■申鐵軍

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司， 太原 030006）

近年來(lái)，我國(guó)高速公路發(fā)生多起車輛碰撞跨線橋上部結(jié)構(gòu)的事件，事故嚴(yán)重威脅橋梁結(jié)構(gòu)和司乘人員的安全。 如何提高現(xiàn)役橋梁運(yùn)行安全，為司乘、貨物運(yùn)輸提供安全、舒暢、高品質(zhì)服務(wù)，推動(dòng)高速公路運(yùn)營(yíng)高質(zhì)量發(fā)展成為高速公路運(yùn)營(yíng)的重要課題。

本研究以某上跨高速公路的跨線橋?yàn)槔?，針?duì)該橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的車輛碰撞現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，分析原因，選擇處置方案，徹底根除了行車隱患，保證了車輛通行安全度。

1 跨線橋上部結(jié)構(gòu)遭受車輛碰撞原因分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，跨線橋上部結(jié)構(gòu)梁底出現(xiàn)橫向劃痕，與橋下車輛行進(jìn)方向一致，來(lái)車方向的梁體側(cè)面出現(xiàn)混凝土破壞現(xiàn)象，局部出現(xiàn)露筋，存在很大的安全隱患（圖1、2）。

圖1 橋下車輛通行被卡

圖2 梁體側(cè)面出現(xiàn)混凝土破壞現(xiàn)象

跨線橋上部結(jié)構(gòu)遭受車輛碰撞的主要原因有：橋下凈空不足、橋梁基礎(chǔ)沉降、超高運(yùn)輸車輛通過(guò)、下行路面抬高。

1.1 橋下凈空不足

查閱某上跨天橋設(shè)計(jì)圖紙， 橋下凈空高度為5.00 m，且橋下路線為平直段，不存在豎曲線拐點(diǎn)對(duì)凈空的影響，對(duì)某上跨天橋南北橋臺(tái)和中間墩各選取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行橋下凈空測(cè)量（表1）。 實(shí)測(cè)凈空高度為4.64～4.67 m， 實(shí)測(cè)凈空高度小于設(shè)計(jì)凈空高度，橋下凈空不足。

表1 橋下凈空實(shí)際測(cè)量情況

1.2 橋梁基礎(chǔ)沉降

對(duì)某上跨天橋南北橋臺(tái)和中間墩各選取4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)與建設(shè)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 墩臺(tái)沉降值測(cè)量情況

通過(guò)GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和沉降數(shù)據(jù)可知，橋梁墩臺(tái)最終變形允許值均不超過(guò)規(guī)范允許值200 mm。 橋梁整體線形流暢，橋頭與路基過(guò)渡段無(wú)明顯錯(cuò)臺(tái)，橋臺(tái)錐坡無(wú)沉陷、無(wú)開裂。所以墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降也是造成凈空不足的因素之一。

1.3 超高運(yùn)輸車輛通過(guò)

對(duì)2021 年1 月至8 月期間某上跨天橋發(fā)生的碰撞橋梁上部結(jié)構(gòu)的車輛進(jìn)行收集， 通過(guò)數(shù)據(jù)分析， 發(fā)生的12 輛碰撞橋梁的車輛車貨總高度均超過(guò)4.5 m，但不超過(guò)凈高5 m 要求。對(duì)該上跨天橋下50 m 范圍內(nèi)路面坑槽、破損及構(gòu)造物設(shè)置情況進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)查， 發(fā)現(xiàn)某上跨天橋下來(lái)車方向50 m 范圍內(nèi)無(wú)明顯坑槽、路面破損等缺陷，且該段路面未設(shè)置伸縮縫等構(gòu)造物和突起標(biāo)志安全設(shè)施，路面平整度較好， 基本上不會(huì)出現(xiàn)車輛顛簸跳躍的情況，說(shuō)明通行車輛總高度不超過(guò)原設(shè)計(jì)凈空高度。

1.4 下行路面抬高

對(duì)某上跨天橋下前后20 m 范圍行車路面標(biāo)高橫向分別取4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)與建設(shè)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。 經(jīng)分析，現(xiàn)路面標(biāo)高較原設(shè)計(jì)路面高約25 cm，查閱相關(guān)養(yǎng)護(hù)記錄，該路面近10 年曾實(shí)施過(guò)3 次瀝青面層施工， 因未對(duì)原路面進(jìn)行銑刨， 在原路面基礎(chǔ)上直接加高，導(dǎo)致跨線橋橋下凈空不足。

表3 路面標(biāo)高差值記錄表

從橋下凈空、 橋梁基礎(chǔ)沉降、 超高運(yùn)輸車輛高度、下行路面抬高4 個(gè)方面因素調(diào)查分析，跨線橋上部結(jié)構(gòu)遭受車輛碰撞原因主要還是橋梁基礎(chǔ)沉降和下行路面墊高2 個(gè)因素造成橋下凈空高度不足，因此提升橋下凈空高度并達(dá)到設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。

