圖4 臨時托架構(gòu)造2

        圖5 臨時托架構(gòu)造3

        托架頂鋼板與墩柱頂面必須貼合緊密,確保頂升過程中鋼板與墩柱頂面受力均勻,避免發(fā)生局部壓碎現(xiàn)象。因此,對于墩柱頂面應(yīng)先鑿除疏松混凝土,采用結(jié)構(gòu)膠找平、修補(bǔ),并打磨、校準(zhǔn)水平。同時在墩柱頂部與鋼套箍接觸面上采用側(cè)面粘貼碳纖維布、頂面墊橡膠套等方法確保鋼套箍與墩柱有效、緊密接觸,同時保護(hù)墩柱頂部。

        2.4千斤頂與臨時支撐的布置

        根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求,施工選用的單個千斤頂?shù)捻斏?00t,油缸外徑最大值25cm,千斤頂本體高度不大于20cm。單個輔助支撐能承受200t的豎向力,外徑不大于25cm,且具有穩(wěn)定性。下墊鋼板緊靠墊石邊緣布置,鋼墊板規(guī)格為(300×300×30)mm,千斤頂中心線應(yīng)與下墊鋼板中心線重合。

        在需頂升的墩柱上,支座墊石橫橋向兩側(cè)各縱向布置3個千斤頂,每個墩柱上共計(jì)6個千斤頂。輔助支撐起到頂升間歇過程中及頂升完畢更換支座期間的梁體穩(wěn)定作用。墩柱千斤頂及輔助支撐系統(tǒng)如圖6所示。

        圖6 單柱千斤頂及輔助支撐平面布置圖

        千斤頂安裝時,為了增加局部承壓面積,在千斤頂與箱梁底面、墩柱頂面接觸面放置鋼墊板。千斤頂軸線必須豎直,墊板必須水平。安裝時采用水平尺校準(zhǔn)水平,并對鋼墊板與箱梁、橋臺的接觸面打磨平整[7]。

        當(dāng)千斤頂、輔助支撐高度不足時,采用水平、平整的鋼板填塞在千斤頂、輔助支撐之間,但應(yīng)確保鋼板之間密貼無縫隙。

        2.5梁體頂升

        板橋河橋?yàn)殇摻罨炷吝B續(xù)彎橋,梁體頂升時梁體應(yīng)力變化和變形情況復(fù)雜,同時要求對梁體位移的控制精度要求非常高,如控制不當(dāng)會對梁體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此為確保頂升過程中梁體的安全,制定了詳細(xì)的頂升技術(shù)方案[8]。

        2.5.1頂升前準(zhǔn)備

        (1)現(xiàn)場成立梁體頂升工作小組。

        項(xiàng)目經(jīng)理任組長,項(xiàng)目總工與項(xiàng)目副經(jīng)理任副組長。同時每墩設(shè)現(xiàn)場總指揮1人,技術(shù)負(fù)責(zé)1人,頂升控制系統(tǒng)操作人員2人、千斤頂操作人員4人,梁下百分表檢測人員12人,其他檢測人員2人,油泵操作1人,錄像或拍照1人,安全員2人、監(jiān)測2人(頂升時現(xiàn)場所有人員采用對講機(jī)保持通訊)。

        頂升前應(yīng)對參加頂升的管理人員和操作人員進(jìn)行明確的分工,并進(jìn)行技術(shù)交底。交底內(nèi)容應(yīng)包括頂升技術(shù)交底、崗位分工、崗位職責(zé)、信息渠道常用術(shù)語、及施工禁止項(xiàng)等。

        (2)安裝設(shè)備。

        施工前對液壓系統(tǒng)、控制器、千斤頂、位移傳感器、百分表(精度0.01mm)等所有儀器、設(shè)備(特別是梁體頂升所用的千斤頂、壓力表等)進(jìn)行檢查、調(diào)試與標(biāo)定,合格后方可投入施工。并提供合格的檢查與標(biāo)定證書。

