某連續(xù)箱梁頂升技術研究
2017-07-17
引言
建筑物的頂升技術在歐美國家有悠久的歷史，特別是在名勝古跡保護方面。我國的頂升技術發(fā)展較晚，50年代頂升技術應用于鐵路橋梁建設中，60年代開始，液壓技術發(fā)展較快，并開始應用于屋面的整體頂升[1]，80年代，液壓技術先后應用于國內眾多的工程項目中。由于橋梁基礎的不均勻沉降，跨線橋橋下凈空的不足，需對橋梁進行改造，從而促使了頂升技術的發(fā)展。
橋梁頂升技術在我國發(fā)展較快，例如廣東省南海市謝疊大橋加固改造工程中，采用牛腿處設置吊籃作為人工作業(yè)平臺，用扁形千斤頂頂升掛梁的方法，成功的實現(xiàn)了謝疊大橋T構掛梁的頂升，取得了良好的經(jīng)濟效益[2]；石黃高速公路K154+992為主線下穿分離式立交橋，上部結構為6孔16m的預應力連續(xù)空心板，于2007年8月順利頂升到位[3]；上海城市外環(huán)線同濟路立交工程中，對吳淞大橋北引橋改建工程的設計和施工中，整孔橋梁頂升技術得到了成功應用，節(jié)省了投資，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[4]；天津市海河綜合開發(fā)起步工程基礎設施建設中，為了滿足舊橋通航凈空的要求，對獅子林老橋采用了同步頂升技術，成功對獅子林老橋進行改造[5]。
本文結合南通通滬大道與東方大道連接線工程箱梁調坡頂升的工程實例，首先研究了其頂升特點、方法及監(jiān)測內容，其次研究了其測點布置及有限元分析，最后將實測數(shù)據(jù)與有限元計算數(shù)據(jù)對比，分析起原因，得出結論。
1、工程概況
通滬大道-東方大道連接線是南部聯(lián)系中心城區(qū)三大片區(qū)，市區(qū)與高速公路的快速通道。為快速連接通滬大道與東方大道，需要對通滬大道進行頂升改造。本次調坡頂升工程的橋梁為兩聯(lián)六跨連續(xù)箱梁，總長180m，每聯(lián)為3×30米，橋面寬度25.5米。在改造中需對通滬大道落地段的橋梁進行整體調坡頂升改造，調整頂升高度為0至4.189米。
2、頂升特點
與以往橋梁頂升相比，本橋的頂升特點主要有以下五個：
（1）頂升規(guī)模大，調坡頂升高度高，頂升高度最高達4.189m，臨時墊塊和頂升支撐多，對支承體系的整體穩(wěn)定性提出了更高的要求，縱橫支撐體系的牢固、不失穩(wěn)至關重要。
（2）頂升中各跨頂升高度不一，對控制系統(tǒng)要求高，頂升控制系統(tǒng)需具備同一個墩同步頂升和不同號墩成線型變化，頂升時需始終保證原有箱梁的線型，需采用角速度一致的等比例調坡頂升。
（3）在頂升和更換墊塊過程中，要防止液壓系統(tǒng)的突然漏油或暴管引起結構物的突然下落，為此要有跟隨裝置始終保證上部結構的絕對安全。
?。?）頂升過程中由于坡度變化，梁的水平位置發(fā)生改變，水平方向長度將會變長，需考慮水平方向變長對結構的影響。
?。?）該橋為箱梁結構，有效的利用現(xiàn)有墩位置處的基礎，同時又不改變橋梁上部結構的傳力體系，需合理選擇支撐布置。
3、頂升方法
橋梁頂升的方法可以分為分段頂升和整體頂升兩種，分段頂升主要用于不同頂升高度的結構，整體頂升法主要用于頂升高度較大，跨度較長的結構[1]。
由于本次頂升的橋梁規(guī)模大，且為連續(xù)梁橋，頂升高度也比較大，故采用整體頂升的方法。利用原承臺和橋臺作為千斤頂?shù)姆戳A（對于承臺放置支承位置不夠的，可在承臺邊植筋加寬承臺），在原承臺上放置鋼支撐，在鋼支撐與箱梁底之間安裝頂升千斤頂（頂升千斤頂邊上需有跟隨保護頂保護），通過PLC電腦同步控制系統(tǒng)，采用角速度一致等比例頂升的方法，整體頂升箱梁上部（千斤頂頂升箱梁的實心部位或通過分配梁來頂升箱梁）的方法來實現(xiàn)抬高橋梁標高，頂升到位后（超高頂升約2mm），對立柱和橋臺進行連接，連接完成后安裝支座并澆筑墊石，支座安裝好后整體下落。
橋梁頂升過程是一個動態(tài)過程，隨著箱梁的提升，箱梁的縱橫向偏差等會發(fā)生相應變化，箱梁的支承點的相對變化對箱梁受力狀態(tài)將會發(fā)生變化。因此實時掌握主橋頂升施工的頂升精度、差異頂升量、被頂升梁體及反力支撐體系的應力變化，評判其安全性至關重要。
4、測點布置
在進行橋梁頂升操作時，為了能夠保證頂升時橋梁受力平衡，需要在橋梁上布置測點進行監(jiān)控。
