城市桥梁改造中的既有连续梁桥顶升技术改造

游 炜

(厦门市市政建设开发总公司 福建厦门 361000)

引 言

随着机动车数量的快速增长，既有城市桥梁往往不能满足日益增长的车辆通行需求。这为城市桥梁建设带来了一个新的课题:对既有城市桥梁进行扩宽或高架改造，以增加道路的通行能力。如果对建成时间较短的桥梁进行拆除重建不仅造成巨大的资源浪费，而且会引起环境污染问题。因此考虑既有城市桥梁建成时间较短，结构较新，为节省工程投资、缩短工期并且减少拆除重建产生的社会影响，在保证结构安全、运营后行车舒适的前提下，应尽可能多改造利用既有桥梁结构。桥梁顶升技术就是在这样的环境下应运而生。

目前，城市桥梁顶升技术已经在厦门市湖滨东路跨线桥顶升工程、厦门市莲岳路跨线桥顶升工程、天津狮子林桥顶升工程、天津北安桥顶升工程、上海吴淞江桥顶升工程、南浦大桥抬升工程等一系列重大建设工程中，获得了巨大成功，取得了显著的经济效益和社会效益。传统的桥梁顶升系统构成中主要有临时支撑子系统、液压顶升子系统、PLC控制子系统、随动支撑子系统、纵横限位子系统、监控量测子系统构成。在仙岳路与成功大道立交改造提升工程中，需要对一联钢箱连续梁和一联预应力混凝土连续梁进行顶升改造。其中预应力混凝土连续梁一端顶升高度达到了11.181m，为目前国内最高。为增加顶升过程的安全性、缩短顶升工期，该顶升工程摒弃了传统的随动支撑技术，采用交替顶升技术。文章详述了既有连续梁桥顶升技术改造的技术要点。

1 工程概况

仙岳路为厦门市主干道，其西段已实现全程高架桥。而中段仙岳路下穿鹰厦铁路并于成功大道立体交叉，往东接金尚路高架桥。为提升仙岳路中段的通行能力和与成功大道的交通转换能力，对仙岳路与成功大道立交工程进行提升改造，将仙岳路中段改为全线高架桥并在成功大道处增设三座匝道桥。原仙岳路西段高架桥在跨越台湾街后落地，本次改造将跨越台湾街的L3联钢箱梁和L4联预应力混凝土箱梁进行顶升利用，接新建高架桥见(图1)。

L3联为钢箱梁，配跨为36m+45m+36m，L4为预应力混凝土箱梁，配跨为3×36m，L3及L4联一部分位于R=3000m的凸形竖曲线上，其后接纵坡为4.53%的下坡。箱梁梁高2.0m，桥宽25.0m，按整幅布置，采用扁平流线型箱梁截面。

由于L3联箱梁的现状桥面比扩建后的桥面起点低0.001m，终点低3.522m，且大部分位于竖曲线上，桥梁结构为向上的拱形，若整体顶升，则铺装调平层最厚处需增设97cm，无法满足结构布置及受力要求。设计考虑对上部钢箱梁进行整体顶升，然后切割成3段分段调整标高，最后将3段钢梁重新焊接成整体的施工方案。L4联改造前后平面及立面均位于直线段上，新桥面比现状桥面高3.522～11.261m，因此，拟对该联箱梁进行顶升处理，通过顶升、旋转后，箱梁末端比新桥面低8.0cm，采用增设混凝土调平层能满足设计要求。

图1 L3、L4联顶升改造示意图

2 连续梁桥交替顶升的技术要点

连续梁桥为超静定结构，在顶升过程中要保证结构为刚性的旋转或平移，结构内部才不会产生次内力。顶升过程中最理想的状态为刚体位移，即在同步顶升时要保证各顶点位置的位移相同，在旋转顶升时要保证各支座处的竖向位移成比例。实际顶升时，各支座的实际位移与理论值相比不可避免的出现误差。必须要控制各支座处的位移误差，以控制梁体次内力的水平，保证结构的安全。此外，梁体在顶升时重量从支座转移到液压顶升系统和临时支撑上，而且由于解除了支座约束，梁体在空间上易发生纵向和横向的位移。这些因素在顶升方案编制时必须加以考虑并合理解决。

