某跨航道桥梁整体顶升移位设计

张 涛

（1.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海市200125；2.上海工业化装配化市政工程技术研究中心，上海市200125）

0 引言

顶升移位技术能够根据结构使用的需要，将结构移动到合适的位置上。近年来，顶升移位技术在房屋改造、桥梁改造等工程中取得多次成功运用[1]。相比老结构拆除重建，采用顶升移位技术具有大幅降低建安费，减少建筑垃圾排放，能够保存具有历史意义建筑原貌等优势。

本文结合某跨航道桥梁改造工程建设需要，针对该桥梁进行顶升移位设计，可为以后类似工程设计提供参考。

1 工程概况

某跨航道桥梁，原桥梁结构在2009年完成设计施工。主桥为38m+64m+38m=140m混凝土连续梁桥（见图1），两侧引桥均为4×25m+3×25 m=175m简支空心板引桥，引桥桥面连续。桥面宽度为0.5m（防撞护栏）+11.5m（车行道）+0.5m（防撞护栏）=12.5m。桥面采用双向横坡，横坡均为1.5%。主桥主墩为墙式桥墩。主桥过渡墩与引桥均为排架墩，一桩一柱式结构无承台。原桥梁通航净空为55m×5.5m。

现由于道路升级改造，需在原桥位两侧新建两座桥梁，同时航道需满足三级航道要求，即通航净空满足60m×7.0m。考虑到新老桥梁形成一致横坡，新桥结构底标高控制通航总净空，经过综合推算，需将老桥顶升约2.324m。抬升后将老桥桥台改建为桥墩，两侧另增两孔桥梁与道路接顺，见图2。

图1 原主桥桥型布置图(单位：cm)

图2 顶升后主桥断面(单位：m)

2 设计原则与方案

2.1 设计原则

本项目建成时间不长，桥梁检测表明结构状态良好。鉴于桥梁建成后，诸多规范进行了改版，有的条文更新较大。桥梁改造本着“安全、可行、经济及满足使用功能的原则”，按照新规范对老桥结构主要控制指标进行静力验算，确保结构安全。主要指标按照新规范执行，不足部分考虑采用加固措施；对于部分构造不能满足新规范的情况，仍沿用原有设计标准。

结构性能相关主要技术标准如下：

（1）设计荷载：汽车荷载-城A级；

（2）桥梁横坡：保持原横坡不变；

（3）环境类别：Ⅰ类；

（4）安全等级：一级；

（5）设计使用年限：不低于原设计预期值；

（6）抗震设防：地震设防烈度6度，基本地震加速度值0.05 g，C类设计，抗震设防分类标准为丁类，满足相关构造和抗震措施要求；

（7）顶升完成后标高控制精度：±2mm。

2.2 顶升方案

考虑到主桥顶升准备工作较少，先具备顶升条件，且主引桥结构可相互提供顶升过程中的限位，提高整体顶升安全性；因此，制定总体顶升顺序：主桥先顶升，两侧引桥达到顶升条件后进行顶升。

桥梁顶升总体方案如下：

（1）顶升支撑及设备安装，1#孔、17孔空心板梁体吊离；

（2）主桥安装限位装置并顶升，主墩接高；

（3）引桥安装限位装置并顶升，引桥桥墩接高；

（4）过渡墩顶升，过渡墩接高；

（5）0#、17#桥台改桥墩施工，并将原空心板梁复位。

3 顶升结构验算

3.1 桥梁顶升后结构状态验算

按照顶升后的结构形式和荷载数据，考虑结构施工过程，按规范[2]验算桥梁受力结构，验算项目与结论见表1，均满足规范要求。因此，可认为结构在不考虑新规范中局部构造要求的情况下，顶升完成后结构可直接投入使用，不需要针对结构构件加固与改造。

表1 桥梁顶升后结构状态验算

3.2 顶升过程中结构验算

经过分析，认为顶升过程中结构有三个风险因素：连续梁结构顶升不同步使结构产生破坏；引桥盖梁顶升过程由于体系转变结构承载能力不足；由于引桥无承台，需要设置抱柱梁为顶升千斤顶提供支撑力。抱柱梁结构由于承载能力不足发生破坏。针对风险开展验算分析如下：

（1）连续梁结构顶升不同步分析

建立有限元分析模型，利用支撑点的不均匀沉降模拟顶升过程中不同步产生的影响，分别考虑5 cm、6 cm、7 cm、10 cm不同步率作用下结构状态见表2。当不同步率超过5 cm后，会出现大量裂缝。考虑到目前市面上同步顶升工艺通常能将不同支点不同步率控制在±2mm，将监控支点不同步精度预警值设置为±2mm，超过预警值应预警并采取措施修正不同步率。同时要求不同步率超过±25mm应立即停止作业，检查原因后，修正顶升工艺后再开展后续顶升工作。

