超寬幅空心板梁橋整體大高度頂升施工技術(shù)分析

摘" 要：與橋梁上部結(jié)構(gòu)拆除重建方案相比，頂升施工技術(shù)具有施工快捷、交通影響小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢，已逐步成為橋梁抬升改造方式之一。該文以某超寬幅空心板梁三跨一聯(lián)簡支“假連續(xù)”橋整體大高度頂升施工為背景，詳細(xì)剖析該橋的施工重、難點及施工方案設(shè)計，并采用邁達(dá)斯軟件分析不同同步頂升差值工況下的空心板梁應(yīng)力值，數(shù)值分析表明，簡支“假連續(xù)”結(jié)構(gòu)體系，頂升施工過程最薄弱梁段處于“連續(xù)端”處；同步頂升施工允許偏差值受“連續(xù)端”板梁混凝土抗拉強度值控制；較簡支端頂升偏差值相比，“連續(xù)端”處對板梁拉應(yīng)力影響更敏感，建議簡支端與連續(xù)端同步頂升偏差值分別宜控制在10、6 mm內(nèi)。該研究可為同類結(jié)構(gòu)體系頂升施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：超寬幅；空心板梁橋；整體；大高度；頂升施工

中圖分類號：TU398+.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0181-06

Abstract： Compared with the bridge superstructure demolition and reconstruction plan， jacking construction technology has the advantages of fast construction， small traffic impact， economy and environmental protection， and has gradually become one of the bridge lifting and reconstruction methods. Based on the overall large-height jacking construction of an ultra-wide hollow slab beam three-span and one-link simply supported \"pseudo-continuous\" bridge， this paper analyzes in detail the construction priorities， difficulties and construction scheme design of the bridge， and uses Midas software to analyze the stress values of hollow slab beams under different synchronous jacking differences. The numerical analysis shows that： In the simply supported \"pseudo-continuous\" structural system， the weakest beam section during jacking construction is at the \"continuous end\"; The allowable deviation value of synchronous jacking construction is controlled by the tensile strength value of the concrete of the plate beam at the \"continuous end\"; Compared with the jacking deviation value of the simply supported end， the \"continuous end\" is more sensitive to the influence of the tensile stress of the plate beam. It is recommended that the synchronous jacking deviation value of the simple supported end and the continuous end should be controlled within the range of 10 and 6 mm. This study can provide reference for jacking construction of similar structural systems.

Keywords： ultra-wide; hollow slab beam bridge; overall; large height; jacking construction

經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通先行。近年來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)逐步呈多元化趨勢發(fā)展，全國各地都在因地制宜開發(fā)公路沿線生態(tài)、文化、環(huán)境和旅游等“路衍經(jīng)濟(jì)”資源，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新活力。橋梁作為跨越溝谷、河流、被交公路等重要構(gòu)造物，堪稱交通咽喉，在服務(wù)社會發(fā)展方面發(fā)揮至關(guān)重要作用。然而，現(xiàn)有的部分橋梁已無法滿足社會發(fā)展需求，一方面是早期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，另一方面后期環(huán)境變化，如橋下增設(shè)通航功能，導(dǎo)致既有橋下凈空不足，不得不將上部結(jié)構(gòu)拆除重建或者整體抬升改造。

與橋梁上部結(jié)構(gòu)拆除重建方案相比，頂升施工具有周期短、成本低、生態(tài)環(huán)保影響小的優(yōu)點[1-3]。當(dāng)前橋梁頂升施工技術(shù)較為成熟，集中在跨線路抬升施工且成功案例諸多，而關(guān)于跨河流、超寬幅、大高度頂升施工案例鮮為報道。本文以沿海某跨河超寬幅空心板梁整體大高度頂升施工為背景，詳細(xì)分析了該類結(jié)構(gòu)施工重、難點及方案設(shè)計，并借助有限元軟件模擬同步頂升不同誤差值對梁板的內(nèi)力影響，指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)，保障施工品質(zhì)。

1" 工程概況

該工程位于福建省內(nèi)某城市主干線路，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：城-A級荷載等級、按50年一遇洪水位線，于2012年竣工通車。橋梁全長65 m，上部采用3×20 m的預(yù)制C50空心板梁結(jié)構(gòu)，橋面寬48 m（38片板梁）雙向7車道，橋面鋪裝層厚19 cm（10 cm鋼筋混凝土層+9 cm厚的改性瀝青層）；橋臺采用薄壁臺與樁基礎(chǔ)組合型式、橋墩采用柱-樁結(jié)構(gòu)，墊石高度0.1 m，樁端均位于中風(fēng)化花崗巖層；蓋梁寬1.85 m、高1.3 m；設(shè)計水位線凈空1.2 m。