        (3)測量支座處梁底標(biāo)高。

        (4)預(yù)緊,稱重,調(diào)整,各點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄,試頂升,檢查各點(diǎn)受力情況。

        (5)試頂升。主道橋與輔導(dǎo)橋在正式頂升前均必須進(jìn)行試頂升,試頂升高度1mm。試頂主要是為了消除支撐本身的非彈性變形或沉降,在主梁還沒有完全頂起時即可停止,并停放0.5~1.0h觀察無任何變化后才能開始整體頂升。

        2.5.2頂升

        正式頂升時,在專業(yè)人員的統(tǒng)一指揮下所有千斤頂慢慢用力整體頂起梁體,采用分級加載,按照5mm+5mm的順序進(jìn)行頂升,每級為5mm。第一級時持壓5min,其他持壓10min;末級加壓值按最終頂起量控制。當(dāng)實(shí)際頂升力接近設(shè)計(jì)噸位時,放緩頂升速度,并由專人在頂升過程中試取原支座,當(dāng)頂升至合適高度,上鋼板與原支座剛剛脫離、能夠取出原支座時即可停止頂升。然后安裝輔助支撐,輔助支撐于箱梁、墩柱頂面之間放置3cm厚鋼墊板。輔助支撐應(yīng)可以微調(diào),且采用機(jī)械鎖定,防止鎖定松動。

        根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求,相鄰墩之間頂升的相對高差須控制在5mm內(nèi)。考慮到板橋河橋?yàn)殇摻罨炷吝B續(xù)彎橋,為確保梁體安全,實(shí)際施工過程中相鄰墩之間頂升的相對高差制在3mm內(nèi),如超過3mm則應(yīng)立即停止頂升。在實(shí)際施工過程中,要兼顧錨固在梁體上的原上鋼板和支座之間能夠脫空,原支座能順利取出、楔塊和墊石能鑿除和重新澆筑、新支座順利安裝等施工可操作。最終頂升高度為5~10cm。

        在頂升梁體時,要確保所有支點(diǎn)同步提升。頂升時應(yīng)采取相應(yīng)的監(jiān)控措施。

        在條件允許的情況下,為了保證頂起過程中不至于損傷梁底,在梁底與千斤頂設(shè)備接觸處用厚約2cm的木板墊實(shí),確保軟接觸密合。

        部分支座墊石、鋼板有病害,在頂起梁去除原有支座后進(jìn)行相應(yīng)的處治,支座下方用高標(biāo)號環(huán)氧樹脂砂漿找平,計(jì)算出需調(diào)整的高度,用合適厚度的鋼板來調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)施工完畢后,重新安裝新的支座。

        支座安裝時,應(yīng)防止支座出現(xiàn)偏壓或產(chǎn)生過大的初始剪切變形。

        2.5.3注意事項(xiàng)

        頂升前須測量各支座處梁底標(biāo)高;落梁過程中,梁體必須落至預(yù)定標(biāo)高。支座更換之前需要對支座的位置進(jìn)行標(biāo)記,新支座安裝時,盡量安照原有位置安放。在同一墩(臺)上的同一排支座,其橫向位置成一條線,且到墩臺橫向中心線的垂直距離一致。在同一橋墩上的兩排支座,各自與橋墩橫向中心線的垂直距離必須相等,避免在支座位置出現(xiàn)偏心受壓現(xiàn)象。

        2.6支座拆除與更新

        為確保處理效果和施工質(zhì)量,增加操作凈空,在墩頂頂升完成并持荷穩(wěn)定后,拆除原支座,通過頂升前測量的標(biāo)高對墊石和楔形塊進(jìn)行調(diào)整。

        2.6.1支座墊石的處理

        本次施工更換的盆式支座尺寸比舊支座尺寸有所改變,施工過程中根據(jù)新支座的高度調(diào)整原支座下墊石的高度 (鑿除或墊高下墊石)來確保新支座安裝后的標(biāo)高。

