钢筋混凝土连续箱梁调坡顶升改造关键技术探讨

刘 广

(山西晋通公路工程监理有限公司，山西 晋城 048000)

1 工程概况

1.1 桥梁概况

清水河桥跨越大石西路交叉路口和清水河，主跨为独塔自锚式悬索桥，南北两侧引桥均为3×25 m 单箱三室预应力混凝土连续箱梁。桥梁单幅全宽14.75 m，桥面组成为2×1.0 m(花池)+2×0.5 m(防撞墙)+11.75 m(车道宽)，桥梁横坡原设计为1.5%，桥面混凝土为C50，厚度为12 cm，每一联的混凝土方量为767.5 m3。下部结构为Y 型双肢薄壁墩、钻孔灌注桩。

1.2 调坡顶升概况

新二环高架桥的修建使得清水河引桥不能满足新型交通规划的发展需要，桥梁整体顶升技术实施起来比较方便快捷，工艺简单，工期短，对周边地区的影响也小，与拆除原有旧桥重新建新桥相比较而言，整体顶升方法省去了大量的人员、机械和材料，这就节省了大量的开支，同时既可以保证城市新规划的发展要求，也延长既有桥梁的使用寿命，体现了节约资金、绿色环保的理念，更能体现项目的社会效益、经济效益和环境效益。南北引桥顶升详细数据见表1，表2。

表1 各桥墩(台)顶升高度表

表2 总体顶升概况表

1.3 本工程的特点和难点

1)该桥为连续箱梁结构，充分有效的利用该桥的基础及下部结构，在不改变原有桥梁整体受力的情况，根据现场的实际情况，对顶升支撑结构要进行合理选择和布置，支撑要具备足够的强度、刚度和稳定性，严格控制各墩台间的差异变形。2)由于顶升调坡不是等高提升，各支撑点的升高距离需根据设计坡度进行调整，从而能保证调坡后线形顺直，坡度统一，运行舒适美观，这就对调坡控制系统提出了更高的要求，不仅要保证桥梁同一个横断面上横向位移同步，又要保证纵向角位移一致，顶升过程中始终保证原有箱梁的线形。3)由于顶升后桥梁的原有坡度发生了变化，这就导致每一跨支座中心点的距离发生变化，从而影响到原来梁的长度，虽然影响的数值很小，但在顶升过程中要特别注意此变化，保证顶升后桥梁的运行安全。4)顶升过程中把原来梁的坡度改变了，千斤顶与梁底接触面的角度也发生了变化，从而使千斤顶的受力面发生了变化，千斤顶的中心轴线与接触面不再垂直，千斤顶可能发生纵向位移，存在一定的质量和安全隐患，如何解决此问题是本工程的关键。

2 顶升方案

本项目中采用直接顶升法，利用改造后的承台作为顶升反力基础。在承台上放置钢支撑，箱梁底部设置钢分配梁，钢支撑和钢分配梁作为支撑的受力面，把千斤顶安装在钢支撑与钢分配梁之间，千斤顶与PLC 电脑控制系统进行连接，由电脑操作整个控制系统的运行，保证整个顶升过程的角速度一致，从而实现整体顶升箱梁的方法来抬高桥梁标高，顶升到位后，切断墩柱，单独顶升墩柱，然后对墩柱进行连接恢复，对桥台进行拆除和改造，改造完成后安装支座并浇筑垫石，满足强度要求后拆除支撑下方垫层，将上部荷载从顶升支撑转移到墩柱上。

2.1 钢支撑托架体系

托架体系由φ609 钢支撑、临时垫块以及连系杆等组成。用φ609×16 mm 钢管组装成整体的支撑杆件作为支撑的主要构件，杆件间的连接要牢固可靠，受力合理，保证有足够的支撑完成顶升任务，在加固好的承台上植入足够的锚栓用来连接支撑杆件。上下两节钢管支撑间通过法兰螺栓连接，用型钢作为水平连系杆及剪刀撑将整个支撑杆件连成一个格状构柱，保证整个体系的稳定。支撑体系布置图见图1，图2。