為了滿足水上觀光旅游業(yè)發(fā)展，要求橋下凈空不低于2.8 m以滿足通航功能。本著經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等原則，結(jié)合橋梁承載能力評定狀況，采用上部結(jié)構(gòu)整體抬升1.6 m改造方案，蓋梁與墊石分別加高1.2、0.4 m。改造方案及橋面實景如圖1、圖2所示。

2" 項目特點及施工重、難點

2.1" 工期緊、組織協(xié)調(diào)管理難度大

一方面項目位于城區(qū)主干道上，沿線交通車流量大、施工場地受限、外界干擾因素多；另一方面工期僅60 d，包括上部結(jié)構(gòu)抬升、橋臺兩側(cè)路線銜接、電力改造及綠化修復(fù)等作業(yè)，涉及多專業(yè)交叉融合施工。對施工方案可性能、現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)等均是挑戰(zhàn)。

2.2" 超寬幅、整聯(lián)同步頂升精度要求高

該橋面48 m屬超寬幅且上部整體結(jié)構(gòu)需同步頂升施工，需確保每片板梁及面層不得有新的裂縫或變形。假設(shè)每相鄰兩片板梁處需1臺千斤頂，則全橋需要234臺千斤頂。因此，如何確保234臺千斤頂同步作業(yè)且精度在誤差允許值內(nèi)具有極大的技術(shù)難度。

2.3" 大高度、支撐構(gòu)造穩(wěn)定易操作

與普通支座替換施工（頂升高程0.5 m）項目不同，本項目需頂升1.8 m（0.2 m支座調(diào)平）屬大高度頂升施工，需多次進(jìn)行不同規(guī)格支撐與千斤頂?shù)鬃鶋|高固定循環(huán)作業(yè)，且隨著頂升高度推進(jìn)其支撐穩(wěn)定性逐漸降弱，易出現(xiàn)失穩(wěn)傷亡事故。因此，如何確保支撐構(gòu)造現(xiàn)場宜實施且穩(wěn)定也是項目的重、難點問題。

2.4" 凈空小、輕量化施工方案為主

橋址常年水位線距梁底僅1.5 m（蓋梁與墩頂交接處）制約了各類常規(guī)機械設(shè)備使用，僅能以人工為主、小型設(shè)備輔助，且低凈空也影響作業(yè)人員正?；顒樱鳂I(yè)效率低且風(fēng)險大。需探索一種可操作、輕量化的低凈空橋梁抬升施工方案。

3" 施工方案

通過對項目特點及施工重、難點分析，結(jié)合改造設(shè)計要求，優(yōu)選PLC液壓同步控制系統(tǒng)進(jìn)行上部整體結(jié)構(gòu)頂升施工，其主要施工工藝流程如圖3所示。

3.1" PLC頂升系統(tǒng)

PLC頂升系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)與計算機控制2個模塊組成，具有力與位移雙控特色，力與位移過程數(shù)顯、故障與閥值預(yù)警等多種功能。且系統(tǒng)還具有以下特點：人機交互界面友好，便于作業(yè)人員控制；系統(tǒng)成熟、穩(wěn)定、安全可靠；集成化程度高，即可對所有油缸同步頂升控制，也可部分控制；多通道，可根據(jù)需要設(shè)置同步控制油缸數(shù)量；精度高，同步頂升量程與力誤差值分別可控制在±1 mm、±0.5 kN內(nèi)[4-5]。PLC液壓同步頂升控制系統(tǒng)構(gòu)造如圖4所示。

3.2" 頂升基礎(chǔ)

頂升基礎(chǔ)指千斤頂、支撐構(gòu)造的著力點，應(yīng)具有足夠的強度與剛度。宜優(yōu)先考慮既有結(jié)構(gòu)承臺、蓋梁（臺帽）、樁基（墩柱）等基礎(chǔ)形式，若既有基礎(chǔ)不滿足要求可再考慮改造或新建基礎(chǔ)等方法[6]。常見的頂升基礎(chǔ)適用范圍對比見表1。