        新支座高度增加則鑿除病害支座處的墩頂支座墊石來降低標(biāo)高。墊石鑿除用輕小型設(shè)備人工鑿除。鑿除后,對墩柱頂面局部缺陷采用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠批嵌,再找平,使其恢復(fù)平整、無凹凸,再用地腳螺栓固定下預(yù)埋鋼板。

        2.6.2楔形塊的處理

        由于梁體抬高后,千斤頂和臨時支撐均布置在楔形塊兩側(cè),施工操作面狹小,如果使用電錘、氣泵等工具鑿除梁底楔形塊,震動大,對柱頂支撐和混凝土有一定的影響,采取人工切割的方式對其進(jìn)行改造,然后用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠修補(bǔ)、擴(kuò)大楔形塊尺寸,并探測梁底楔塊處是否存在內(nèi)部損傷,如有,需進(jìn)一步修補(bǔ)。直至滿足支座安裝要求[9]。

        梁底楔形塊的平面尺寸,要滿足支座安裝要求,楔塊四個角的高度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的梁底縱、橫坡調(diào)整。

        支座更換后,采用在墊石和楔塊中預(yù)埋鋼板,新支座鋼板與預(yù)埋鋼板焊接的方案。新預(yù)埋鋼板必須保證錨固可靠,滿足規(guī)范要求。施工中主要采用粘鋼或焊接的方法將新預(yù)埋鋼板粘貼在梁體或焊接在原預(yù)埋鋼板上。

        表1 板橋河橋南側(cè)輔道橋頂升位移數(shù)據(jù)監(jiān)測表(位移傳感器)

        2.6.3新支座安裝

        為保證所有支座受力均勻,同時考慮到支座的使用年限,本次支座更換施工對橋梁的全部支座進(jìn)行更換。

        在確保與支座接觸的梁底楔形塊和支座墊石表面處理達(dá)標(biāo)后,進(jìn)行新支座的安裝施工:核對新支座安裝位置并放樣;安裝新支座,下支座板四角用鋼楔塊調(diào)整,使支座水平;將新支座的頂板和底板焊接在楔塊和墊石頂面的預(yù)埋鋼板上;采用焊接時,應(yīng)防止燒壞混凝土;在支座底面縫隙處用環(huán)氧砂漿填塞,硬化后拆除支座四角臨時鋼楔塊,并用環(huán)氧砂漿修補(bǔ);拆除上下支座連接板,再次檢查支座外觀;安裝支座防塵罩,新支座安裝的如圖7所示。

        2.7落梁

        支座安裝完成后,去掉鋼板或混凝土墊塊或其他臨時支撐體系,將頂起的梁按頂升時的分級情況逐步回落,落梁時采取與頂升相同的保障監(jiān)控措施。落梁后須保證所有支座與梁體接觸密貼可靠,支座與梁底接觸保持水平。如不滿足要求則必須重新頂升進(jìn)行糾正,重新頂升時頂升方法和步驟與支座更換時一致,不得用千斤頂單獨(dú)頂起一片梁來糾正支座位置。

        圖7 新支座安裝代表照

        2.8施工監(jiān)測

        由于鋼筋混凝土連續(xù)彎橋在頂升與回落過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)可能產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力,因此在頂升過程中需對梁體控制截面的位移、裂縫等進(jìn)行監(jiān)測。此次頂升施工監(jiān)控的是以位移監(jiān)控和裂縫監(jiān)控為主。

        2.8.1位移監(jiān)控

        各頂升點(diǎn)處的頂升量應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。在頂升千斤頂箱梁底板設(shè)置位移傳感器與百分表,同時在邊梁內(nèi)側(cè)邊緣與墩臺側(cè)面各設(shè)置百分表,以便控制梁體的橫向位移。頂升時通過位移傳感器與百分表的讀數(shù)控制頂升量并控制梁體的轉(zhuǎn)動[10],要求同一截面位移傳感器與百分表的讀數(shù)變化在頂升過程中應(yīng)一致。同步頂升位移傳感器布置和百分表布置如圖8~9所示。

