变截面连续梁整体顶升技术在桥梁改建中的应用

李国锋

(中铁十四局集团有限公司 山东济南 250000)

1 引言

随着我国城市、交通规模不断发展，以往修建的部分道路、桥梁已经不能适应未来发展，需要采取改、扩建手段进行升级。为了降低成本、减少浪费，桥梁改扩建时很多桥梁经常会被保留，采用加宽或顶升手段调整线形[1]，使其进一步发挥功效。

桥梁顶升技术尽管在很多工程中有应用(如桥梁支座更换)，但桥梁顶升接高工程中，顶升高度远大于更换支座时的高度，顶升精度控制要求、桥梁内力控制要求也更高。

广中江高速东风互通施工中遇到的变截面、不等跨、不同顶升高度等多项技术难题，对保证稳定性、保证主梁内力及线形等方面提出了更高的要求，需要采取更精细化的顶升技术[2]。

2 工程概况

广东省广中江高速公路东凤互通主桥设计采用39 m＋60 m＋32 m变截面连续箱梁，桥梁上部设计为变截面连续箱梁，单箱三室，箱梁顶板宽度16.5～20.5 m，厚度0.28 m；底板宽度11.5～15.5 m，厚度0.25 m。箱梁高度2.0～3.7 m，腹板宽度0.65 m。

该桥梁下部结构的4个墩(DZ42～DZ45)，依次为双柱式圆柱墩(直径1.6 m)、双柱式门式方墩(截面尺寸2.5×2.2 m)、三柱式门式方墩(截面尺寸2.5×2.2 m)、三柱式圆柱墩(直径1.6 m)，其中边墩处墩柱平均高度8.9 m。桥梁基础采用1.8 m钻孔桩，其中边墩为桩柱结构，设底系梁；主墩为双排桩结构，设工字形承台。

该连续梁施工完成后，因设计方案变更，桥梁线形发生了较大变化，需对该桥主梁整体顶升，并调整纵坡，将坡度由现状的 －0.03%调整为1.32%，顶升到位后桥梁水平投影长度缩短12 mm。顶升总面积2 345.5 m2，顶升总重量达64 813 kN。各墩位具体顶升高度见表1。

表1 各墩位顶升高度

3 技术难点分析

本工程为一联三跨变截面连续梁调坡顶升，各墩处的顶升荷载均不相同，中墩互不相同，且与边墩差异较大，因而对设备的同步性要求较高[3]；顶升高度最高达3.24 m，边墩顶升高度相差1.77 m，梁体在顶升过程中除上升外，还在逐渐竖向旋转，第一阶段调坡顶升过程中千斤顶的垂直度和位置在不断变化，对支撑体系的稳定性要求较高。

4 施工方案比选及工艺控制

4.1 施工方案比选

由于调坡影响，各墩顶升高度不一致，其中DZ42与DZ45梁部顶升差为176.7 cm。基于此，通过分析探讨，就如何顶升进行了方案对比，见表2。

表2 顶升方案对比

经对比分析后最终采取方案二，安全风险相对较低。主要施工顺序:(1)以DZ42墩(该墩设计顶升高度为147.2 cm)为旋转点，进行调坡顶升(角速度一致)，当DZ45墩顶升高度达到176.7 cm时停止顶升；(2)对全桥同步顶升147.2 cm，全桥达到设计顶升高度；(3)先切断两处主墩，将主墩上半部分(含墩顶盖梁)顶升，然后接高墩柱；(4)破除边墩盖梁及部分墩柱并重建，最后进行落梁。

施工工艺流程:原承台基础改造[4]→梁底分配梁安装→钢管支撑系统安装→千斤顶顶升(受力由墩身转移至临时支撑)→梁部顶升→中墩断柱顶升接高→边墩及盖梁拆除重建→支座、垫石安装→落梁就位→拆除临时支撑。

4.2 原承台基础改造

(1)边墩基础改造

边墩设计为桩柱结构，现有基础无法直接使用，故需要在现有桩基内侧新增钢管桩并施作承台，作为临时顶升基础[5]。钢管桩桩径为500 mm，壁厚10 mm，每个墩打入两排钢管桩，梅花形布置。承台宽2.6 m，高1.5 m，长度与现有盖梁尺寸相同，见图1。

图1 边墩基础改造(单位：cm)

(2)主墩基础改造

主墩承台为工字形，根据设计资料，现有基础承载力满足顶升要求，仅需中墩在承台两侧和中间缺口部分适当扩大，在承台顶面支撑位置增设分配梁；在承台横向侧增设砼牛腿，长100～120 cm，宽150 cm；在承台顶设砼扁担梁，梁高100 cm，宽120 cm，见图2。

图2 主墩基础改造示意(单位：cm)

4.3 临时支撑体系

(1)临时支撑体系结构设计

临时支撑体系从下至上设计为钢管立柱、顶部横梁(分配梁)、找平垫块。各墩临时支撑布置形式见表3。

(2)临时支撑立柱施工

顶升支撑体系立柱采用φ609×16钢管，上下两节通过法兰连接，底部植筋与承台连接。钢管长度6～2 m不等，根据桥下净空高度和顶升高度选用，原则上节段长度宜长不宜短。顶升过程中采用φ500×12钢管作为工具式垫块，长度规格2～0.1 m不等[6]。钢支撑间通过型钢加固成整体，高度方向不超过2.5 m设一道水平支撑，上下水平支撑之间设剪刀撑。水平支撑采用 14型钢，剪刀撑采用100×8角钢。

