某连续箱梁顶升技术研究
2017-07-17
引言
建筑物的顶升技术在欧美国家有悠久的历史，特别是在名胜古迹保护方面。我国的顶升技术发展较晚，50年代顶升技术应用于铁路桥梁建设中，60年代开始，液压技术发展较快，并开始应用于屋面的整体顶升[1]，80年代，液压技术先后应用于国内众多的工程项目中。由于桥梁基础的不均匀沉降，跨线桥桥下净空的不足，需对桥梁进行改造，从而促使了顶升技术的发展。
桥梁顶升技术在我国发展较快，例如广东省南海市谢叠大桥加固改造工程中，采用牛腿处设置吊篮作为人工作业平台，用扁形千斤顶顶升挂梁的方法，成功的实现了谢叠大桥T构挂梁的顶升，取得了良好的经济效益[2]；石黄高速公路K154+992为主线下穿分离式立交桥，上部结构为6孔16m的预应力连续空心板，于2007年8月顺利顶升到位[3]；上海城市外环线同济路立交工程中，对吴淞大桥北引桥改建工程的设计和施工中，整孔桥梁顶升技术得到了成功应用，节省了投资，取得了良好的社会效益和经济效益[4]；天津市海河综合开发起步工程基础设施建设中，为了满足旧桥通航净空的要求，对狮子林老桥采用了同步顶升技术，成功对狮子林老桥进行改造[5]。
本文结合南通通沪大道与东方大道连接线工程箱梁调坡顶升的工程实例，首先研究了其顶升特点、方法及监测内容，其次研究了其测点布置及有限元分析，最后将实测数据与有限元计算数据对比，分析起原因，得出结论。
1、工程概况
通沪大道-东方大道连接线是南部联系中心城区三大片区，市区与高速公路的快速通道。为快速连接通沪大道与东方大道，需要对通沪大道进行顶升改造。本次调坡顶升工程的桥梁为两联六跨连续箱梁，总长180m，每联为3×30米，桥面宽度25.5米。在改造中需对通沪大道落地段的桥梁进行整体调坡顶升改造，调整顶升高度为0至4.189米。
2、顶升特点
与以往桥梁顶升相比，本桥的顶升特点主要有以下五个：
（1）顶升规模大，调坡顶升高度高，顶升高度最高达4.189m，临时垫块和顶升支撑多，对支承体系的整体稳定性提出了更高的要求，纵横支撑体系的牢固、不失稳至关重要。
（2）顶升中各跨顶升高度不一，对控制系统要求高，顶升控制系统需具备同一个墩同步顶升和不同号墩成线型变化，顶升时需始终保证原有箱梁的线型，需采用角速度一致的等比例调坡顶升。
（3）在顶升和更换垫块过程中，要防止液压系统的突然漏油或暴管引起结构物的突然下落，为此要有跟随装置始终保证上部结构的绝对安全。
（4）顶升过程中由于坡度变化，梁的水平位置发生改变，水平方向长度将会变长，需考虑水平方向变长对结构的影响。
（5）该桥为箱梁结构，有效的利用现有墩位置处的基础，同时又不改变桥梁上部结构的传力体系，需合理选择支撑布置。
3、顶升方法
桥梁顶升的方法可以分为分段顶升和整体顶升两种，分段顶升主要用于不同顶升高度的结构，整体顶升法主要用于顶升高度较大，跨度较长的结构[1]。
由于本次顶升的桥梁规模大，且为连续梁桥，顶升高度也比较大，故采用整体顶升的方法。利用原承台和桥台作为千斤顶的反力基础（对于承台放置支承位置不够的，可在承台边植筋加宽承台），在原承台上放置钢支撑，在钢支撑与箱梁底之间安装顶升千斤顶（顶升千斤顶边上需有跟随保护顶保护），通过PLC电脑同步控制系统，采用角速度一致等比例顶升的方法，整体顶升箱梁上部（千斤顶顶升箱梁的实心部位或通过分配梁来顶升箱梁）的方法来实现抬高桥梁标高，顶升到位后（超高顶升约2mm），对立柱和桥台进行连接，连接完成后安装支座并浇筑垫石，支座安装好后整体下落。
桥梁顶升过程是一个动态过程，随着箱梁的提升，箱梁的纵横向偏差等会发生相应变化，箱梁的支承点的相对变化对箱梁受力状态将会发生变化。因此实时掌握主桥顶升施工的顶升精度、差异顶升量、被顶升梁体及反力支撑体系的应力变化，评判其安全性至关重要。
4、测点布置
在进行桥梁顶升操作时，为了能够保证顶升时桥梁受力平衡，需要在桥梁上布置测点进行监控。
