上海市中環(huán)高架病害支座頂升更換施工技術(shù)

蔣巖峰

（上海先為土木工程有限公司，上海市 200000）

0 引 言

我國(guó)許多大中小型城市自20 世紀(jì)80 年代開始逐步著手規(guī)劃城市高架橋梁道路，一方面一定程度上是為了緩解交通出行壓力；另一方面由于高架橋梁道路不與其他公路、鐵路發(fā)生平面交叉，有利于提高城市交通效率，減少城市道路的占地面積[1]。截至目前，我國(guó)已建成大規(guī)模城市高架約1 000 座，三線、四線城市也開始在城市鬧市區(qū)建設(shè)小規(guī)模的高架橋來(lái)緩解交通壓力[2]。

然而，高架橋梁結(jié)構(gòu)壽命與設(shè)計(jì)年限、維護(hù)力度、現(xiàn)場(chǎng)條件、施工狀況密不可分。根據(jù)2016 年度上海中環(huán)高架橋梁檢測(cè)報(bào)告[3]，發(fā)現(xiàn)中環(huán)線浦西段主線和匝道總計(jì)28 聯(lián)中存在各式各樣的支座病害。當(dāng)支座產(chǎn)生病害后，不能將反力順利傳遞給下部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖式不符。即使在恒載作用下，也會(huì)使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力。再加上活載作用、溫度作用等影響，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)，甚至使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫，可能會(huì)對(duì)橋梁的正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[4]。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

中環(huán)線以客運(yùn)交通為主，是一條介于內(nèi)、外環(huán)線之間，具有分擔(dān)內(nèi)、外環(huán)線交通流量功能的城市環(huán)行快速路。全線長(zhǎng)約70 km，其中浦西段（軍工路隧道至上中路隧道）長(zhǎng)38.2 km。軍工路立交—虹梅路立交于2005 年前后陸續(xù)分段通車，虹梅路立交—上中路隧道于2009 年前后通車。

上海中環(huán)線高架主線橋梁主要采用箱型混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)梁形式，在匝道處有部分使用到鋼箱梁和混凝土連續(xù)箱梁。

上海中環(huán)線作為上海市中心城區(qū)的快速交通的主干道，交通通行繁忙、車流量大。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)單位發(fā)現(xiàn)部分支座出現(xiàn)病害現(xiàn)象，影響橋梁墩臺(tái)和梁體受力狀態(tài)。

1.2 支座病害狀況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，高架道路橋梁支座形式主要為XQZ 球型鋼支座和板式橡膠支座。其中，XQZ 球型鋼支座用于主線魚腹式箱梁結(jié)構(gòu)，板式橡膠支座用于匝道。

在用的XQZ 球型支座主要病害類型如下：（1）支座滑板脫出；（2）支座球冠襯板轉(zhuǎn)動(dòng)超限；（3）支座構(gòu)件產(chǎn)生較大變形；（4）支座與梁墩不密貼；（5）支座構(gòu)件出現(xiàn)裂紋。

在用的板式橡膠支座出現(xiàn)的主要病害類型如下：（1）剪切變形；（2）老化開裂；（3）橡膠分層。

1.3 限位形式

因?yàn)橹协h(huán)高架設(shè)計(jì)時(shí)分幾個(gè)標(biāo)段，南線整體式道路段限位形式為鋼結(jié)構(gòu)限位，北線分離式道路段限位形式為混凝土擋塊限位，混凝土限位擋塊截面采取30 cm×30 cm。

1.4 頂升難點(diǎn)分析

本工程屬既有中環(huán)線病害處置工程。施工期間不中斷公路的交通是基本要求。因此，本工程具有工期緊、文明施工標(biāo)準(zhǔn)要求高、施工期間需確保既有交通暢通等要求。下面為本工程頂升實(shí)施的主要難點(diǎn)：

（1）現(xiàn)有中環(huán)線墩柱高度較高（6～38 m），且各墩柱周邊路況不盡相同，施工平臺(tái)選擇和搭設(shè)需靈活、式樣多變。

（2）墩頂尺寸較小，支座又較大，且上墊石到立柱墩頂?shù)木嚯x最小凈空僅有9 cm。常規(guī)雙作用超薄頂多為150 t，高度在15～20 cm。既不能滿足墩頂狹小凈空布置，又不能保證頂升足夠的安全系數(shù)。

（3）原箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)抗不均勻沉降能力較弱，且立柱頂端為橫橋向花瓶式懸挑，單墩頂升千斤頂布置需滿足受力要求。

