双薄壁墩防撞浮箱提升技术研究与工程应用*

王俊新 周建庭

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

0 引 言

双薄壁墩是现阶段我国大、中跨径桥梁中比较常用的桥墩形式，其构造特点是具有两个相互平行的墩壁与主梁铰接或刚接，钢筋混凝土双薄壁墩可以增加桥墩刚度，减小主梁支反力峰值，增加桥梁美学性能[1].相对于单肢薄壁墩，双薄壁墩通常不能承受船舶撞击力[2]，一般采用增设防撞浮箱的形式对其进行保护[3-4]，目前较常用的是FRP防撞浮箱[5].防撞浮箱在低水位时会落在河床上，而河床在水流冲刷的作用下经常会出现不平整的现象，此时，需要将防撞浮箱进行整体提升，对其下部进行清理或浇筑永久性混凝土支撑平台，以确保防撞浮箱落下时不受损坏.

FRP防撞浮箱由前箱、中箱和后箱组成，单套浮箱由12个单元箱通过燕尾槽卡榫连接[6-7]，为避免整体提升时对燕尾槽卡榫连接处造成损坏，需采用液压千斤顶同步提升技术.目前液压同步提升技术多用于大跨度钢屋盖结构[8-9]、大跨度连体钢桁架结构等，较少用于防撞浮箱的提升.防撞浮箱的安装施工一般采用浮吊船吊装，需要在高水位时期进行，而在运营过程中对其下部进行清理或施工时需在枯水期进行，枯水期则无法使用浮吊船进行吊装提升.所以本文结合桥梁双薄壁墩的特点，研究了针对防撞浮箱的液压同步提升系统，以保证防撞浮箱整体提升时的同步性、稳定性及安全性.

1 液压同步提升系统

1.1 系统组成

液压同步提升系统具体由锚固系统、提升系统、捆绑系统三部分组成.

锚固系统布置在双薄壁墩横系板上，为增大受力接触面积，横系板上垫4块80×80×2 cm的钢板以分散锚固系统传递至横系板上的荷载，锚固系统承重梁采用I56双拼工字钢焊接而成，钢板与承重梁之间放置板式橡胶支座以确保密切接触，前箱侧支撑位置承重梁的内力较大，采用I56a双拼工字钢加焊4 mm×12 mm肋板，承重梁通过Φ32精扎螺纹钢与横系板底部的C10槽钢连接，确保锚固系统的稳定，承重梁端部设置提升系统操作平台，见图1.

图1 锚固系统平面、立面布置图(单位：cm)

提升系统由PLC同步控制器、穿心千斤顶、预应力钢绞线、锚夹具等构成.防撞浮箱前箱位置设两个吊点，每个吊点采用8束7×Φ15.2的钢绞线，后箱设两个吊点，每个吊点采用4束7×Φ15.2的钢绞线，见图2.整体提升时，张拉缸油嘴进油，张拉缸带动工具锚上移张拉钢绞线，张拉缸接近最大行程时，停止进油，保持张拉缸稳定，将脚叉下工具夹片敲入工具锚环内，临时锚固钢绞线，张拉缸回油、复位，千斤顶上工具锚重新夹持钢绞线，张拉缸油嘴进油，进行第二循环张拉提升，重复前述过程，实现浮箱整体提升.

图2 提升系统立面布置图(单位：cm)

捆绑系统由柔性吊带与型钢框架梁组成，型钢框架梁采用I40双拼工字钢和I40工字钢焊接而成，见图3.由于防撞浮箱是由多个单元箱通过燕尾槽卡榫方式连接成为整体，为防止整体提升过程中卡榫与燕尾槽脱开，导致浮箱解体，需先将浮箱用柔性吊带捆绑成整体，再用柔性吊带穿过浮箱底板，将浮箱整体兜吊在型钢框架梁上，吊装时，提升系统的钢绞线作用在型钢框架梁上，不会对浮箱和柔性吊带造成损伤.

图3 捆绑系统平面布置图(单位：cm)

1.2 系统主要技术参数和提升工艺流程

①适应横系板尺寸5～7 m；②适应防撞浮箱重量≤90 t；③穿心千斤顶行程单次40 cm；④提升方式 液压油缸提升、锚夹具限位；⑤提升点数 四点同步提升；⑥四点同步精度 ≤10 mm；⑦预应力钢绞线Φ15.2 mm，1 860 MPa；⑧柔性吊带15 t.

系统提升工艺流程见图4.

图4 系统提升工艺流程图

1.3 系统提升技术研究

1) 同步性分析 吊装系统中每个千斤顶位置安装有位移传感器，可实时反应千斤顶油缸的行程距离，并将当前位置数据状态反应给PLC同步控制器，由PLC同步控制器决定各千斤顶油缸的下一步动作，将四点同步精度控制在10 mm以内，以保证浮箱整体提升时的同步性.

2) 稳定性分析 锚固系统的稳定性通过承重梁与横系板底部的C10槽钢连接来实现，将横系板“夹心式”夹持在中间(见图2立面图)，连接处采用2根Φ32精扎螺纹钢(见图5)连接紧固后，可确保提升过程中受到不平衡荷载时，整个锚固系统不会发生倾覆现象，确保整体提升安全.

图5 锚固系统承重梁与槽钢连接大样图(单位：cm)

捆绑系统的稳定性通过调整柔性吊带受力点位置来实现，由于钢绞线提升受力点作用于型钢框架梁的底面，如果柔性吊带受力点作用于型钢框架梁的顶面，则在提升过程中出现不均匀受力时，型钢框架梁会出现扭转倾覆现象，见图6a)，所以在型钢框架梁吊点对应位置设置转移吊板，吊板下端焊接I40工字钢，将柔性吊带受力点布置在下端的工字钢上，见图6b)，确保提升系统受力安全.

