同步頂升技術在橋梁抬高改造施工中的發(fā)展和應用

摘要 針對跨越道路或航道的既有橋梁增大其橋下通行、通航高度，及城市橋梁現(xiàn)有引橋如何調(diào)坡延長增設其下穿通道的問題，文章從同步頂升原理、橋梁頂升關鍵技術等方面分析，論述了頂升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、限位系統(tǒng)等特點和適用范圍，并結(jié)合不同橋梁邊界條件、結(jié)構(gòu)體系分析了結(jié)構(gòu)截斷位置，旨在使橋梁頂升改造符合綠色、低碳發(fā)展思想，以較低費用成本和較少交通影響時間，且盡可能地保證橋梁結(jié)構(gòu)體系完整、安全、穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)建設目標。

關鍵詞 橋梁工程；改造施工；同步頂升

中圖分類號 U445.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0075-03

0 引言

隨著液壓傳動技術、智能傳感技術的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)有限元理論的趨于成熟，工民建行業(yè)整體頂升技術有了較大的發(fā)展，也拓展了橋梁頂升改造思路，其特點是盡量保證既有橋梁結(jié)構(gòu)和形態(tài)，以更少的時間、費用成本實現(xiàn)橋梁的頂升改造。整體頂升技術是使橋跨結(jié)構(gòu)抬高以滿足橋下凈空作為必要的技術手段。在對橋梁進行頂升的時候，可以一跨兩端頂升，也可以整聯(lián)各點同步頂升，最終在頂升作用下使橋梁構(gòu)件被抬升至目標高程[1]。

1 橋梁頂升的定義和原理

所謂橋梁，主要是通過其跨越不宜平交的介質(zhì)而連接首尾兩端目標的、并能保證其跨越段相關介質(zhì)可正常存在或運行的構(gòu)筑物。同步頂升是針對橋跨等帶狀結(jié)構(gòu)，多節(jié)（段）點頂升時，在每節(jié)段端橫向頂點間相對位移差為零（避免扭轉(zhuǎn)或傾覆）的前提下，縱向多節(jié)段端節(jié)點間滿足同速度（整體抬升）或同角速度（縱向調(diào)坡抬升）頂升的一種工藝方法。所謂橋梁頂升（抬高/提升），是指在限制應力重分布擴大影響的情況下，借助同步頂升系統(tǒng)，通過改造支座系統(tǒng)或蓋梁臺帽結(jié)構(gòu)，甚至斷柱接高等工法，動態(tài)改變橋面高程的一種工程方法[2]。同步頂升系統(tǒng)主要由液壓傳動系統(tǒng)、智能傳感系統(tǒng)、IPC-PLC（Industrial Process Control amp; Programmable Logic Control）同步伺服系統(tǒng)等組成，將其與結(jié)構(gòu)有限元分析軟件和橋梁加固改造施工技術整合后形成橋梁同步頂升改造成套技術[3]。橋梁頂升的工作原理是一個泵站的流量通過分流器輸出，分別提供給每個執(zhí)行油缸，位移控制系統(tǒng)根據(jù)每個不同測點的回饋的信號，控制每個油缸的帶載頂升的速度，以實現(xiàn)整聯(lián)橋跨結(jié)構(gòu)的同步提升動作[4]，如圖1所示。

2 橋梁同步頂升技術的應用

2.1 流量控制型液壓同步控制方式

通過使用分配閥，將電動泵的流量分流至多臺千斤頂。頂升過程中，發(fā)現(xiàn)某一臺千斤頂速度較其他千斤頂快，則將鏈接該頂?shù)姆峙溟y調(diào)速，減少對該頂?shù)牧髁抗瑥亩乖擁斔俣茸兟?，達到和其他頂同步的目的。操作過程中，需要不停觀察各臺千斤頂?shù)捻斏闆r，通過觀察結(jié)果，不斷控制分配閥的流量，一般使用該方法用于對精度要求不高的重物頂升。

2.2 容積控制型液壓同步控制方式

在相同單位時間內(nèi)給每個控制點提供相同體積的液壓油來實現(xiàn)同步。容積同步采用開環(huán)控制實現(xiàn)，其同步僅基于液壓系統(tǒng)的同步，不能動態(tài)反饋頂升點間的位移差量，差量累積不易消除，多適用于小型千斤頂、超薄型千斤頂?shù)鹊牡透叨软斏?/p>

2.3 伺服（比例）控制型同步控制方式

對每臺千斤頂配合位移－壓力傳感器，由傳感器實時收集相關數(shù)據(jù)反饋到主控程序，由主控程序通過位移、壓力數(shù)據(jù)，計算出給每臺千斤頂?shù)膶崟r供油量。通過動態(tài)校驗平衡，對千斤頂精確供油，從而使各臺千斤頂?shù)捻斏俣认嗟然虻缺?。由于IPC-PLC控制，避免了人為操控的不確定因素，同步誤差一般在0.5 mm以內(nèi)，可使用在橋梁頂升等對同步精度要求高的場合。IPC-PLC控制系統(tǒng)能夠根據(jù)位移、壓力傳感器的反饋來控制各種大型、重型或復雜結(jié)構(gòu)的起降定位，適用于任何重量分布的構(gòu)件，可減少因各頂升點之間重量分布不均或負載變化導致的彎曲、扭曲或傾斜，保證橋梁同步整體穩(wěn)定頂升，在同步與穩(wěn)定方面起著非常關鍵的作用，還可以提高頂升操作的生產(chǎn)率和安全性，見圖2。