（4）中環(huán)線車輛密集、人流較大，需確保對(duì)橋梁上下交通影響降到最小。

2 頂升方案設(shè)計(jì)

城市高架橋梁因?yàn)槿藛T密集性較強(qiáng)，一旦頂升方案不能順利實(shí)施造成交通中斷，則會(huì)引起連鎖性惡化反應(yīng)，所以施工方案必須滿足快速化、簡(jiǎn)易化、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。頂升時(shí)計(jì)劃以單墩頂升、逐墩更換一聯(lián)中的所有支座，這樣更能保證工程的可實(shí)施性。

2.1 單墩頂升方案分析

單墩頂升即只在單墩柱配置千斤頂，上部橋梁結(jié)構(gòu)只有單點(diǎn)做出位移姿態(tài)。由于本工程主要為病害支座更換，頂升高度約為15 mm 左右，就能夠取出病害支座。這給橋梁能夠單墩頂升創(chuàng)造了可行性條件。單墩頂升對(duì)箱梁能夠承受不均勻沉降要求較高，由于頂升跨既要承受原來(lái)支座頂升力，還要考慮承受相鄰跨對(duì)頂升墩的反力附加，對(duì)研究計(jì)算結(jié)果要求也較高。圖1 為整體式道路選取了ZN0012-ZN0015 聯(lián)計(jì)算模型為例，整聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)3 跨（35 m+38 m+35 m），橋梁橫寬30.5 m。主梁采用6 自由度梁?jiǎn)卧?，各墩處為二支座約束。

圖1 整體式道路單墩頂升計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算，連續(xù)墩單個(gè)支座支反力約為356 t，連續(xù)墩約為1 268.7 t。圖2 至圖5 為頂升前后應(yīng)力圖。

圖2 主梁截面頂升前上緣正應(yīng)力（單位：MP a）

圖5 頂升20 mm 后主梁下緣截面正應(yīng)力包絡(luò)圖

計(jì)算結(jié)果表明，竣工15 a 后，主梁截面上下緣正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其平均值約為4 MPa。支點(diǎn)不均勻豎向變位（頂升）20 mm 的主梁截面上下緣最大正應(yīng)力約±2.5 MPa，均小于主梁的恒載應(yīng)力。兩者組合后，主梁上下緣除局部有0.3 MPa 拉應(yīng)力外，其余均為壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

圖3 運(yùn)營(yíng)主梁截面頂升前下緣正應(yīng)力（單位：MP a）

圖4 頂升20 mm 后主梁上緣截面正應(yīng)力包絡(luò)圖

2.2 500 t 三連桿超薄千斤頂

顧名思義，超薄千斤頂是一種千斤頂缸體高度相對(duì)較低液壓千斤頂。由于其體積小、布置相對(duì)靈活，一般可設(shè)在上部梁體和蓋梁、上部梁體和墩柱之間，在PLC 液壓同步控制系統(tǒng)控制下多點(diǎn)同步位移、速度頂升到指定位置。本次待頂升的最大支反力近1 500 t，而常用的超薄千斤頂?shù)膰嵨淮蠖嘣?～150 t，在考慮一定安全系數(shù)情況（大于1.5）的基礎(chǔ)上需要至少15 臺(tái)超薄千斤頂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，墩柱頂面可供布置面積不滿足。所以在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了500 t三連桿超薄液壓千斤頂，如圖6 所示。這種超薄千斤頂在構(gòu)造上采用缸壁共用原則，極大地增大了噸位和底面積之比，如表1 所示。

表1 常見的超薄頂規(guī)格與本次研制千斤頂參數(shù)對(duì)比

圖6 500 t 三連桿超薄液壓千斤頂

當(dāng)超薄液壓千斤頂完成頂升時(shí)，為了防止油缸回落，常在千斤頂側(cè)壁四周安裝鋼箱保壓墊塊作為臨時(shí)支撐。而本工程由于墩頂面積較小，不滿足布置保壓鋼箱墊塊的條件，故利用缸體與上接觸鋼箱墊塊的空隙中加塞組合異性鋼板臨時(shí)支撐保壓，如圖7所示。

