基于分步頂升法的橋梁支座更換應(yīng)用研究

李明哲，劉世忠，陳明權(quán)

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.廈門市市政建設(shè)開發(fā)有限公司)

近幾年，橋梁建設(shè)高速發(fā)展，有相當(dāng)數(shù)量的橋梁建成通車，同時(shí)也有部分橋梁建設(shè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，橋梁支座出現(xiàn)脫空、破損、銹蝕、橡膠老化等問題，造成支座失效，導(dǎo)致支座無(wú)法正常工作，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用及安全，必須及時(shí)進(jìn)行維修，更換有缺陷支座，以改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能，延長(zhǎng)橋梁運(yùn)營(yíng)壽命。

目前，中國(guó)大多采用橋梁整體同步頂升的方法進(jìn)行橋梁支座更換施工，但此方法需要封閉道路、中斷交通，不宜用于交通流量較大的橋梁。該文主要介紹采用分步頂升法進(jìn)行支座更換施工解決不中斷交通的難題，并對(duì)其進(jìn)行理論分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比。

1 概述

某市市府大道南橋、北橋?yàn)槿撞坏瓤珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)變截面箱梁橋，橋梁的跨徑組合為22.4 m(邊)+32 m(中)+22.4 m(邊)。該橋橫向由三幅橋組成，均為直橋，現(xiàn)限載40 t，建成于1994年。依據(jù)2017年的《某市工程檢測(cè)中心有限公司檢測(cè)報(bào)告》發(fā)現(xiàn)該橋支座出現(xiàn)橡膠老化、鋼板銹蝕等問題，需要對(duì)該橋進(jìn)行維修改造。在保證結(jié)構(gòu)安全、施工時(shí)橋梁正常運(yùn)營(yíng)的前提下，盡可能通過頂升技術(shù)控制橋梁支座更換施工。

橋梁上部構(gòu)造為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，采用C50混凝土。中幅橋梁頂寬15.6 m，跨中及梁端主梁中心線處梁高1.2 m、底寬6.60 m、底板厚0.22 m，墩頂處梁高2.2 m、底寬5.94 m、底板厚0.40 m。邊幅橋梁頂寬10.6 m，跨中及梁端主梁中心線處梁高1.0 m、底寬5.63 m、底板厚0.18 m，墩頂處梁高2.0 m、底寬4.97 m、底板厚0.30 m。箱梁在中支點(diǎn)處設(shè)置厚1.0 m的橫隔板，梁端支座處設(shè)置厚0.7 m的橫隔板，跨中設(shè)置厚0.5 m的橫隔板(圖1)。

圖1 橋梁整體布置示意圖

2 橋梁頂升方案

市府大道南橋、北橋地處繁華路段，交通流量特別大，由于施工工期較長(zhǎng)，在整個(gè)橋梁支座更換施工過程中，不得封閉道路影響車輛及行人正常通行，且橋下有高壓水管與梁體連接，橋臺(tái)處作業(yè)空間狹小以及橋梁周圍工作空間限制無(wú)法安裝橋梁限位裝置，所以造成橋梁支座取換困難，難以操作。

根據(jù)橋梁的實(shí)際特點(diǎn)，制定合理的施工方案，以保證橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全及運(yùn)營(yíng)。

2.1 頂升施工技術(shù)

由于不中斷交通施工且橋梁周圍空間有限，橋梁無(wú)法安裝主梁縱、橫向限位裝置，主梁整體頂升后，梁體在施工過程中將成為全漂浮體系。因而橋梁結(jié)構(gòu)有發(fā)生滑移的風(fēng)險(xiǎn)。為防止梁體因無(wú)限位措施而成為全漂浮體系，采取分步頂升法進(jìn)行梁體頂升，從而完成橋梁支座更換。