2 跨線橋處置方案選擇和比較

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和相關(guān)調(diào)研，該橋處理方案主要有兩個(gè)： 一是主梁同步頂升技術(shù)提高橋梁凈空方案；二是挖除抬高路面、恢復(fù)橋梁凈空方案。。

2.1 方案1：主梁同步頂升技術(shù)提高橋梁凈空方案

包括頂升施工前準(zhǔn)備、 反力-臨時(shí)支撐及限位體系的施工、墩（柱）的截?cái)嗯c接高、頂升施力、工程監(jiān)測(cè)，具有改造成本低、施工周期短的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 方案2：挖除抬高路面、恢復(fù)橋梁凈空方案

包括封閉道路交通管制、 對(duì)下穿路面進(jìn)行挖除、重新路面施工、恢復(fù)交通，具有施工費(fèi)用高、影響時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

2.3 技術(shù)方案比較

從表4 可知，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，選擇主梁同步頂升技術(shù)提高橋梁的凈空方案，費(fèi)用低、工期短、對(duì)社會(huì)交通影響小，因此，選擇該方案。

表4 技術(shù)方案比較情況

3 PLC 同步頂升系統(tǒng)原理、 控制系統(tǒng)及工藝分析

3.1 同步頂升系統(tǒng)原理分析

3.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

PLC 同步頂升液壓系統(tǒng)分為5 部分： 液壓系統(tǒng)、PLC 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、 液壓泵站、 位移壓力檢測(cè)、人機(jī)界面操作系統(tǒng)。 此系統(tǒng)是把計(jì)算機(jī)PLC 信號(hào)處理、液壓頂升系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)分析、位移監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行集成，在集成系統(tǒng)上進(jìn)行成套技術(shù)開發(fā)。 方林子[1]認(rèn)為核心是在橋梁結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)橋梁特性， 設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的PLC 信號(hào)處理和液壓系統(tǒng)，輸出液壓系統(tǒng)油量控制信號(hào)，輸入外部監(jiān)控設(shè)施位移信號(hào)，利用終端多組千斤頂達(dá)到安全、平衡、高效的橋梁頂升目的，頂升和降落精度誤差小于±0.5 mm，頂升載荷范圍：50～1000 t，頂升高度范圍：10～500 mm。

3.1.2 系統(tǒng)功能

PLC 控制液壓同步系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)（包含檢測(cè)傳感器）、 計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分組成，朱偉[2]認(rèn)為此系統(tǒng)可自動(dòng)完成同步位移，實(shí)現(xiàn)操作閉鎖、 力與位移控制、 過(guò)程顯示、 故障報(bào)警4 種功能。 PLC 同步頂升系統(tǒng)，依靠調(diào)節(jié)開關(guān)閥開關(guān)頻率去改變流量大小， 液壓泵站利用開關(guān)閥來(lái)控制流量， 從而達(dá)到油泵的輸出流量可連續(xù)可調(diào)的目的，同時(shí)，配以適當(dāng)電控裝置，組成位移與壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，可控制各臺(tái)液壓千斤頂在升降時(shí)同步且稱重過(guò)程中負(fù)載均衡。

3.1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)具有2 個(gè)特點(diǎn)：（1）有Windows 用戶界面的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；操作簡(jiǎn)便直觀，并可實(shí)現(xiàn)工作的俯仰、側(cè)滾等姿態(tài)的調(diào)整；實(shí)時(shí)在線顯示頂升載荷與頂升位移，可掛接彩色觸摸屏，也可掛接工控機(jī)實(shí)時(shí)記錄施工全過(guò)程[3-4]。 功能齊全，整體安全可靠。（2）集中操作與控制,油缸能同時(shí)加以控制,也可單獨(dú)控制； 液壓千斤頂?shù)耐庵檬剑ɑ騼?nèi)置）壓力的傳感器、位移的傳感器，保證了在惡劣工作環(huán)境下頂升系統(tǒng)工作的可靠性。 無(wú)論是高速進(jìn)行置零還是低速進(jìn)行頂升，升降的速度能人為進(jìn)行控制。 系統(tǒng)的均載閥具有過(guò)載保護(hù)功能，避免了多缸頂升時(shí)常見的脹缸事故[5]。

3.2 中央控制系統(tǒng)