圖7 組合異性墊塊

2.3 墩柱抗劈裂和上墊石接寬驗(yàn)算

2.3.1 墩柱抗劈裂驗(yàn)算

仍然以ZN0012-ZN0015 聯(lián)墩柱（見圖8）為計(jì)算模型。連續(xù)墩每個(gè)立柱頂為單個(gè)支座，根據(jù)2.1 節(jié)計(jì)算單支座計(jì)算反力，橫橋向兩側(cè)布置4 臺(tái)500 t 千斤頂（見圖9）；交界墩每個(gè)立柱頂為2 個(gè)支座，僅在頂升聯(lián)側(cè)支座順橋向兩側(cè)布置2 臺(tái)500 t 千斤頂。由于結(jié)構(gòu)自重反力計(jì)算與實(shí)際自重存在偏差，以及千斤頂反力的不均勻性，故取1.2 分項(xiàng)系數(shù)。

圖8 墩柱抗劈裂計(jì)算模型

圖9 千斤頂布置在支座順橋向兩側(cè)（單位：mm）

單點(diǎn)頂升時(shí)，千斤頂頂升反力是該支點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)恒載反力+頂升強(qiáng)迫位移附加反力，如表2 所示。

表2 墩頂計(jì)算反力計(jì)算表

經(jīng)過(guò)計(jì)算，立柱混凝土在千斤頂反力作用下，除墩頂局部范圍有3 MPa 拉應(yīng)力外，其余部位拉應(yīng)力均小于1.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

2.3.2 上墊石加寬墊塊驗(yàn)算

千斤頂在安裝時(shí)需上下頂升接觸面平整精度高，避免產(chǎn)生水平分力而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移。本工程支座受力方式為：上部梁體—上墊石—支座—墩柱。由于受墩頂平面狹小限制，為了防止墩柱發(fā)生劈裂，頂升時(shí)超薄千斤頂要盡量貼近原病害支座。又從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，上墊石突出原支座富余量在3～10 cm左右，超薄千斤頂寬20 cm。所以要對(duì)上墊石進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓酀{接寬。

（1）上墊石直接加寬

當(dāng)考慮上墊石在原墊石的基礎(chǔ)上，直接在頂升一側(cè)邊加寬，如圖12 所示，千斤頂承力柱和上墊石底部墊一塊20 mm 的鋼板。計(jì)算表明，原墊塊壓應(yīng)力均超過(guò)C50 混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度（見圖10、圖11），如果直接頂升原上墊石部分，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 上墊石直接接寬千斤頂布置

圖11 原墊塊von-Mis e s 應(yīng)力圖（單位：MP a）

（2）鑿除部分原上墊石鋼箱墊塊加寬

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出上墊石直接接寬不滿足頂升要求，所以優(yōu)先選擇用水鉆鑿除原上墊石部分突出位置，采用鋼箱墊塊接寬，鋼板鋼底板厚10 mm，四周側(cè)板厚8 mm，鋼材Q345B。箱內(nèi)灌注M50 水泥灌漿料。千斤頂上加一塊25 mm 厚墊板。箱內(nèi)灌漿料應(yīng)力云圖如圖12 所示，墊塊與千斤頂接觸部位的水泥灌漿料應(yīng)力達(dá)36 MPa，接近水泥灌漿料的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。考慮鋼箱約束混凝土效應(yīng)，可以認(rèn)為滿足要求。

圖12 墊塊內(nèi)水泥灌漿料von-Mis e s 應(yīng)力圖（單位：MP a）

3 支座快速化更換施工設(shè)計(jì)

3.1 液壓升降車施工平臺(tái)

中環(huán)線路況較為復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境更為頂升施工平臺(tái)的搭設(shè)帶來(lái)了較大的難題。為了解決這一現(xiàn)狀，我司自制液壓升降車能靈活布置在各式墩柱側(cè)壁。液壓車平面尺寸約為2.0 m×2.0 m（不含支腿），液壓升降車升降可做到15 m，可完成超過(guò)中環(huán)近50%墩柱病害支座更換任務(wù)。液壓車可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)墩柱施工要求布置。多數(shù)病害支座的牽拉和安裝都是從縱橋向而出，而且屆時(shí)病害支座更換時(shí)，當(dāng)順橋向存在綠化帶的需提前搬運(yùn)，開挖并砂石回填夯實(shí)，使得硬化高度與道路路面齊平。因?yàn)槎罩鶠樯蠈捪抡ㄆ渴蕉?，液壓升降車一?cè)輪胎壓在行車路面，另一側(cè)輪胎壓在綠化帶內(nèi)新回填夯實(shí)的基礎(chǔ)內(nèi)。圖13 為分離式道路墩柱液壓升降車施工示意圖。