分步頂升法：利用PLC同步頂升設(shè)備，先同時(shí)頂升三幅橋1#臺(tái)、2#墩位置處梁體，將3#墩、4#臺(tái)位置處支座作為限位裝置(圖2)，更換1#臺(tái)、2#墩支座，支座更換完畢后再同時(shí)頂升3#墩、4#臺(tái)位置處梁體(圖2)，進(jìn)行3#墩、4#臺(tái)位置處支座更換施工，此時(shí)，1#臺(tái)、2#墩位置處支座作為橋梁頂升的限位裝置。頂升過程中，油壓千斤頂進(jìn)行分級(jí)同步頂升，每次頂升約2 mm，每級(jí)頂升到位后，穩(wěn)定5 min，在穩(wěn)定期間檢查梁體狀態(tài)，多次頂升后使梁體頂升高度達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)值。

圖2 支座限位示意圖

2.2 同步技術(shù)原理

PLC控制液壓同步系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、檢測(cè)傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。液壓系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示、故障報(bào)警等多種功能。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)施工作業(yè)的分散布置、集中操作，既能滿足多液壓缸載荷不均同步升降，又能對(duì)頂升過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)橋梁的力-位移雙閉環(huán)控制。對(duì)頂升過程中各頂升點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷與安全限值進(jìn)行對(duì)比，以確定并執(zhí)行各千斤頂?shù)南乱徊焦ぷ鳌Ｏ到y(tǒng)位移同步精度可達(dá)到±0.5 mm。控制功能完善，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，自動(dòng)控制，可任意選擇受控點(diǎn)，任意輸入控制值。并且該系統(tǒng)可防止偏載，即當(dāng)頂升或下放過程中，如果某一點(diǎn)不受力，系統(tǒng)可迅速發(fā)現(xiàn)并控制虛點(diǎn)頂升使全部油缸均勻受力。通過電子控制系統(tǒng)控制液壓泵實(shí)現(xiàn)橋梁在精確位置控制下的頂升和下降。每臺(tái)液壓泵通過本身裝置的液控單向閥，控制頂升結(jié)構(gòu)下落，并當(dāng)頂升設(shè)備的液壓管道遇到意外破損泄漏時(shí)，防止結(jié)構(gòu)意外墜落。

頂升前將同一橋臺(tái)(墩)的液壓千斤頂并聯(lián)起來(lái)，以利用同一臺(tái)油泵進(jìn)行加壓以保證每臺(tái)千斤頂?shù)捻斏ο嗤Ｍㄟ^緩慢加壓，控制三幅橋的同一位置處的墩臺(tái)頂升位移相同，確保同一幅橋的橋臺(tái)、橋墩位置處的梁體位移量相同的同時(shí)，保證三幅橋處于同一水平面，以達(dá)到同步頂升的目的。

3 橋梁頂升仿真計(jì)算

3.1 橋梁分步頂升原理

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)形式，并參考設(shè)計(jì)院的意見，采用分步頂升法進(jìn)行橋梁頂升。考慮到該工程的工期、成本等問題，確定在不中斷交通的情況下進(jìn)行施工。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)自重及其在通車時(shí)最不利靜活載作用所產(chǎn)生的支反力，確定在邊幅橋臺(tái)位置處布置兩組千斤頂，每組有3個(gè)千斤頂，每組頂升力為3 000 kN，中支點(diǎn)橋墩位置處布置兩組千斤頂，每組有6個(gè)千斤頂，每組頂升力為7 500 kN；在中幅橋臺(tái)位置處布置兩組千斤頂，每組有4個(gè)千斤頂，每組頂升力為4 500 kN，中支點(diǎn)橋墩位置處布置兩組千斤頂，每組有8個(gè)千斤頂，每組頂升力為9 000 kN(且保證其安全系數(shù)為1.5以上)。

頂升時(shí)將同一橋臺(tái)(墩)上的千斤頂并聯(lián)起來(lái)，通過一臺(tái)油泵進(jìn)行緩慢加壓，以確保每臺(tái)千斤頂出力一致。先同時(shí)頂升1#臺(tái)、2#墩處梁體，分級(jí)同步頂升，每級(jí)頂升2 mm，頂升到位穩(wěn)定5 min，期間檢查是否同步，不同步隨時(shí)調(diào)整，然后進(jìn)行下一步頂升。更換1#臺(tái)、2#墩處支座完畢后，落梁，再同時(shí)頂升3#墩、4#臺(tái)處梁體，更換支座。

