某連續(xù)箱梁頂升技術(shù)研究
2017-07-17
引言
建筑物的頂升技術(shù)在歐美國(guó)家有悠久的歷史，特別是在名勝古跡保護(hù)方面。我國(guó)的頂升技術(shù)發(fā)展較晚，50年代頂升技術(shù)應(yīng)用于鐵路橋梁建設(shè)中，60年代開(kāi)始，液壓技術(shù)發(fā)展較快，并開(kāi)始應(yīng)用于屋面的整體頂升[1]，80年代，液壓技術(shù)先后應(yīng)用于國(guó)內(nèi)眾多的工程項(xiàng)目中。由于橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降，跨線橋橋下凈空的不足，需對(duì)橋梁進(jìn)行改造，從而促使了頂升技術(shù)的發(fā)展。
橋梁頂升技術(shù)在我國(guó)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(shè)置吊籃作為人工作業(yè)平臺(tái)，用扁形千斤頂頂升掛梁的方法，成功的實(shí)現(xiàn)了謝疊大橋T構(gòu)掛梁的頂升，取得了良好的經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)為6孔16m的預(yù)應(yīng)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(jì)路立交工程中，對(duì)吳淞大橋北引橋改建工程的設(shè)計(jì)和施工中，整孔橋梁頂升技術(shù)得到了成功應(yīng)用，節(jié)省了投資，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]；天津市海河綜合開(kāi)發(fā)起步工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，為了滿(mǎn)足舊橋通航凈空的要求，對(duì)獅子林老橋采用了同步頂升技術(shù)，成功對(duì)獅子林老橋進(jìn)行改造[5]。
本文結(jié)合南通通滬大道與東方大道連接線工程箱梁調(diào)坡頂升的工程實(shí)例，首先研究了其頂升特點(diǎn)、方法及監(jiān)測(cè)內(nèi)容，其次研究了其測(cè)點(diǎn)布置及有限元分析，最后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比，分析起原因，得出結(jié)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(duì)通滬大道進(jìn)行頂升改造。本次調(diào)坡頂升工程的橋梁為兩聯(lián)六跨連續(xù)箱梁，總長(zhǎng)180m，每聯(lián)為3×30米，橋面寬度25.5米。在改造中需對(duì)通滬大道落地段的橋梁進(jìn)行整體調(diào)坡頂升改造，調(diào)整頂升高度為0至4.189米。
2、頂升特點(diǎn)
與以往橋梁頂升相比，本橋的頂升特點(diǎn)主要有以下五個(gè)：
?。?）頂升規(guī)模大，調(diào)坡頂升高度高，頂升高度最高達(dá)4.189m，臨時(shí)墊塊和頂升支撐多，對(duì)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(guān)重要。
?。?）頂升中各跨頂升高度不一，對(duì)控制系統(tǒng)要求高，頂升控制系統(tǒng)需具備同一個(gè)墩同步頂升和不同號(hào)墩成線型變化，頂升時(shí)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(diào)坡頂升。
（3）在頂升和更換墊塊過(guò)程中，要防止液壓系統(tǒng)的突然漏油或暴管引起結(jié)構(gòu)物的突然下落，為此要有跟隨裝置始終保證上部結(jié)構(gòu)的絕對(duì)安全。
?。?）頂升過(guò)程中由于坡度變化，梁的水平位置發(fā)生改變，水平方向長(zhǎng)度將會(huì)變長(zhǎng)，需考慮水平方向變長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
（5）該橋?yàn)橄淞航Y(jié)構(gòu)，有效的利用現(xiàn)有墩位置處的基礎(chǔ)，同時(shí)又不改變橋梁上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，整體頂升法主要用于頂升高度較大，跨度較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)[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(tái)和橋臺(tái)作為千斤頂?shù)姆戳A(chǔ)（對(duì)于承臺(tái)放置支承位置不夠的，可在承臺(tái)邊植筋加寬承臺(tái)），在原承臺(tái)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(hù)頂保護(hù)），通過(guò)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(shí)心部位或通過(guò)分配梁來(lái)頂升箱梁）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抬高橋梁標(biāo)高，頂升到位后（超高頂升約2mm），對(duì)立柱和橋臺(tái)進(jìn)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(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著箱梁的提升，箱梁的縱橫向偏差等會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，箱梁的支承點(diǎn)的相對(duì)變化對(duì)箱梁受力狀態(tài)將會(huì)發(fā)生變化。因此實(shí)時(shí)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(yīng)力變化，評(píng)判其安全性至關(guān)重要。
4、測(cè)點(diǎn)布置
在進(jìn)行橋梁頂升操作時(shí)，為了能夠保證頂升時(shí)橋梁受力平衡，需要在橋梁上布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。
?。?）在橋面共布設(shè)26個(gè)靜力水準(zhǔn)儀測(cè)點(diǎn)，南北兩側(cè)墩頂梁體及跨中部位各布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)。
?。?）在橋各個(gè)箱梁支座位置的南、北側(cè)各布置一個(gè)拉線式傳感器，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)。
（3）在每個(gè)橋墩的同一側(cè)布置箱梁頂面上布置一個(gè)縱橫向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
?。?）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式和主梁的截面特征，選擇在支座和跨中截面布點(diǎn)，梁體跨中截面、支點(diǎn)負(fù)彎矩截面，每個(gè)截面布置8個(gè)縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，并在7#墩梁端頭處縱向、豎向、斜向布設(shè)應(yīng)變花。梁體應(yīng)力截面分布示意圖見(jiàn)圖1。