由表1不同頂升基礎(chǔ)適用范圍分析可知，本項目優(yōu)選蓋梁（橋墩）與臺帽（橋臺）構(gòu)件作為頂升基礎(chǔ)支撐著力點，即可避免橋下低空使用大型吊裝等設(shè)備，又可控制成本與工期。

傳統(tǒng)的蓋梁或臺帽作為頂升基礎(chǔ)需在構(gòu)件側(cè)面植入錨桿、安設(shè)鋼牛腿反力架，鉆孔易出現(xiàn)鋼筋碰撞，對原結(jié)構(gòu)損傷大且效率低。針對該工程工期緊、橋下凈空低、上部荷載較輕（39 t/片·中梁、45 t/片·邊梁），選用60噸位（500 mm工作行程）自帶位移傳感器液壓千斤頂及？椎219 mm×6 mm規(guī)格（Q345B）鋼管支撐，每相鄰2片板梁端頭處布設(shè)1臺千斤頂及1根鋼管，且支撐鋼管兩端分別焊接厚墊板增大穩(wěn)定性及板梁底部接觸面，并將鋼管及千斤頂直接置于蓋梁（橋臺）正上方，其平面布置示意如圖5所示。

3.3" 施工步驟

全橋共布設(shè)234臺千斤頂，頂升高度1.8 m。頂升過程施工步驟如下：千斤頂處底座混凝土表面磨平→千斤頂就位、油管連接、試頂升→PLC控制系統(tǒng)參數(shù)（行程參數(shù)、安全閥值等）設(shè)置→第一次將梁體頂升至480 mm→支撐底座處表面磨平并植入？椎219 mm×6 mm×600 mm鋼管（墊石高100 mm+支座厚度50 mm，預(yù)留30 mm鋼管調(diào)平高度）→油缸回縮、234根鋼管立柱撐起橋面→千斤頂?shù)鬃胖?？?19 mm×6 mm×450 mm頂管→第二次將梁體頂升至480 mm→……支撐鋼管及千斤頂頂管長度規(guī)格逐次替換→循環(huán)至4次（總頂升高度1 800 mm），并在300 mm和1 400 mm高度處焊接2道16＃A槽鋼以提高鋼管支撐整體穩(wěn)定性。

在對支撐體系進(jìn)行加固后，隨即進(jìn)行蓋梁頂面鑿毛、鋼筋（鋼管）綁扎焊接、蓋梁側(cè)邊模板安裝和蓋梁加高段自密實混凝土澆筑等工序；混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計強度、板梁再次頂起→外露鋼管切割（墊石標(biāo)高處）→管內(nèi)灌注微膨脹混凝土→支座安裝→板梁回放與平整度調(diào)整?，F(xiàn)場鋼管支撐如圖6所示。

4" 有限元數(shù)值分析

頂升施工過程中，過大的頂升差值會改變結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，甚至出現(xiàn)損傷、裂縫等病害，影響使用功能與壽命。但該項目千斤頂數(shù)量多、多次大行程頂升且不可控因素多，難以實現(xiàn)完全同步狀態(tài)[7]。因此，準(zhǔn)確計算出同步千斤頂允許差值對保證結(jié)構(gòu)性能與現(xiàn)場施工具有重要意義。

4.1" 模型建立

采用Midas Civil有限元軟件建立三維數(shù)值模型，空心板梁采用梁單元類型模擬，橋面系自重轉(zhuǎn)化為線荷載施加于對應(yīng)單元，板梁橫向連接采用虛擬板單元模擬等效剛度，并考慮預(yù)應(yīng)力荷載；通過軟件強制位移功能模擬不同差值對板梁的應(yīng)力值影響。三維有限元模型如圖7所示。

4.2" 頂升差值對板梁內(nèi)力的影響

該結(jié)構(gòu)為三跨一聯(lián)簡支“假連續(xù)”體系，結(jié)構(gòu)具有對稱性，可分別考慮0號臺、1號墩左側(cè)頂升量與指令差值作為典型狀況。實踐表明，實際頂升值一般會低于指令值，故分別考慮2種典型狀況下，-2、-4、-6、-8和-10 mm 5種工況差值對梁板的應(yīng)力影響分析。不同工況下，板梁單元的最大拉、壓應(yīng)力值見表2及圖8。篇幅所限，以下分別列出頂升初始狀態(tài)、0號臺和1號墩左側(cè)頂升差值10 mm 3種工況應(yīng)力云圖，詳如圖9所示。