图6 调整柔性吊带受力点位置示意图(单位：cm)

2 有限元模拟分析

2.1 理论基础

本系统的主要受力结构锚固承重梁、型钢框架梁均为受弯构件，受弯构件在设计时需满足强度、刚度、稳定性三个方面的要求.

在主平面内受弯的杆系构件，其抗弯强度应为

(1)

式中：Mx，My为同一截面处绕x轴和y轴的弯矩设计值，N·mm；Wnx，Wny为对x轴和y轴的净截面模量,mm3;γx,γy为截面塑性发展系数.

控制受弯构件的刚度是通过对标准荷载作用下的最大挠度加以限制来实现的，对于集中荷载作用下等截面梁的最大挠度为

(2)

式中：Ix为跨中毛截面惯性矩.

在最大刚度主平面内受弯的杆系构件，其整体稳定性为

(3)

式中：Mx，My为绕强轴作用的最大弯矩设计值，N·mm；工字型截面为

(4)

式中：Wx，Wy为对x轴的稳定计算截面模量和y轴的毛截面模量,mm3；φb为绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数.

现以重庆黄花园嘉陵江大桥为例，进行上述液压同步提升系统的有限元模拟分析计算，各构件自重系数按-1考虑.

2.2 捆绑系统受力计算

捆绑系统只考虑防撞浮箱荷载，按浮箱各箱的位置和重量，加载于捆绑系统型钢框架梁上，由于浮箱内水的存在，计算时需考虑水的重力.经计算前箱荷载为440 kN，后箱荷载为207 kN，由于前箱重量较大，捆绑系统型钢框架梁仅按前箱荷载计算，经有限元模拟分析计算结果见图7和表1，由图7和表1可知，捆绑系统的拉应力、压应力、变形值都在允许范围内，强度、刚度、稳定性均满足文献[14]要求.

图7 应力与挠度计算结果图

表1 捆绑系统受力计算结果

2.3 吊装系统受力计算

1) 柔性吊带 前箱与后箱布置形式一致，此处仅计算前箱.采用15 t柔性吊带，每个吊点缠绕两圈捆绑后，等效于4根吊带同时工作，前箱设两个吊点，等效于8根吊带同时工作，吊带自身安全系数为6，而前箱荷载为440 kN，经计算可知，柔性吊带的安全储备系数为16.4.

2) 预应力钢绞线 前箱每个吊点采用8束7×Φ15.2抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线，每束预应力钢绞线最小破断拉力为260.7 kN，则前箱每个吊点可承载2 085.6 kN；后箱每个吊点采用4束7×Φ15.2的钢绞线，则后箱每个吊点可承载1 042.8 kN.经计算可知，前箱钢绞线的安全储备系数为8.5，后箱钢绞线的安全储备系数为8.1.

3) 千斤顶 穿心千斤顶前箱处采用250 t型号，承载力为2 500 kN，后箱处采用150 t型号，承载力为1 500 kN，经计算可知，前箱千斤顶的安全储备系数为10.2，后箱千斤顶的安全储备系数为11.6.

2.4 锚固系统受力计算

锚固系统考虑防撞浮箱、捆绑系统、吊装系统、其他工具设备、施工人员等荷载，综合计算前箱对应位置吊点荷载为245 kN，后箱对应位置吊点荷载为129 kN.经有限元模拟分析计算结果见图8和表2，由图8和表2可知，锚固系统的拉应力、压应力、变形值都在允许范围内，强度、刚度、稳定性均满足文献[10]要求.

图8 应力和挠度计算结果图

表2 锚固系统受力计算结果

2.5 横系板受力计算

整套液压同步提升系统均安装在主墩横系板上，横系板尺寸为7 m×7 m×0.5 m，两侧墩身尺寸为2.5 m×7 m，经查阅原设计图纸，横系板与两侧墩身的普通钢筋为统一布置，配筋较为密集，横系板受力状况较好.

根据上述结构形式，采用Midas FEA建立有限元计算模型，计算结果见图9和表3，由图9和表3可知，主墩横系板的拉应力、压应力、变形值都在允许范围内，满足文献[11-13]要求.

图9 应力和挠度计算结果图

表3 横系板受力计算结果

3 工程现场应用

重庆黄花园嘉陵江大桥FRP防撞浮箱于2014年6月完成水上安装并投入使用，其中2号主墩上、下游侧墩柱各设置1组防撞浮箱，枯水期2号主墩浮箱回落至现有块石砌筑护墩体上，经现场检查发现，原有护墩体表面不平整，最大高差约1 m，且上游侧防撞浮箱前箱受前端堆积物影响，已出现挤压、变形现象.根据防撞浮箱设计图纸要求，需在护墩体上施做浮箱安放平台，施做平台前，需将防撞浮箱整体提升，以创造浮箱下部施工工作面.工程现场应用效果表明该液压同步提升系统安全可靠,见图10.

图10 工程现场应用照片

4 结 论

1) 提出了基于液压同步提升系统的双薄壁墩防撞浮箱提升技术，利用液压千斤顶进行整体同步提升，确保了防撞浮箱的整体安全性，对今后类似工程具有很好的借鉴意义.

2) 液压同步提升系统由锚固系统、提升系统、捆绑系统组成，各系统经过详细设计，确定了系统主要参数及工艺流程，有限元模拟分析结果表明，其结构安全可靠，强度、刚度都具有足够的安全储备，稳定性满足工程要求.

3) 经过黄花园嘉陵江大桥现场FRP防撞浮箱整体提升工程应用证明，本系统可满足双薄壁墩现场使用条件，在防撞浮箱的整体提升过程中，其同步性、稳定性、安全性均得到了较好的实践验证.