图1 清水河桥钢支撑立面图（单位：mm）

2.2 对于千斤顶的选择

千斤顶的选用非常关键，选择的千斤顶必须满足顶升的实用需要。本项目选择带球头可转动的液压千斤顶，顶部球头转角最大可达5°。当顶升过程中坡度发生变化时，千斤顶的球头可以随着坡度变化而转动，保证千斤顶与接触面紧密相接，受力均匀，不产生相对位移，从而保证整个顶升系统匀速达到要求高度。

图2 清水河桥钢支撑平面图（单位：mm）

用一个足够强度的保压环安装在千斤顶上面，有效保障千斤顶的机械承载连接。

3 结构验算

3.1 主梁纵向验算

顶升时支点位于原支点左右侧，因相对整联桥梁长度，两支座间距较近，同时顶升时不存在左右脱空的情况，故在计算模型中仍可看作一个支点计。顶升施工时箱梁正截面无拉应力，满足规范允许值0.7f 'tk=1.855 MPa;正截面压应力最大为6.7 MPa，小于规范允许值0.7f 'ck=22.68 MPa，故此项计算是安全的。

表3 标准组合支座反力 kN

由表3 得知中墩最大竖向荷载为9 315.8 kN，代入下部顶升系统计算。

3.2 支撑反力验算

用桥梁博士对整个支撑力进行验算，通过验算确定各个支撑系统的受力情况，梁的反作用力通过横梁构造均匀落到钢梁上，如图3 所示，q=835.5 kN/m。在验算过程中，假设主梁刚度为无穷大，支撑构件刚度，按每一根钢管的理论支撑刚度K0=1.54×106kN/m 考虑。靠梁内、外支撑刚度分别为2K0和3K0，计算模型及反力计算如下。

图3 支撑反力计算

液压千斤顶最大反力为:N=3 119.8/3=1 040.0 kN，实际液压千斤顶额定顶力3 000 kN，最大反力小于千斤顶的额定顶力，安全系数较高，可以正常使用。

3.3 整个支撑构件的验算

施工过程中，当千斤顶慢慢升起时，桥梁纵向的坡度发生变化，产生纵向的附加水平分力，同时桥梁的横向由于支撑柱与地平面有一定的夹角，产生了横向的附加水平力，经过验算，纵向分力为竖向荷载的2%，横向分力为竖向荷载的1%。

通过结构验算，构件产生的最大应力为80.4 MPa，而材料的极限应力为210 MPa，产生的最大应力小于材料极限应力，确定整个顶升结构的承载能力满足设计要求，结构是安全的。管顶最大竖向位移为1 040/K0=0.7 mm，最小竖向位移为775/K0=0.5 mm，最大位移差仅为0.2 mm。结构刚度满足要求。

在最不利情况下，支撑的稳定系数η=37.5。稳定性满足要求。

3.4 局部承压计算

对于混凝土箱梁，它的强度是固定的，在施工过程中，就要计算箱梁局部承压部位是否能经得住千斤顶的顶升，必须保证在整个顶升过程中不对原有箱梁结构本身造成影响。根据顶升的承压面积可以计算是否满足顶升要求，见图4。

图4 液压千斤顶顺桥向布置示意图（单位：mm）

根据承载要求，依据下列公式关系，通过计算求出结论:

其中，Fld为承压接触面部位的设计压力值;fcd为顶升结构轴心方向设计抗压强度值;ηs为顶升混凝土结构的修正系数，根据要求本工程取1.0;β 为混凝土结构承压强度提高系数;A1n，Al均为混凝土结构支撑面的面积。

经计算，得β=4。1.3ηsβfcdA1n=1.3×1.0×4×23.1×750×750×3.14/4=53 067 kN ＞1 040 kN。局部承压满足要求。

4 结语

本文以清水河引桥调坡顶升工程为例，从支撑系统的强度、刚度、稳定性及主梁局部承压等方面的验算入手，从理论上确保了整体顶升施工过程结构的安全性和稳定性，为顶升施工的顺利进行提供了强有力的理论保障，为同类桥梁调坡顶升施工奠定了坚实的基础。

［1］尹天军.高速公路上跨桥整体顶升技术［J］.世界桥梁，2009(1):61-67.

［2］林耿雄，姜海波.桥梁顶升技术的探讨［J］.广东建材，2008(10):65-68.