?。?）在橋面共布設26個靜力水準儀測點，南北兩側墩頂梁體及跨中部位各布置13個測點。
（2）在橋各個箱梁支座位置的南、北側各布置一個拉線式傳感器，共12個測點。
（3）在每個橋墩的同一側布置箱梁頂面上布置一個縱橫向位移監(jiān)測點。
?。?）根據(jù)橋梁結構形式和主梁的截面特征，選擇在支座和跨中截面布點，梁體跨中截面、支點負彎矩截面，每個截面布置8個縱向應變測點，兩個橫向應變測點，并在7#墩梁端頭處縱向、豎向、斜向布設應變花。梁體應力截面分布示意圖見圖1。
圖1 梁體應力截面分布示意圖
?。?）在頂升梁體中部，即4#墩上方橋面上布置智能風速風向儀，對頂升作業(yè)全過程進行風速風向測試，測出橋梁所受風力等級。
5、監(jiān)測內容
為了安全順利的完成橋梁的頂升，做好監(jiān)測是至關重要的，本次橋梁頂升的施工監(jiān)控共分為三個階段：支座墊石切割階段，頂升階段，主橋墩柱施工階段。
頂升工程監(jiān)控數(shù)據(jù)分為報警值（極限值）和預警值兩個監(jiān)控技術指標。其中報警值為主橋頂升精度控制的極限值，預警值取設計文件中對主橋頂升精度控制的極限值的二分之一作為監(jiān)控預警，保證橋梁頂升過程中各個技術指標都達到設計要求，頂升施工安全、順利地進行。
在主橋頂升施工期間，橋梁每個監(jiān)測點均采取了高頻率、自動化監(jiān)測方式，并在頂升施工作業(yè)期間重點監(jiān)測，保證頂升施工全過程的安全、技術達到要求。其具體項目監(jiān)測頻率如下： （1）支座墊石切割期間：梁體、支撐體系應力，主橋風速、風向、風壓實施24小時監(jiān)測。
?。?）頂升期間至頂升完成期間：對橋面標高，梁體、支撐體系應力，主橋風速風向實施24小時監(jiān)測，對結構頂升行程，箱梁縱橫向位移在頂升階段實施實時監(jiān)測。
?。?）主橋墩柱施工期間：對橋面標高，梁體、支撐體系應力，主橋風速風向實施24小時實時監(jiān)測。
6、有限元分析
為了更好的完成橋梁的頂升，使用midas-Civil軟件建立橋梁的有限元模型，并分析橋梁的受力情況，提取出布置測點的理論值，將理論值與實際頂升過程中的實測值對比，防止實際頂升過程中梁板由于受力不均勻發(fā)生開裂，影響工程質量。頂升千斤頂局部受壓計算時，假定局部荷載為千斤頂分擔重力的1.8倍。橋梁模型見圖2，橋梁載受力云圖見圖3。
通過有限元模擬分析，橋梁在空載狀態(tài)下箱型截面的上下邊緣均是受壓，值在-8.3MPa至-0.75MPa之間，考慮C50混凝土抗拉強度標準值為2.65MPa，抗壓強度標準值為32.4MPa，為了防止橋梁頂升過程中引起混凝土開裂，應力監(jiān)測主要以控制拉應力為主。通過模型的細部分析可以查看橋梁在測點處的應力理論值，然后與施工實測值對比，各個截面混凝土應力見圖4。
圖4 各測點應力值（MPa）
由于兩聯(lián)的受力情況基本一樣，這里列出的測點結果只選取其中一聯(lián)三跨的應力值，通過與理論值的對比發(fā)現(xiàn)大部分應力值基本相差不大，誤差均在允許范圍內，沒有超出預警值。經(jīng)過分析認為理論值與實測值的差別主要由以下幾個原因：
?。?）結構本身方面。在進行橋梁頂升時會對支座的附近進行大量的支撐，而這部分支撐對整片梁的應力分布產(chǎn)生影響。頂升過程中標高與線形的改變，導致了應力重分布。
?。?）外界環(huán)境方面。溫度效應的影響；風、周圍汽車振動等；非頂升梁段對頂升梁段的影響。
?。?）有限元模擬方面。有限元模型中支座的模擬與實際支座的差別；材料參數(shù)的設置。
（4）施工及設備方面。施工隊伍的業(yè)務水平，施工中測量的誤差，設備自身的精度。
從主橋整個頂升的過程來看，整個過程中沒有出現(xiàn)過超安全報警值的數(shù)據(jù)狀況，本次調坡頂升工程圓滿竣工主要得益于以下幾個方面：首先是施工方法的合理選擇以及施工人員、設備的水平，其次是測點布置合理，監(jiān)測數(shù)據(jù)的范圍廣，最后是施工過程中誤差的控制以及合理科學的施工組織和管理。
7、結論
相對于橋梁拆除重建，橋梁頂升技術重建節(jié)約很多成本，有重大的經(jīng)濟效益，施工中只有選好施工方法，合理布置測點，運用高水平的技術人員，做好施工組織與管理，以及控制好施工過程中誤差，才能達到預期效果。
隨著頂升設備的不斷智能化和施工技術的不斷提升，橋梁頂升技術在以后工程中應用將會越來越普遍。