由于桥下净空有限，无法使用大型起吊设备，立柱安装使用装载机配合人工安装。安装时先将立柱水平运输至桥下，然后在梁底设临时吊点逐步将钢管扶正[7]。安装时先安装内排，再安装外排。

(3)分配梁安装

分配梁固定在箱梁底部，位于箱梁与千斤顶之间。分配梁直接承担上部结构重量，并将力传递给千斤顶，因此分配梁要有足够的刚度、强度及稳定性，保证在梁体顶升过程中不发生变形。分配梁采用腹板箱式分配梁，梁宽800 mm，梁高800 mm，梁长13～17.8 m，共计6根。

分配梁安装时，采用倒挂方案，在梁底每间隔1 m位置打入膨胀螺栓，将分配梁与膨胀螺栓连接。打孔时需避开主梁钢筋位置。

(4)调平垫块施工

受现有主梁梁底纵坡影响，顶升前需在梁底设置调平垫块。垫块采用钢筋混凝土结构，内设钢筋网片，灌浆料灌注密实以保证密实度[8]。

(5)水平限位装置施工

由于桥梁调坡顶升，梁体绕低支点有转角；另外受顶升支撑和千斤顶的安装误差，顶升过程中将产生部分水平力。为保证梁体的正常姿态和位置[9]，保证顶升系统的安全及梁体结构安全，在边墩盖梁顶面设置两根纵向砼限位柱。限位柱截面尺寸为800×800 mm，其中DZ42限位柱高2.5 m，DZ45限位柱高4.3 m。

4.4 千斤顶布置与安装

本工程采用200 t、300 t两种液压千斤顶。根据各墩顶升高度不同，千斤顶本体高度分为472 mm、572 mm两种，行程分别为140 mm、240 mm，见表4。

表4 顶升千斤顶配置

千斤顶选用带球头可转动的液压千斤顶，顶部球头转角最大可达5°。千斤顶顶部球头随上部结构坡度的变化而转动，保证千斤顶受力过程中始终保持垂直状态。

为避免顶升过程因顶升系统液压失效带来的风险，在顶升千斤顶处同时布置同步辅助跟随千斤顶。跟随千斤顶与顶升千斤顶采用同型号，现场以不同颜色区分。与人工填塞垫块的方法相比，同步千斤顶可以实现无间隙跟随，精度更高、更安全，具体布置见图3。

图3 主墩千斤顶布置(单位：cm)

4.5 桥梁顶升

(1)桥梁试顶升

桥梁顶升采取位移与顶力双控的原则。为了观察和验证支撑[10]、顶升系统工作状态，桥梁正式顶升前进行试顶升，试顶高度10 mm。顶升时首先加载至理论顶升力的80%，然后缓慢加载至位移传感器确定各点已经分离，再顶升使各顶达到10 mm。停机10 min后检查桥梁各支顶部位和顶升支架有无变形和加载点有无局部破坏情况。试顶升合格后进行正式顶升。

(2)梁部正式顶升

经试顶检验合格，梁部进入正式顶升阶段。以顶升对大距离的DZ45墩处的位移来控制顶升节奏，每20 cm为标准循环反复顶升，直至梁部达到设计标高，施工现场见图4。

图4 桥梁顶升接高施工现场

5 桥梁顶升关键要点及措施

(1)本桥因涉及调整桥梁纵坡，所以梁体除竖向位移外，还存在水平位移及转角。施工中必须采用抗水平位移及水平力的措施，保证顶升过程安全，防止箱梁倾覆。在本桥施工中具体表现为先转角、再顶升，减少水平力作用的时间；在边墩设置水平限位装置。

(2)临时支撑体系的设计，应充分利用现有桥梁基础，且必须对现有桥梁基础进行验算和分析，校核其承载力是否满足施工阶段荷载需求，尤其是支架可能对既有基础产生的偏心压力和水平力。本桥支撑在边墩处设置“独立”基础，在主墩处设置“对称”基础。

(3)桥梁顶升的最终目标在于“保全”现有梁体，所以在施工过程中，应对梁体施工过程中的受力状况进行验算，防止梁体受伤。首先要保证各支点尽可能靠近主横梁；其次要保证顶升过程“同步”，保证各支点处受力始终处在可控范围内。本桥顶升充分利用PLC同步[11]顶升技术，严格控制顶力与位移，使之匹配，施工过程中严密监视梁体内力及变形，确保梁体“内在安全”[12]。

6 结束语

广中江高速公路东凤互通主桥顶升施工，通过“先转角、再顶升”的施工方案，采取了主千斤顶＋跟随同步千斤顶、千斤顶顶端可转球头、盖梁限位柱等一系列措施，在保证施工安全的同时，又保证了施工进度，降低了对主梁内力的影响。通过整体顶升施工技术的应用，减少了桥梁改扩建中的废弃工程，减低了成本、提高了效益，为同类工程提供借鉴参考。