        圖8 同步頂升位移傳感器布置 

        圖9 同步頂升百分表布置

        在南側(cè)輔道橋的頂升過程中,考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性,頂升過程中共進(jìn)行了9次頂升,每次頂升最大位移控制在5mm,詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

        通過頂升位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,南側(cè)輔道橋在梁體同步頂升過程中,每次頂升各頂升點(diǎn)最大高差不超過2mm。頂升完畢后,最大頂升高度為51.05mm,最小頂升高度為49.01mm,高差為2.04mm,沒有超出施工前提出的最大3mm的頂升高差。因此頂升過程控制良好,滿足設(shè)計(jì)要求,確保了梁體的安全。

        2.8.2裂縫觀測

        施工前,對箱梁已有裂縫進(jìn)行長度、寬度的測量,并作好記錄。在頂升過程中,對原有裂縫觀測其寬度及長度的變化情況,并檢查有無新生裂縫,作好裂縫性狀的記錄。

        通過施工前、后及施工過程中對裂縫的觀測,在頂升過程中,裂縫測點(diǎn)處原裂縫未出現(xiàn)可見變化,同時梁體無新增裂縫。

        3 頂升施工后質(zhì)量監(jiān)測

        為了全面檢驗(yàn)本次板橋河橋支座更換的施工質(zhì)量及施工后橋梁的整體狀況,在施工過程中和施工結(jié)束后分別從新支座的安裝質(zhì)量,橋梁施工前后標(biāo)高對比及橋梁整體荷載試驗(yàn)三個方面對全橋進(jìn)行了全面的檢測。

        經(jīng)檢測,支座安裝質(zhì)量各項(xiàng)檢查結(jié)果在規(guī)范允許誤差范圍內(nèi)即為合格;支座更換前后各墩臺頂新支座安裝處高度控制良好,支座更換后梁體標(biāo)高在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上抬升統(tǒng)一,橋梁不會因?yàn)闃?biāo)高的變化對梁體產(chǎn)生不利影響。通過靜動載試驗(yàn),結(jié)果表明結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度均滿足公路Ⅱ級設(shè)計(jì)要求。

        4 結(jié)論

        (1)結(jié)合橋梁的實(shí)際情況,通過反復(fù)比較,文章提出在墩頂搭設(shè)鋼抱箍作為頂升平臺,橋臺作為其頂升平臺的方案,并進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工。

        (2)確定了位移和裂縫監(jiān)測目標(biāo),并進(jìn)行了相應(yīng)監(jiān)測,結(jié)果表明頂升過程中監(jiān)測點(diǎn)高差為2.04mm,未超過3mm的頂升高差要求;在頂升過程中,裂縫測點(diǎn)處原裂縫未出現(xiàn)可見變化,同時梁體無新增裂縫。

        (3)通過頂升后支座安裝質(zhì)量檢查、梁體標(biāo)高測量和靜動載試驗(yàn),結(jié)果表明板橋河橋頂升施工質(zhì)量良好,本文所提出連續(xù)梁橋頂升施工及監(jiān)控技術(shù)可以為同類型橋梁施工提供借鑒。

        [1]汪學(xué)謙,汪曉嵐,藍(lán)戊己.PLC控制液壓同步頂升系統(tǒng)在連續(xù)鋼箱梁懸臂架設(shè)施工中的應(yīng)用[J].世界橋梁,2005(2):33~35.

        [2]韓振勇,張振學(xué),張玉明,等.橋梁改造工程中同步頂升技術(shù)的應(yīng)用[J].中國市政工程,2007(1):24~26.

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        2016-3-8

        U445.4

        A

        2095-2066(2016)11-0143-04

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