由上述數(shù)據(jù)可知：初始狀態(tài)下，上部空心板梁最大拉、壓應(yīng)力值分別是1.85 MPa和-8.01 MPa，受拉單元分布在梁板兩端，而受壓單元處于預(yù)應(yīng)力鋼絞線段且張拉端單元壓應(yīng)力值大，主要是因為鋼束發(fā)揮張拉作用，給張拉段的單元施加一個預(yù)壓荷載，而梁板端錨口單元未受鋼絞線張拉約束，在自重及二期荷載作用下，單元處于受壓狀態(tài)。

從圖8（a）看出，當(dāng)0號臺頂升差值從0到2 mm時，梁單元拉應(yīng)力不變、壓應(yīng)力僅增大1.5%；而當(dāng)差值從2 mm增大到10 mm，拉、壓應(yīng)力值增大顯著，分別增大了42.2%和12.4%。當(dāng)差值在10 mm時，板單元的最大拉應(yīng)力值為2.63 MPa，接近混凝土軸拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.65 MPa；最大壓應(yīng)力值-9.14 MPa仍低于構(gòu)件抗壓設(shè)計值15.68 MPa[8]。因此，簡支端頂升差值不易超過10 mm。

由圖8（b）可知，當(dāng)1號墩左側(cè)頂升差值低于4 mm時，梁單元的拉應(yīng)力值不變，而當(dāng)差值從4 mm增大到10 mm時，拉應(yīng)力值急劇增大了139.5%；當(dāng)差值從2 mm增大到10 mm，梁單元壓應(yīng)力值近視呈線性增長，增大了44.4%。結(jié)合規(guī)范[8]拉、壓應(yīng)力允許值，建議1號墩差值控制在6 mm內(nèi)，此時單元的最大拉應(yīng)力2.6 MPa接近2.65 MPa臨界值。

5" 頂升過程監(jiān)測

橋梁抬頂升施工過程中應(yīng)對板梁的應(yīng)力和標(biāo)高監(jiān)測，既可掌握梁體受力狀態(tài)，又能及時糾偏。結(jié)合第四章節(jié)數(shù)值分析結(jié)果，分別在每跨邊梁端頭及支座截面處布設(shè)應(yīng)力測點。由于選用的PLC液壓千斤頂設(shè)備自帶位移傳感器，不在重新對標(biāo)高監(jiān)測，簡支端與連續(xù)端千斤頂誤差閥值設(shè)置值分別為10 mm和6 mm。邊梁應(yīng)力測點布置及施工期各個測點附加最大應(yīng)力值如圖10、圖11所示。

由圖11可知，各個測點附加應(yīng)力值分別在0.09～0.42 MPa、-0.21～-3.42 MPa，均未超過允許值0.8 MPa（2.65-1.85 MPa）、壓應(yīng)力值7.67 MPa（15.68-8.01 MPa）。

歷經(jīng)42 d的頂升施工作業(yè)，上部結(jié)構(gòu)順利抬升至設(shè)計標(biāo)高。經(jīng)檢測，板梁底部、橋面鋪裝層等均未發(fā)現(xiàn)新的裂縫及病害。

6" 結(jié)論

本文以某三跨一聯(lián)超寬幅空心板梁大高度整體頂升改造施工為背景，對該類結(jié)構(gòu)的施工重、難點進(jìn)行剖析，并借助有限元軟件分析不同頂升差值工況下板梁的應(yīng)力值，得出以下幾點結(jié)論：

1）PLC液壓控制同步千斤頂系統(tǒng)設(shè)備可適用于超寬幅、大高程空心板梁橋整體抬升改造施工，具有施工便捷，可滿足工程施工精度要求。

2）對于三跨一聯(lián)簡支“假連續(xù)”板梁橋結(jié)構(gòu)，“連續(xù)端”處的混凝土抗拉強度值是決定千斤頂同步作業(yè)頂升差值的主要指標(biāo)。

3）與簡支端處千斤頂差值相比，“連續(xù)端”處的千斤頂差值對板梁拉應(yīng)力影響更敏感，建議簡支端與連續(xù)端同步頂升差值分別控制在10 mm、6 mm內(nèi)。

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