（1）在桥面共布设26个静力水准仪测点，南北两侧墩顶梁体及跨中部位各布置13个测点。
（2）在桥各个箱梁支座位置的南、北侧各布置一个拉线式传感器，共12个测点。
（3）在每个桥墩的同一侧布置箱梁顶面上布置一个纵横向位移监测点。
（4）根据桥梁结构形式和主梁的截面特征，选择在支座和跨中截面布点，梁体跨中截面、支点负弯矩截面，每个截面布置8个纵向应变测点，两个横向应变测点，并在7#墩梁端头处纵向、竖向、斜向布设应变花。梁体应力截面分布示意图见图1。
图1 梁体应力截面分布示意图
（5）在顶升梁体中部，即4#墩上方桥面上布置智能风速风向仪，对顶升作业全过程进行风速风向测试，测出桥梁所受风力等级。
5、监测内容
为了安全顺利的完成桥梁的顶升，做好监测是至关重要的，本次桥梁顶升的施工监控共分为三个阶段：支座垫石切割阶段，顶升阶段，主桥墩柱施工阶段。
顶升工程监控数据分为报警值（极限值）和预警值两个监控技术指标。其中报警值为主桥顶升精度控制的极限值，预警值取设计文件中对主桥顶升精度控制的极限值的二分之一作为监控预警，保证桥梁顶升过程中各个技术指标都达到设计要求，顶升施工安全、顺利地进行。
在主桥顶升施工期间，桥梁每个监测点均采取了高频率、自动化监测方式，并在顶升施工作业期间重点监测，保证顶升施工全过程的安全、技术达到要求。其具体项目监测频率如下： （1）支座垫石切割期间：梁体、支撑体系应力，主桥风速、风向、风压实施24小时监测。
（2）顶升期间至顶升完成期间：对桥面标高，梁体、支撑体系应力，主桥风速风向实施24小时监测，对结构顶升行程，箱梁纵横向位移在顶升阶段实施实时监测。
（3）主桥墩柱施工期间：对桥面标高，梁体、支撑体系应力，主桥风速风向实施24小时实时监测。
6、有限元分析
为了更好的完成桥梁的顶升，使用midas-Civil软件建立桥梁的有限元模型，并分析桥梁的受力情况，提取出布置测点的理论值，将理论值与实际顶升过程中的实测值对比，防止实际顶升过程中梁板由于受力不均匀发生开裂，影响工程质量。顶升千斤顶局部受压计算时，假定局部荷载为千斤顶分担重力的1.8倍。桥梁模型见图2，桥梁载受力云图见图3。
通过有限元模拟分析，桥梁在空载状态下箱型截面的上下边缘均是受压，值在-8.3MPa至-0.75MPa之间，考虑C50混凝土抗拉强度标准值为2.65MPa，抗压强度标准值为32.4MPa，为了防止桥梁顶升过程中引起混凝土开裂，应力监测主要以控制拉应力为主。通过模型的细部分析可以查看桥梁在测点处的应力理论值，然后与施工实测值对比，各个截面混凝土应力见图4。
图4 各测点应力值（MPa）
由于两联的受力情况基本一样，这里列出的测点结果只选取其中一联三跨的应力值，通过与理论值的对比发现大部分应力值基本相差不大，误差均在允许范围内，没有超出预警值。经过分析认为理论值与实测值的差别主要由以下几个原因：
（1）结构本身方面。在进行桥梁顶升时会对支座的附近进行大量的支撑，而这部分支撑对整片梁的应力分布产生影响。顶升过程中标高与线形的改变，导致了应力重分布。
（2）外界环境方面。温度效应的影响；风、周围汽车振动等；非顶升梁段对顶升梁段的影响。
（3）有限元模拟方面。有限元模型中支座的模拟与实际支座的差别；材料参数的设置。
（4）施工及设备方面。施工队伍的业务水平，施工中测量的误差，设备自身的精度。
从主桥整个顶升的过程来看，整个过程中没有出现过超安全报警值的数据状况，本次调坡顶升工程圆满竣工主要得益于以下几个方面：首先是施工方法的合理选择以及施工人员、设备的水平，其次是测点布置合理，监测数据的范围广，最后是施工过程中误差的控制以及合理科学的施工组织和管理。
7、结论
相对于桥梁拆除重建，桥梁顶升技术重建节约很多成本，有重大的经济效益，施工中只有选好施工方法，合理布置测点，运用高水平的技术人员，做好施工组织与管理，以及控制好施工过程中误差，才能达到预期效果。
随着顶升设备的不断智能化和施工技术的不断提升，桥梁顶升技术在以后工程中应用将会越来越普遍。