3.2 有限元模型的建立

利用BIM軟件建立三跨連續(xù)梁1∶1空間模型。通過PARA文件將BIM軟件所建橋梁模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys中，根據(jù)有限元分析原則，將橋梁實(shí)際材料屬性賦予橋梁模型，并利用SWEEP命令進(jìn)行實(shí)體單元網(wǎng)格劃分，將所建幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元實(shí)體單元模型。并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)有限元模型施加邊界條件。

3.3 頂升位移預(yù)警值的確定

由于在不封閉交通條件下進(jìn)行橋梁頂升施工，所以橋梁梁體頂升高度不得過高，以防止發(fā)生阻礙交通及嚴(yán)重跳車的問題。并且頂升施工中不得出現(xiàn)梁體拉應(yīng)力超限，即各種工況下拉應(yīng)力增量不超過C50混凝土的最大拉應(yīng)力1.525 MPa(C50混凝土的最大拉應(yīng)力為1.83 MPa并取1.2的安全系數(shù))。所以必須進(jìn)行詳細(xì)的多工況計(jì)算得出頂升施工的位移預(yù)警值，并根據(jù)詳細(xì)、可行的施工方案及監(jiān)控流程，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控,既保證交通暢通又不影響更換支座施工，保證橋梁梁體結(jié)構(gòu)安全。

橋梁頂升仿真計(jì)算是計(jì)算橋梁實(shí)體單元模型在支座位置處發(fā)生強(qiáng)迫位移時(shí)的應(yīng)力增量，通過應(yīng)力增量的大小來(lái)判斷橋梁頂升限值。汽車荷載按規(guī)范中的車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值10.5 kN/m的要求，以面均布荷載的形式施加在梁體頂面。表1為同步頂升1#臺(tái)、2#墩仿真計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 仿真工況計(jì)算結(jié)果

由表1可知:中幅橋邊、中支座處梁體頂升15 mm時(shí)，最大拉應(yīng)力增量為1.564 MPa；邊幅橋邊、中支座處梁體頂升20 mm時(shí)，最大拉應(yīng)力增量為1.675 MPa。進(jìn)行梁體頂升時(shí)，應(yīng)力與剛度成正比，中幅橋剛度大，所造成中幅橋的應(yīng)力增量大于邊幅橋的應(yīng)力增量，從而邊幅橋頂升最大限值高于中幅橋。

通過對(duì)仿真計(jì)算的分析、不封閉交通的考慮以及三幅橋同步頂升的施工安排，將梁體頂升最大限值定為15 mm，并將10.5、13.5 mm分別作為黃色、紅色預(yù)警值，最大拉應(yīng)力所在截面作為監(jiān)測(cè)控制截面。施工期間在橋面伸縮縫位置鋪設(shè)鋼板以免發(fā)生跳車。

3.4 高壓水管仿真計(jì)算

梁底有高壓水管與梁體通過托架焊接相連，并且高壓水管兩端與橋臺(tái)混凝土固結(jié)在一起。在橋梁頂升過程中，由于高壓水管被動(dòng)頂升，若處理不當(dāng)，容易造成高壓水管破裂及橋臺(tái)混凝土破碎。通過建立有限元實(shí)體單元仿真模型及其彈性支撐，分析在頂升過程中高壓水管與橋臺(tái)混凝土互相作用的應(yīng)力大小及其影響范圍。

通過多工況計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，從橋臺(tái)開始22 m范圍解除梁體對(duì)高壓水管約束的條件下，當(dāng)梁體頂升至15 mm時(shí)，高壓水管在與梁體未解除約束開始處附近區(qū)域出現(xiàn)最大拉應(yīng)力增量為11.257 MPa，橋臺(tái)混凝土在連接處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力增量為0.517 MPa。此時(shí)橋梁頂升施工對(duì)高壓水管的影響較小，且對(duì)與高壓水管的施工處理較為容易。