表2 连续梁结构顶升不同步分析

（2）引桥盖梁顶升过程分析

考虑在引桥立柱切断后，在外侧立柱外缘0.5m范围设置1个顶升支点；内侧立柱两侧各0.5m范围设置1个顶升支点。在顶升过程中，盖梁承受的荷载包括：盖梁和引桥上部结构恒载；千斤顶支撑力。两者互为作用力与反作用力。考虑到千斤顶之间联动，在顶升过程中，各千斤顶支反力始终保持一致，可推算出各个千斤顶在受力平衡时荷载数值。根据恒载数值和千斤顶反力，可计算得到引桥盖梁结构在顶升过程中主要力学控制指标见表3。经过验算，验算弯矩值和剪力值均小于盖梁结构承载能力允许值，顶升过程中的最大变形非常小，可基本忽略不计。

表3 引桥盖梁顶升过程中内力与变形

（3）抱柱梁验算

利用引桥盖梁顶升过程分析得到的千斤顶支撑力，验算抱柱梁结构，验算内容包括新旧混凝土结合面抗剪和抱柱梁抗弯验算[3]。依据相关规范中验算公式，在不植筋时，抱柱梁新旧混凝土结合面竖向承载能力数值与梁、柱混凝土抗压强度设计值、新旧混凝土交接面的有效面积正相关[4]。经过验算，单个立柱选用1.2m高抱柱梁结构可满足两个引桥顶升点反力的要求。

4 顶升措施与结构构造设计

4.1 引桥抱柱梁结构与顶升设备布置

按照抱柱梁验算要求以及顶升点设置位置，在立柱底部设置高度1.2m的抱柱梁（见图3、图4）。为提高顶升过程中抱柱梁整体稳定和强度，将同一个桥墩三根立柱底的抱柱梁连接为一体。为不影响桥梁顶升完成后，桥墩立柱桩基的水平向刚度，要求在顶升完成后拆除抱柱梁连接段。抱柱梁上设置8处钢支撑，钢支撑底部采用植筋固定。钢支撑顶上设置A、B两组千斤顶，每组千斤顶4个，以便于交替顶升。单组千斤顶总顶升力/单组顶升总荷载大于1.75。

图3 引桥桥墩抱柱梁与千斤顶布置立面（单位：cm）

图4 引桥桥墩抱柱梁与千斤顶布置平面（单位：cm）

4.2 引桥桥墩接高

引桥立柱用金刚绳锯切断后，用水刀清除切断面上下各1m范围内的混凝土，不得采用破碎锤等易造成结构体剧烈振动的设备，以免造成结构本身破坏。利用机械冷挤压套筒将接长主钢筋与立柱受力主钢筋对接连接，并在接长段外侧布置螺旋箍筋，接长段需浇筑无收缩混凝土。

4.3 主桥顶升设备布置

主桥承台上支撑空间充足，根据顶升荷载需要，采用16处钢支撑，钢支撑底部采用植筋与承台固定。钢支撑顶上设置A、B两组千斤顶，每组千斤顶8个，以便于交替顶升。单组千斤顶总顶升力/单组顶升总荷载大于1.75。

4.4 主桥桥墩接高

主桥主墩在立柱顶面局部接高，接高处立柱顶面需凿毛，通过植筋将接高段受力主钢筋与原立柱连接。

4.5 过渡墩抱柱梁结构与顶升设备布置

与引桥抱柱梁结构类似，抱柱梁高度1.2m，顶升施工过程中将各个立柱底抱柱梁连接为一体，顶升完成后，拆除抱柱梁连接段（见图5）。过渡墩抱柱梁上钢支撑以及千斤顶布置分为两个阶段。第一阶段：主桥顶升时在抱柱梁靠近主桥侧设置8处钢支撑，钢支撑顶上设置A、B两组千斤顶，交替顶升主桥；第二阶段：引桥及过渡墩顶升时在抱柱梁偏向引桥侧设置8处钢支撑，钢支撑顶上设置A、B两组千斤顶，交替顶升盖梁。单组千斤顶总顶升力/单组顶升总荷载大于1.75。

图5 过渡墩抱柱梁与千斤顶布置平面（单位：cm）

4.6 附属结构设计

由于桥面布置变化，顶升前需要拆除防撞墙。按照顶升施工工艺，需要拆除伸缩缝，主桥球钢支座。顶升完成后，施工新的防撞墙、伸缩缝以及主桥球钢支座。根据检测报告，引桥部分支座老化，在顶升完成后，更换新支座安装。

5 结 语

在老桥顶升工程中，由于设计规范的变更，桥梁结构通常只能够满足原规范要求，在设计前期阶段需要针对顶升后结构标准进行明确。本工程中，结合桥梁结构特点，提出主桥引桥分开顶升的设计方案，顶升后的结构验算验证了该工程采用顶升的可行性，设计中分析了顶升过程中的风险点并进行验算。设计了顶升抱柱梁结构、顶升千斤顶布置位置、桥墩接高等构造措施。在实际工程施工过程中，施工单位尚应充分考虑施工阶段的风险，如：顶升纵横向偏移、大风恶劣天气、设备故障等，确保工程的顺利开展。