2.1 临时支撑技术

桥梁上部结构的重量是通过支座、墩台传递到下部结构上的。顶升时主梁脱离原支座，主梁自重要有新的支撑体系来承担，此即为临时支撑。一般采用钢管柱作为临时支撑体系，见(图2)所示。钢管柱基础可以利用原桥承台或扩大基础，或者当地基承载力满足时设计为独立的基础。当原承台或扩大基础的宽度不够时，可以采用植筋的方式对原承台进行加宽。钢管支撑要有足够的强度、刚度和稳定性，而且钢管支撑要易于接长、安装，也不能影响对墩台的改造施工。

临时支撑体系还应该考虑主梁的临时承力点位置。对于混凝土箱梁，临时承力点应设置在横隔板位置或腹板位置。钢箱梁的临时承力点最好设置在横隔板和腹板的交界位置。通过分配梁、千斤顶将力传递到临时钢支撑上。

对于比例调坡顶升，临时支撑设计还需要考虑以下两点因素。一是，随着梁体坡度的变化，主梁在纵向上的水平投影长度会变化。以3×36m连续梁为例，坡度从－4.53%变化到2.74%，梁体投影长度先增长0.11m，再缩短0.04m。这要求千斤顶在纵向上的位置可调，在顶升过程中确保千斤顶与钢管柱对中。横向分配梁要有足够的宽度，且能承受千斤顶偏心压力的作用。二是，随着梁体坡度的变化，千斤顶的垂直度要保持基本不变。通过在千斤顶与分配梁之间增加楔形钢板来实现，将千斤顶的垂直度误差控制在0.5%以内。此外千斤顶的活塞顶帽带有球形铰，允许有0.5度以内的转角。

临时支撑系统的主要作用不仅是承担上部结构桥梁箱梁的重量，还要解决比例顶升中的梁体投影长度改变和角度改变问题。因此需要考虑他的承载力、刚度及稳定性，保证梁体顶升时托架体系本身的状态不变，同时保证梁体在顶升过程中的受力状态不变，包括附加应力、位移等。

图2 顶升临时支撑系统

2.2 PLC液压同步顶升控制技术

顶升指令控制系统为PLC液压同步顶升系统，是一种反馈控制系统，包括控制主机、位移传感器、变频泵站等设备见(图3)。PLC液压控制同步顶升是一种力和位移综合控制的顶升方法。这种控制方法是建立在位移和顶升力双闭环的控制基础上。为使液压千斤顶平稳地顶举桥梁。首先，在正式顶升前要对桥梁进行称重。当主梁自重全部转移到千斤顶和临时支撑系统时，记录各分组千斤顶的油压值并换算成千斤顶的顶升力。在此后的顶升过程中，千斤顶的顶升力与初始值相比误差应控制在±5%以内，此即为力闭环的原理。其次，在顶升前，依据纵向支座间距比例设定支座竖向位移比例，计算各支座的理论位移量。通过布置于支座断面上的竖向位移传感器反馈实际位移数据，计算实际位移与理论位移的差值，控制变频电机转速增减，从而控制千斤顶的顶升速度，实现位移闭环控制。

通过顶升力和顶升位移的双闭环控制，可以控制梁体顶升时的位移和姿态。采用PLC系统的位移同步精度可以 达 到 ±2.0mm。这样可以很好的保证顶升过程的同步性，使顶升过程中桥梁受到的附加内力下降至最低，确保顶升时梁体结构安全。

图3 PLC液压同步顶升控制系统

2.3 纵横向限位技术

顶升时，由于解除了永久支座对梁体水平位移的约束，极小的水平力就可能造成桥梁纵向或横向的位移。若产生纵向位移，则可能造成伸缩缝过宽或过窄，支座中心偏离设计位置等危害;若产生横向位移，则可能造成既有梁横向错位、轴线偏离设计位置等危害。水平位移严重的时会危及结构安全。因此，在顶升过程中要设置临时的限位措施防止主梁产生过大的纵向和横向位移。

在比例调坡顶升时，梁体一端顶升，另一端没有顶升。此时，可以将没有顶升的梁端纵向固定在相邻的梁体上或桥台上。通过在伸缩缝间插入钢楔垫块以防止伸缩缝缩小。通过千斤顶纵向限位装置施加拉力，限制伸缩缝变宽趋势。纵向限位装置见(图4)。需要注意的是比例调坡顶升时，梁端会产生转角，纵向限位装置的设计要充分考虑这一因素。

横向限位装置可以是限位柱或限位架，安装在顶升梁端。横向限位装置见(图 5。)若产生横向偏移可以采用钢楔垫块或横向千斤顶纠偏。在非顶升一端一般可不设专门的横向限位装置，但可以将部分纵向限位装置与桥轴线呈45度角安装，起到一定的横向限位功能。