在頂升前將從橋臺(tái)開始22 m范圍內(nèi)的高壓水管托架進(jìn)行托換，解除梁體對(duì)它的剛性約束，以臨時(shí)支架作為其彈性支撐，每隔2 m進(jìn)行托換。為避免臨時(shí)支架平臺(tái)下沉，應(yīng)在施工平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)支架進(jìn)行局部加密，并在支架托換前進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，模擬高壓水管重量，以消除彈性變形。

4 支座更換施工

更換支座采用千斤頂同步頂升邊跨主梁后更換。為了確保橋梁支座更換順利完成，在同步頂升作業(yè)期間同時(shí)對(duì)頂升過程中主梁控制截面應(yīng)力變化及千斤頂頂升梁體高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在橋墩臺(tái)位置處安裝精度為1‰ mm的光柵尺作為梁體豎向位移同步監(jiān)測(cè)設(shè)備，并在控制截面布置應(yīng)變片，作為頂升過程中應(yīng)力同步監(jiān)測(cè)控制傳感器。建立同步實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)，嚴(yán)格控制梁體的同步頂升高度和速度。

支座更換施工流程：① 搭設(shè)施工平臺(tái)及高壓水管支架；② 安裝PLC同步頂升設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備；③ 試頂；④ 正式頂升；⑤ 更換支座；⑥ 回油卸頂、落梁；⑦ 拆除支架。

頂升期間，各個(gè)觀察點(diǎn)應(yīng)及時(shí)反饋觀察情況，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)及時(shí)反饋測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)控制頂升量如與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存在差異，及時(shí)認(rèn)真分析并進(jìn)行調(diào)整。實(shí)時(shí)監(jiān)控梁體應(yīng)力變化，觀察橋梁結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂縫、偏移，認(rèn)可其工作狀態(tài)后方可進(jìn)行下一級(jí)頂升。頂升總行程應(yīng)由所有支座松動(dòng)留作抽取舊支座空間作為控制條件，并且控制在所確定的橋梁頂升限值范圍內(nèi)。

南橋頂升監(jiān)控部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表2 南橋頂升監(jiān)控部分?jǐn)?shù)據(jù)

注：2017年12月2日至12月3日為頂升及監(jiān)控設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間。

將梁體頂升至能滿足支座取出的高度后，解除舊支座與梁體、墩臺(tái)之間的螺栓約束，卸除舊支座，清理橋墩臺(tái)及梁體表面，對(duì)新支座比照原支座進(jìn)行鉆孔處理，將新支座運(yùn)送到位后，調(diào)平處理，緊固螺栓，固定支座位置。對(duì)于銹蝕嚴(yán)重，不易進(jìn)行拆卸的支座，進(jìn)行切割拆除。

當(dāng)支座更換施工完畢后，經(jīng)復(fù)核梁體位置與原設(shè)計(jì)位置一致后，即可進(jìn)行落梁。

5 結(jié)論

利用同步頂升技術(shù)進(jìn)行支座更換施工，于2017年11月29日至12月7日完成南橋支座更換工作，于12月11日至12月19日完成北橋支座更換工作。

(1)通過有限元仿真計(jì)算，優(yōu)化了施工方案，將原施工單位所定整體頂升高度僅需8 mm即可完成更換工作的方案，更改為分步頂升限值15 mm，從而增加了施工空間及更換支座的可操作性。

(2)在施工過程中，必須進(jìn)行第三方監(jiān)控，與第三方監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)控制梁體頂升高度及應(yīng)力變化。實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一旦位移或應(yīng)力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值，立即停止頂升，分析原因，采取措施解決。

(3)橋梁頂升前將懸掛于梁體的高壓水管進(jìn)行局部支撐托換，避免高壓水管發(fā)生硬折角而損傷，或發(fā)生漏水事件。

(4)頂升施工時(shí)，進(jìn)行交通管制，對(duì)橋面機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行限速管制，使車輛慢速通過橋面，減少動(dòng)荷載對(duì)橋梁的沖擊作用。

(5)實(shí)踐表明:在滿足不中斷交通的情況下，采用分步頂升法有效解決了梁體頂升施工無(wú)限位措施的弊端，避免了梁體在頂升過程中成為漂浮體系的風(fēng)險(xiǎn)，并保證了支座更換施工的順利完成。