人機(jī)界面操作單元與電腦互為冗余控制，操作人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)鍵盤實(shí)現(xiàn)攪拌設(shè)備生產(chǎn)的全過(guò)程控制與管理。 組合聯(lián)體型控制柜（包括開關(guān)柜、動(dòng)力柜、儀表繼電器柜和PLC 柜），中央控制系統(tǒng)電器元件采用進(jìn)口品牌優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，主要有西門子、施耐德、歐姆龍等公司產(chǎn)品。 在生產(chǎn)過(guò)程中采用PLC 進(jìn)行全自動(dòng)控制、操作簡(jiǎn)單、直觀且運(yùn)行可靠。 在各種工況下均可采用手動(dòng)方式進(jìn)行各項(xiàng)干預(yù)操作，大大方便了施工。

3.2.1 全電腦+人機(jī)界面設(shè)備控制及管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括：（1）可編程控制器（顯示計(jì)量狀態(tài)及數(shù)據(jù)）；（2）人機(jī)界面動(dòng)畫操作單元（顯示設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行生產(chǎn)操作）；（3）高檔工業(yè)專用計(jì)算機(jī)（19 英寸液晶監(jiān)視器）。

3.2.2 全電腦系統(tǒng)控制功能

該系統(tǒng)包括：（1）動(dòng)力控制；（2）自動(dòng)供給控制；（3）過(guò)程自動(dòng)控制；（4）生產(chǎn)管理、過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控；（5）故障報(bào)警提示；（6）生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表存儲(chǔ)打印。

3.2.3 設(shè)備視頻監(jiān)控系統(tǒng)

熱再生設(shè)備配套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控， 確保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)正常。 該系統(tǒng)包括：（1）19 英寸液晶監(jiān)視器；（2）4 路數(shù)字網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)；（3）4 個(gè)高清攝像頭。

3.3 同步頂升技術(shù)工序流程分析

現(xiàn)場(chǎng)施工工序流程見圖3。

圖3 工藝流程圖

4 PLC 同步頂升系統(tǒng)實(shí)施

4.1 橋墩截?cái)辔恢么_定

通過(guò)有限元分析，結(jié)構(gòu)在自重、整體升降溫及溫度梯度作用下，橋墩不產(chǎn)生彎矩。 橋墩彎矩僅在車輛荷載、制動(dòng)力作用下產(chǎn)生，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，作用基本組合下墩頂位置彎矩最大彎矩組合為678 kN·m, 墩底位置最大彎矩組合為769.4 kN·m。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將橋墩切割位置選擇在彎矩組合較小的位置，即靠近墩頂100 cm 附近。在橋梁頂升時(shí)，梁體預(yù)留100 cm 橋墩混凝土，在自重作用下處于軸心受拉狀態(tài)，其最不利截面處混凝土裂縫大小為2.21×10-3 mm, 可認(rèn)為其處于未開裂狀態(tài)，所以將橋墩切割位置定于墩頂100 cm 處（圖4、5）。

圖4 成橋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型圖

圖5 橋墩截?cái)辔恢?/p>

4.2 千斤頂參數(shù)選用與布置

采用100 t 雙作用液壓千斤頂， 液壓頂升斤頂選用參數(shù)：100 t、63 MPa、高200 mm、底徑240 mm、行程最大120 mm。 每個(gè)臨時(shí)支架上布置2 臺(tái)，可以提供200 t 頂力，單個(gè)橋臺(tái)布置3 臺(tái)千斤頂。千斤頂具有液控平衡閥， 可以防止落梁過(guò)程中的突然液壓失控。 橋梁重量約為559.75 t,全部千斤頂頂力1 400 t，千斤頂頂力安全儲(chǔ)備系數(shù)為2.5 倍（圖6、7）。

圖6 支架處千斤頂布置圖

4.3 臨時(shí)鋼管支架安裝

全橋共設(shè)置4 個(gè)臨時(shí)鋼管支架，單節(jié)重量約為2.5 t,為保證吊裝過(guò)程安全，本次臨時(shí)支架安裝需采用導(dǎo)鏈吊裝至預(yù)先澆筑的混凝土基礎(chǔ)上。 支架之間通過(guò)法蘭螺栓連接,采用12.6 型槽鋼設(shè)置“目”字型勁性骨架，格內(nèi)分別緊密抱箍矩形墩柱和中間一排6 根φ299 鋼管（圖8、9）。

圖7 橋臺(tái)處千斤頂布置圖

圖8 臨時(shí)支架平面設(shè)計(jì)圖

圖9 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支架搭設(shè)

4.4 整體同步頂升

（1）墩柱混凝土鑿除工作完成后，全面對(duì)橋梁進(jìn)行檢查，將約束橋梁頂升外力全部解除。

（2）將PLC 系統(tǒng)與千斤頂連接好，并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，具體如下：①千斤頂可靠性確認(rèn)：確認(rèn)設(shè)備的密封性，將千斤頂按設(shè)計(jì)頂升力的30%頂起，并現(xiàn)場(chǎng)保壓5 h。②系統(tǒng)可靠性確認(rèn)：為保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)故障和無(wú)泄露， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行24 h 的滿載試驗(yàn)和0～100%滿載循環(huán)試驗(yàn)。