图4 纵向限位装置

图5 横向限位装置

2.4 监控与量测技术

桥梁的顶升过程中，各千斤顶顶升速率仍有可能存在差异，将导致梁体出现相对位移差，主梁产生次内力，进而有可能使梁体受到损伤。鉴于连续梁顶升的风险性，一般要引入第三方单位对连续梁顶升进行监控。第三方监控内容包括，PLC测点竖向位移的复核测量、梁体应力的实时监测、梁体的投影伸长和横向偏移、桥面控制点标高测量等。

PLC测点竖向位移的复核测量是通过在PLC采集竖向位移传感器附近布置第三方监控位移传感器，如光栅尺，实时测量各测点的竖向位移值，并与PLC系统测量数据进行对比，控制梁体的竖向位移误差;梁体的应力测量是通过在梁体上布置电阻式或者钢弦式应变传感器，实时监测梁体的应变变化情况，确保结构受力状态始终在安全范围内;梁体投影伸长和横向偏移监测的目的是掌握梁体的空间姿态;而桥面控制点标高测量的目的是复核PLC的累计位移量，消除多次累加的误差。

2.5 交替顶升技术

由于千斤顶的行程有限，一次行程达不到设计顶升高度。液压千斤顶收缸，需要对梁体进行可靠的支撑。传统的做法是采用随动顶升技术。随动顶升为每个支撑顶点布置安装一组可主动施加顶升力的千斤顶和一组被动跟随千斤顶，并分别由各控制台控制液压泵站驱动两组千斤顶。顶升过程中，由主动千斤顶进行梁体顶升，跟随千斤顶同时跟随顶升。一个行程过后，主动千斤顶收缸，主梁自重转移到跟随千斤顶。收缸后的主动千斤顶的活塞下垫设相应高度的钢支撑垫块，主动千斤顶调整到位并重新受力后，跟随千斤顶收缸，并在收缸后千斤顶的活塞下垫设相应高度的钢支撑垫块。重复以上步骤，直至完成整个顶升过程。

顶升过程中，随动千斤顶虽然实时跟随，但其并不提供顶升力，只起到在主动顶失效后的保护作用。主动顶达到行程收缸，梁体自重是逐渐转移到跟随千斤顶上的，因而不可避免的会对跟随顶产生压缩。由于各跟随顶的支撑刚度不同，压缩量必然不同，而且压缩量是不可控制的。分析随动装置顶升的工作过程，每行程顶升循环都需要对主动顶和随动顶进行抄垫，工作效率较低，延长顶升工期。基于上述两点原因，在规模较大，顶升高度较高的顶升工程中，不宜采用随动顶升技术。

图6 交替顶升千斤顶

将跟随千斤顶更换成另一组主动千斤顶，两组千斤顶交替作为主动千斤顶，此即为交替顶升装置。顶升过程中，先由第一组千斤顶进行梁体顶升的一个行程，另一组千斤顶为替补。当达到行程后，在替补千斤顶活塞下垫实钢支撑垫块，进行主动托换，开始下一个行程顶升。重复以上步骤，直至完成整个顶升过程。

采用交替顶升技术，首先，改随动装置的被动托换为PLC系统控制下的主动托换，消除了随动装置压缩量不均现象。其次，交替顶升由于液压千斤顶的收缸速度快，每顶升两个行程垫实一次垫块，工作效率提高一倍，可以大幅缩短顶升工期。交替顶升的主动千斤顶数量是随动顶升的两倍，此外为增加顶升过程的安全性，需要对每个千斤顶配置液压平衡阀，防止泵站和管路的突然失压。交替顶升千斤顶见(图6)。

3 结语

结合仙岳路与成功大道立交改造提升工程L3联钢箱梁和L4联混凝土箱梁的顶升案例，介绍了连续梁桥顶升改造五个方面的技术要点。连续梁桥顶升控制的核心问题是控制各墩的实际位移量与理论位移量误差在一定范围内，连续梁产生近似刚体位移。此外，应结合比例调坡顶升工程特点，处理梁体投影长度变化、千斤顶垂直度、以及水平力引起的桥梁纵横向移位等诸多难点。在本工程中，使用交替顶升技术，显示了该顶升技术具有安全系数高、顶升速度快、工期短等优势。本文所述技术要点可以为同类工程提供借鉴。

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