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)在歐美國家有悠久的歷史，特別是在名勝古跡保護(hù)方面。我國的頂升技術(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年代開始，液壓技術(shù)發(fā)展較快，并開始應(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，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，對吳淞大橋北引橋改建工程的設(shè)計和施工中，整孔橋梁頂升技術(shù)得到了成功應(yīng)用，節(jié)省了投資，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]；天津市海河綜合開發(fā)起步工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shù)，成功對獅子林老橋進(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)測內(nèi)容，其次研究了其測點(diǎn)布置及有限元分析，最后將實(shí)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(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(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：
?。?）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(guān)重要。
?。?）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(diào)坡頂升。
?。?）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(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(jié)構(gòu)的影響。
?。?）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。利用原承臺和橋臺作為千斤頂?shù)姆戳A(chǔ)（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(hù)頂保護(hù)），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(shí)心部位或通過分配梁來頂升箱梁）的方法來實(shí)現(xiàn)抬高橋梁標(biāo)高，頂升到位后（超高頂升約2mm），對立柱和橋臺進(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(yīng)變化，箱梁的支承點(diǎn)的相對變化對箱梁受力狀態(tài)將會發(fā)生變化。因此實(shí)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(yīng)力變化，評判其安全性至關(guān)重要。
4、測點(diǎn)布置
在進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。
?。?）在橋面共布設(shè)26個靜力水準(zhǔn)儀測點(diǎn)，南北兩側(cè)墩頂梁體及跨中部位各布置13個測點(diǎn)。
?。?）在橋各個箱梁支座位置的南、北側(cè)各布置一個拉線式傳感器，共12個測點(diǎn)。
（3）在每個橋墩的同一側(cè)布置箱梁頂面上布置一個縱橫向位移監(jiān)測點(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，每個截面布置8個縱向應(yīng)變測點(diǎn)，兩個橫向應(yīng)變測點(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圖1。
圖1 梁體應(yīng)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(fēng)速風(fēng)向儀，對頂升作業(yè)全過程進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測試，測出橋梁所受風(fēng)力等級。
5、監(jiān)測內(nèi)容
為了安全順利的完成橋梁的頂升，做好監(jiān)測是至關(guān)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(yù)警值兩個監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)。其中報警值為主橋頂升精度控制的極限值，預(yù)警值取設(shè)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(yù)警，保證橋梁頂升過程中各個技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計要求，頂升施工安全、順利地進(jìn)行。
在主橋頂升施工期間，橋梁每個監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)監(jiān)測，保證頂升施工全過程的安全、技術(shù)達(dá)到要求。其具體項(xiàng)目監(jiān)測頻率如下： （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小時監(jiān)測。
?。?）頂升期間至頂升完成期間：對橋面標(biāo)高，梁體、支撐體系應(yīng)力，主橋風(fēng)速風(fēng)向?qū)嵤?4小時監(jiān)測，對結(jié)構(gòu)頂升行程，箱梁縱橫向位移在頂升階段實(shí)施實(shí)時監(jiān)測。
（3）主橋墩柱施工期間：對橋面標(biāo)高，梁體、支撐體系應(yīng)力，主橋風(fēng)速風(fēng)向?qū)嵤?4小時實(shí)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(diǎn)的理論值，將理論值與實(shí)際頂升過程中的實(shí)測值對比，防止實(shí)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(zhì)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(dān)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(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程中引起混凝土開裂，應(yīng)力監(jiān)測主要以控制拉應(yīng)力為主。通過模型的細(xì)部分析可以查看橋梁在測點(diǎn)處的應(yīng)力理論值，然后與施工實(shí)測值對比，各個截面混凝土應(yīng)力見圖4。
圖4 各測點(diǎn)應(yīng)力值（MPa）
由于兩聯(lián)的受力情況基本一樣，這里列出的測點(diǎn)結(jié)果只選取其中一聯(lián)三跨的應(yīng)力值，通過與理論值的對比發(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)，沒有超出預(yù)警值。經(jīng)過分析認(rèn)為理論值與實(shí)測值的差別主要由以下幾個原因：
?。?）結(jié)構(gòu)本身方面。在進(jìn)行橋梁頂升時會對支座的附近進(jìn)行大量的支撐，而這部分支撐對整片梁的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。頂升過程中標(biāo)高與線形的改變，導(dǎo)致了應(yīng)力重分布。
?。?）外界環(huán)境方面。溫度效應(yīng)的影響；風(fēng)、周圍汽車振動等；非頂升梁段對頂升梁段的影響。
（3）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。
（4）施工及設(shè)備方面。施工隊伍的業(yè)務(wù)水平，施工中測量的誤差，設(shè)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(diào)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(shè)備的水平，其次是測點(diǎn)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(xué)的施工組織和管理。
7、結(jié)論
相對于橋梁拆除重建，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)用將會越來越普遍。