（3） 系統(tǒng)可靠性確認(rèn)無(wú)誤后整體同步提升。①橋梁頂升之前需由監(jiān)控單位在橋面設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的初始坐標(biāo)及高程進(jìn)行測(cè)量和記錄。②在機(jī)械設(shè)備和人工全部就位后， 開始對(duì)橋梁進(jìn)行頂升， 頂升分7 步完成， 單步頂升高度初步確定為6 cm,每步頂升分3 次進(jìn)行，即每次頂升達(dá)到2 cm后應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和橋梁進(jìn)行觀測(cè)記錄，確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行下一次的頂升。 ③單步最后一次頂升可將頂升高度調(diào)整至2.1～2.2 cm， 方便加墊鋼板的放置，頂升完成并確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)異常后，將加工好的加墊鋼板放置到臨時(shí)支架和橋臺(tái)蓋梁上，加墊鋼板頂面和底面必須保持水平。 ④在完成單步最后一次頂升工作后，及時(shí)將支墊鋼板放置到位，對(duì)千斤頂進(jìn)行卸載工作，將橋梁整體平穩(wěn)地落至支墊鋼板上。⑤將千斤頂?shù)幕钊渴栈兀〕銮Ы镯敽?，在其下方放置加墊鋼板，加墊鋼板頂面底面須保持水平，千斤頂下方的加墊鋼板共需放置6 cm 厚。⑥重復(fù)上述步驟③～步驟⑤， 直至箱梁整體頂升升高41 cm，待第七步完成后，橋梁自重全部由鋼墊板承擔(dān)。

（4）落梁。 ①支座安裝完成后，對(duì)千斤頂下的加墊鋼板進(jìn)行調(diào)整， 調(diào)整后應(yīng)保證千斤頂空載時(shí)活塞頂面與梁底間距為6 cm。②調(diào)整到位后，將橋臺(tái)和臨時(shí)支架上的支墊鋼板全部撤除。 ③對(duì)千斤頂全部進(jìn)行同步卸載，卸載過(guò)程按0.5 cm 為一步進(jìn)行控制，待下落1 cm 時(shí)，將千斤頂油閥全部鎖死，防止產(chǎn)生豎向位移，此時(shí)千斤頂活塞行程剩余5 cm，達(dá)到設(shè)計(jì)頂升標(biāo)高，橋臺(tái)處支座與箱梁底面緊密貼合，此時(shí)橋梁凈高為5.15 m，滿足規(guī)范要求。

5 注意事項(xiàng)

在墩柱接高和撤除設(shè)備方面注意以下：（1）將豎向豎筋恢復(fù)其原來(lái)形狀，并將下料好的新鋼防與之焊接， 焊接距離原混凝土鑿除面35 cm 以上，并采取一定的降溫措施，防止燒傷原墩柱混凝土。 焊接長(zhǎng)度不小于10 d（圖10）。 （2）安裝綁扎其余結(jié)構(gòu)鋼筋，并將加工好的鋼模板安裝到位。 （3）將拌制好的C35 高強(qiáng)灌漿料由鋼模板下方進(jìn)料口注入，注入速度需緩慢均勻， 待上方出料口有混合料流出時(shí)，逐個(gè)封閉出料口，最終注滿后，封閉下方進(jìn)料口。 敲擊鋼模板，確認(rèn)內(nèi)部無(wú)空洞后完成灌漿料壓注。 根據(jù)高強(qiáng)灌漿料產(chǎn)品說(shuō)明，待混凝土強(qiáng)度足夠后拆除模板。（4）撤除千斤頂與PLC 設(shè)備，待墩柱強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，將千斤頂回油閥門打開，千斤頂同步回油，千斤頂將不再承擔(dān)梁體重量（圖11）。

圖10 墩柱接高立面圖

圖11 頂升后橋梁

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PLC 同步頂升系統(tǒng)在跨線橋上的實(shí)際應(yīng)用，拓展了橋梁改造的新技術(shù)和新工藝。 PLC 同步頂升設(shè)備通過(guò)計(jì)算機(jī)指令來(lái)控制液壓千斤頂，頂升過(guò)程中保證各臺(tái)液壓千斤頂平移的同步性，可確保頂升時(shí)結(jié)構(gòu)安全。 跨線橋同步頂升40 cm 后，凈高為5.15 m，滿足規(guī)范不小于5 m 的要求，良好地解決了跨線橋橋下凈空的不足問(wèn)題，保證了公路營(yíng)運(yùn)安全。 同時(shí)，隨著PLC 多點(diǎn)同步頂升技術(shù)的逐步完善,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于橋梁提升施工當(dāng)中,且在實(shí)際工程中取得了良好的效果[6]。