3 橋梁頂升關鍵技術分析

3.1 多點同步頂升應力－位移雙控的側(cè)重點確定

針對多點頂升的超靜定結(jié)構(gòu)，可采用位移同步適應弱剛度結(jié)構(gòu)，采用應力均衡技術來適應強剛度結(jié)構(gòu)。所謂弱剛度與強剛度，是指構(gòu)件變形相對油缸位移控制精度而言，若相鄰兩點存在0.5 mm行程差，但應力負荷變化≤5%，則可視為弱剛度結(jié)構(gòu)，若負荷變化20%以上，則應視作強剛度結(jié)構(gòu)。針對弱剛度待頂結(jié)構(gòu)，多點同步液壓系統(tǒng)應選位移閉環(huán)；否則，要選用應力閉環(huán)系統(tǒng)作應力均衡，然后再組成位移閉環(huán)。特殊階段和情況下，諸如試頂、承重時，宜采取應力閉環(huán)頂升方式，但是應力閉環(huán)無法控制施工對象的姿態(tài)，所以在應力閉環(huán)工作狀態(tài)下，還要輔以位移閉環(huán)。PLC多點同步頂升系統(tǒng)具有多點位移同步和應力均衡同步兩種模態(tài)。選擇位移同步狀態(tài)時，另可外設位移傳感器校驗千斤頂步進行程；選擇應力閉環(huán)工作狀態(tài)時，需千斤頂自帶壓力傳感器作應力動態(tài)監(jiān)測反饋。

3.2 整體同步頂升適用橋型分析

整體同步頂升技術適用于提升凈空或調(diào)坡改造，而對橋下拓寬改造無濟于事，主要針對公路、市政領域的平原微丘區(qū)的梁式橋等，另有少量的系桿拱橋、剛構(gòu)橋或組合體系橋也可納入整體同步頂升改造。施工可行性分析如下：

3.2.1 頂升反力系統(tǒng)

頂升反力系統(tǒng)的優(yōu)選原則：優(yōu)先采用既有橋梁蓋梁（臺帽），當其作業(yè)空間受限時，可用混凝土抱柱圈梁結(jié)構(gòu)，若工期壓力大，可選用裝配式剛性托架；當頂升負荷較小時，可安裝并使用鋼抱箍支撐或鋼制牛腿。反力平臺系統(tǒng)特點如表1所示。

3.2.2 限位支撐系統(tǒng)

頂升后的橋跨結(jié)構(gòu)在水平方向僅受到臨時支撐點的摩阻力約束，為避免橋跨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平方向位移，應在聯(lián)端或其他翼腹板適當位置設立縱橫向限位裝置。限位裝置應有一定的制動導向約束作用。限位支撐系統(tǒng)特點如表2所示。

3.2.3 臨時支撐系統(tǒng)

橋梁同步頂升過程中，千斤頂、輔助支墊及其頂托的橋跨結(jié)構(gòu)需有可靠且穩(wěn)定的支撐及充足的調(diào)配空間，既有墩柱或蓋梁等多不適用于直接作為支撐平臺，故需在墩柱周側(cè)另設臨時支撐系統(tǒng)。臨時支撐系統(tǒng)特點及適用范圍如表3所示。

3.2.4 墩柱接高技術

墩柱接高措施，接高段水泥基材料宜高于原橋墩墩柱混凝土強度5～10 MPa，并宜采用無收縮微膨脹材料，必要時可適當增大橋墩接高段水平斷面面積。接高段外側(cè)周宜設鋼圍箍，澆筑期可作為施工模板使用。

簡支梁橋、PC連續(xù)梁橋、系桿拱橋等依據(jù)現(xiàn)有技術可較好地實現(xiàn)該類橋型的整體同步頂升改造。涉及上部結(jié)構(gòu)重度大、多跨帶坡曲線梁等橋梁，目前施工技術尚存在一定的風險和難度。

3.3 結(jié)構(gòu)體系可行性分析

通過對既有成橋與頂升施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力比對分析，若兩者相差較大，則不能進行頂升改造，若相差較小，可采用整體同步頂升改造施工。

3.3.1 邊界條件分析

頂升橋墩和頂升橋跨特點見表4所示。

3.3.2 結(jié)構(gòu)體系分析

不同結(jié)構(gòu)體系頂升特點如表5所示。

3.4 結(jié)構(gòu)截斷位置分析

結(jié)構(gòu)受力特性及相應截斷區(qū)段如表6所示。

4 結(jié)語

橋梁頂升改造符合綠色、低碳發(fā)展思想，節(jié)省了公共資源和企業(yè)成本。本文從同步頂升原理、橋梁頂升關鍵技術等方面分析，論述了頂升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、限位系統(tǒng)等特點和適用范圍；并結(jié)合不同橋梁邊界條件、結(jié)構(gòu)體系分析了結(jié)構(gòu)截斷位置。希望對同步整體頂升技術發(fā)展起到一定的補充和完善。

參考文獻

[1]鄭青梅， 朱劍欽， 陳坦， 等. 隔震橡膠橋梁支座液壓同步升頂更換施工技術研究[J]. 價值工程， 2022（27）： 83-86.

[2]武玉林. 鋼筋混凝土大坡率橋梁同步頂升施工技術研究[J]. 洛陽理工學院學報（自然科學版）， 2021（4）： 53-57.

[3]黃模鎮(zhèn). 公路橋梁超高調(diào)整頂升技術研究[J]. 工程技術研究， 2021（19）： 52-55.

[4]肖宏宇， 劉薇. 橋梁整體同步頂升及監(jiān)測技術[J]. 公路與汽運， 2021（5）： 121-124+132.