圖13 分離式道路墩柱液壓升降車施工示意圖（單位：mm）

3.2 病害支座倒鏈牽拉法

現(xiàn)場(chǎng)最大支座為盆式鋼支座，長(zhǎng)1.1 m，寬1 m，高0.22 m，重約2 t。普通鋼板與混凝土接觸面的摩擦系數(shù)一般最大取值，約為0.6，最大力牽拉約為1.2 t。可在墩柱側(cè)壁植筋M16 化學(xué)螺栓安裝鋼結(jié)構(gòu)牛腿。鋼結(jié)構(gòu)牛腿用25a 工字鋼焊接（見圖14）。另外一側(cè)采用柱式鋼結(jié)構(gòu)與液壓車上平面相連接。牽拉時(shí)可提前在病害支座上頂板或下底板焊接耳板拉孔。待頂升1.5 cm 后，采用手拉葫蘆一側(cè)拉鉤緊鉤焊接耳板孔，另一側(cè)緊鉤鋼牛腿后背反力板即可拉出。當(dāng)拉出病害支座時(shí)，松開M16 化學(xué)螺栓，降低液壓升降車，利用已經(jīng)在路邊一側(cè)停好的吊車吊走。

圖14 本工程鋼牛腿后背示意圖

3.3 新支座頂推法安裝

待病害支座倒鏈拉出，從鋼牛腿頂板上吊走后，吊車吊裝把新支座放置在鋼結(jié)構(gòu)牛腿上近靠墩柱端頭一側(cè)。緊接著上升液壓車到指定位置，栓緊M16 化學(xué)螺栓，開始新支座頂推安裝工作。安裝頂推千斤頂，頂住鋼牛腿后背反力板，在千斤頂頂推過(guò)程中采用后背鋼頂鐵或鋼箱墊塊隨著頂推長(zhǎng)度的增加而增加，直至將新支座頂推到指定位置。

3.4 原上墊石預(yù)埋鋼板彎曲處理

（1）首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)上墊石有無(wú)出現(xiàn)明顯彎曲、缺損情況。如有，則盡量將頂升計(jì)劃安排在周六夜間，提前封道給頂升后修正預(yù)埋鋼板平整精度提供充足的施工時(shí)間。

（2）如果頂升后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鋼板彎曲，根據(jù)施工緊急狀況，正常頂升更換支座落梁后灌注環(huán)氧。由于新支座存在一定的抗轉(zhuǎn)角能力，在鋼板一定的彎曲變形時(shí)支座能正常承力。

（3）原支座在構(gòu)造上原噸位的基礎(chǔ)上縮小上下座板構(gòu)造的大小，使新支座不受原病害支座切割焊縫及鋼板壓彎曲的影響。

3.5 限位擋塊恢復(fù)

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)限位距離上墊石橫橋向內(nèi)側(cè)邊緣較近，而頂升方案為超薄千斤頂貼緊原病害支座頂升上墊石抬升上部箱梁梁體，所以多數(shù)上墊石需要處理?，F(xiàn)提供幾種方案作為限位恢復(fù)法。

（1）鋼結(jié)構(gòu)限位恢復(fù)。按照?qǐng)D紙?jiān)叽缰匦聦摻Y(jié)構(gòu)限位與墩頂預(yù)埋鋼板雙面焊接。

（2）混凝土限位擋塊恢復(fù)。a.根距現(xiàn)場(chǎng)上墊石距墩柱頂面凈空情況，若凈空較大，可考慮破除時(shí)將原縱向鋼筋壓彎，在鋼筋上用灌漿料灌實(shí)找平。頂升完畢后，可再次破除抄平層，掰直縱向鋼筋，綁扎箍筋后灌漿澆筑。b.由于橋梁頂部距離墩頂最大凈空約為40 cm，只能斜向植筋，加大原限位擋塊的尺寸。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以上海城市高架病害支座更換工程為例，介紹了改進(jìn)后的500 t 大噸位三連承力桿雙作用液壓超薄千斤頂具有高度低、頂升重量大，且自帶異性組合鋼板墊塊代替臨時(shí)鋼箱墊塊，防止承力桿落缸對(duì)于狹小布置平面和頂升凈空不足頂升情況，適應(yīng)性更強(qiáng)。通過(guò)Midas 對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)制性位移分析、墩頂防劈裂性驗(yàn)算、上墊石接寬受力點(diǎn)計(jì)算得出本工程單墩頂升的可行性。另外，介紹了利用液壓升降車和鋼結(jié)構(gòu)牛腿后背快速化將支座取舊安新，原上墊石預(yù)埋鋼板的彎曲處理和限位擋塊的恢復(fù)。在1 個(gè)夜間（0：00-5：00）即可對(duì)單墩2 個(gè)病害支座完成更換，具有良好的工程應(yīng)用前景。