圖1 梁體應(yīng)力截面分布示意圖
（5）在頂升梁體中部，即4#墩上方橋面上布置智能風(fēng)速風(fēng)向儀，對(duì)頂升作業(yè)全過(guò)程進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試，測(cè)出橋梁所受風(fēng)力等級(jí)。
5、監(jiān)測(cè)內(nèi)容
為了安全順利的完成橋梁的頂升，做好監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的，本次橋梁頂升的施工監(jiān)控共分為三個(gè)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?cái)?shù)據(jù)分為報(bào)警值（極限值）和預(yù)警值兩個(gè)監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)。其中報(bào)警值為主橋頂升精度控制的極限值，預(yù)警值取設(shè)計(jì)文件中對(duì)主橋頂升精度控制的極限值的二分之一作為監(jiān)控預(yù)警，保證橋梁頂升過(guò)程中各個(gè)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，頂升施工安全、順利地進(jìn)行。
在主橋頂升施工期間，橋梁每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均采取了高頻率、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，并在頂升施工作業(yè)期間重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，保證頂升施工全過(guò)程的安全、技術(shù)達(dá)到要求。其具體項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率如下： （1）支座墊石切割期間：梁體、支撐體系應(yīng)力，主橋風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)壓實(shí)施24小時(shí)監(jiān)測(cè)。
?。?）頂升期間至頂升完成期間：對(duì)橋面標(biāo)高，梁體、支撐體系應(yīng)力，主橋風(fēng)速風(fēng)向?qū)嵤?4小時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)頂升行程，箱梁縱橫向位移在頂升階段實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
?。?）主橋墩柱施工期間：對(duì)橋面標(biāo)高，梁體、支撐體系應(yīng)力，主橋風(fēng)速風(fēng)向?qū)嵤?4小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
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(cè)點(diǎn)的理論值，將理論值與實(shí)際頂升過(guò)程中的實(shí)測(cè)值對(duì)比，防止實(shí)際頂升過(guò)程中梁板由于受力不均勻發(fā)生開(kāi)裂，影響工程質(zhì)量。頂升千斤頂局部受壓計(jì)算時(shí)，假定局部荷載為千斤頂分擔(dān)重力的1.8倍。橋梁模型見(jiàn)圖2，橋梁載受力云圖見(jiàn)圖3。
通過(guò)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.65MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4MPa，為了防止橋梁頂升過(guò)程中引起混凝土開(kāi)裂，應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要以控制拉應(yīng)力為主。通過(guò)模型的細(xì)部分析可以查看橋梁在測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力理論值，然后與施工實(shí)測(cè)值對(duì)比，各個(gè)截面混凝土應(yīng)力見(jiàn)圖4。
圖4 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值（MPa）
由于兩聯(lián)的受力情況基本一樣，這里列出的測(cè)點(diǎn)結(jié)果只選取其中一聯(lián)三跨的應(yīng)力值，通過(guò)與理論值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)大部分應(yīng)力值基本相差不大，誤差均在允許范圍內(nèi)，沒(méi)有超出預(yù)警值。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為理論值與實(shí)測(cè)值的差別主要由以下幾個(gè)原因：
?。?）結(jié)構(gòu)本身方面。在進(jìn)行橋梁頂升時(shí)會(huì)對(duì)支座的附近進(jìn)行大量的支撐，而這部分支撐對(duì)整片梁的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。頂升過(guò)程中標(biāo)高與線形的改變，導(dǎo)致了應(yīng)力重分布。
（2）外界環(huán)境方面。溫度效應(yīng)的影響；風(fēng)、周?chē)?chē)振動(dòng)等；非頂升梁段對(duì)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(shí)際支座的差別；材料參數(shù)的設(shè)置。
?。?）施工及設(shè)備方面。施工隊(duì)伍的業(yè)務(wù)水平，施工中測(cè)量的誤差，設(shè)備自身的精度。
從主橋整個(gè)頂升的過(guò)程來(lái)看，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)超安全報(bào)警值的數(shù)據(jù)狀況，本次調(diào)坡頂升工程圓滿(mǎn)竣工主要得益于以下幾個(gè)方面：首先是施工方法的合理選擇以及施工人員、設(shè)備的水平，其次是測(cè)點(diǎn)布置合理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的范圍廣，最后是施工過(guò)程中誤差的控制以及合理科學(xué)的施工組織和管理。
7、結(jié)論
相對(duì)于橋梁拆除重建，橋梁頂升技術(shù)重建節(jié)約很多成本，有重大的經(jīng)濟(jì)效益，施工中只有選好施工方法，合理布置測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用高水平的技術(shù)人員，做好施工組織與管理，以及控制好施工過(guò)程中誤差，才能達(dá)到預(yù)期效果。
隨著頂升設(shè)備的不斷智能化和施工技術(shù)的不斷提升，橋梁頂升技術(shù)在以后工程中應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越普遍。
