常州南河特大桥断柱法整体顶升施工关键技术研究
时间：2023-06-17 15:35:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
曹妍，王芮文，2，欧定福，2，张记军，柳凯
（1.江苏省交通技师学院，江苏镇江 212028；
2.江苏森淼工程质量检测有限公司，江苏镇江 212028；
3.中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏苏州 215000）
近年来，由于使用和经济环保上的要求，在桥梁维修、扩建和改造施工中，常采用顶升施工工艺，而断柱法是近年新发展起来的一项顶升技术。南河特大桥位于江苏常州，是2003 年建成的一座高速公路钢管混凝土系杆拱桥。因航道跨越的运河航道等级提升，需要对桥梁进行顶升改造。主桥单幅顶升重量约7000 t，千斤顶的选型和布置方案难度大，且引桥组合式预应力箱梁结构是通过简支梁体系转换而来，总体刚度偏弱，顶升施工必须采取可靠的措施确保同步、整体受力，否则容易造成不良后果。
根据本桥原桥梁技术状况和桥下航道通航状况，并综合考虑桥梁现场净空、顶升高度、上部结构的重量、几何参数、千斤顶的行程、施工环境等因素［1］，决定采用断柱顶升方案进行整体顶升设计。断柱顶升是以原桥梁墩柱为主要支承结构，增加反力、临时支撑和限位装置后，安装千斤顶，然后进行断柱顶升，将上部结构顶升到设计位置后，浇筑断柱、安装支座并落梁。考虑到本桥顶升部位的桥墩高度和桥下场地平整情况，本桥用于顶升的反力结构采取两种方式。其中南河北侧采用在原墩台柱上浇筑上、下抱柱梁，再安装千斤顶，最后切断墩柱进行（称为上-下抱柱梁式［2］）；
南河南侧只浇筑下抱柱梁作为反力支撑，然后搭设支撑组件，千斤顶的着力点放置于盖梁或墩帽下缘，最后切断墩柱（称为下抱柱梁-盖梁式［3］）。
断柱顶升的关键技术有顶升整体设计、反力系统、顶升系统设计与安装、断柱顶升等。
2.1 顶升力安全系数
设计图纸给定的桥墩台主千斤顶和随动千斤顶总承受荷载能力的安全系数应不小于1.8。根据要求，千斤顶的选型应综合分析承力基础的刚度在各个部位是否有明显区别。在千斤顶施加初始力时，应通过控制系统对其进行调节处理。在确保相对称的千斤顶顶力一致的情况下，使其接近顶力目标值［4］。运用乔博士软件对全桥顶升过程进行模拟，获得单墩顶升最不利情况下的全荷载：主墩实施的两阶段顶升，其全荷载为35000 kN，引桥实施顶升时，模拟A～D 类墩数据全荷载为6000 kN，引桥E类墩顶力全荷载为7600 kN，引桥F类墩顶力全荷载为5600 kN，桥台顶力全荷载为3500 kN；
根据各墩台处所承受的顶力全荷载来确定所用的千斤顶型号，并计算出安全系数［5］。其中，安全系数必须不小于设计给定的安全系数。主墩一阶段千斤顶承力吨位为7200 t（2.0），主墩二阶段千斤顶承力吨位（安全系数）为8000 t（2.3），引桥A -D 类墩承力吨位（安全系数）为1600 t（2.7），引桥E 类墩承力吨位（安全系数）为1600 t（2.1），引桥F 类墩承力吨位（安全系数）为1600 t（2.9），桥台承力吨位（安全系数）为1000 t（2.9）。本桥在顶升过程中，使用同步顶升控制PLC 体系，多点实施。整个顶升过程重点控制位移［6］，并参考顶升力值进行校核和作为辅助参考。
2.2 顶升反力系统
根据桥墩（台）所处的位置地势和计算顶升力，顶升反力系统的底盘结构分别采用抱柱梁、承台、盖梁3 种型式［7］。顶升托盘结构的重要性与底盘结构相同，根据所处的部位，分别采用抱柱梁、盖梁和分配梁型式。其中，抱柱梁的施工是顶升反力体系最关键的控制工序。
抱柱梁施工前，应采用回弹仪对原柱进行强度检测，并目测缺陷，确认其承载力和刚度满足顶升承载的要求。
抱柱梁施工应按下列流程进行：①位置确定；
②原接触面凿毛；
③支立模板并安设钢筋；
④浇筑混凝土；
⑤养生、拆模。其中的凿毛、植筋或钢筋连接、混凝土等质量控制是抱柱梁施工的关键因素。特别是植筋工序，必须加强对钻孔直径、深度、位置、清孔质量、注胶质量等指标的严格控制。
2.3 临时支撑和限位
本工程采用钢管立柱和钢垫块作为临时支撑体系构件，加工成高度为5 cm、10 cm、20 cm、50 cm、100 cm、200 cm的标准化构件。
在使用中，应保证中心线定位准确，构件间连接牢固。在进行钢支撑的连接时，宜采用转换接头。钢支撑的底面混凝土基础应水平，以保证其垂直度满足要求，为此，可采用高强自流平材料进行找平。
限位装置是确保顶升安全的重要装置［8］。通过限位装置对顶升过程的垂直引导，可以在桥梁纵横向限制其发生位移的可能性，因此，限位装置的强度和刚度是主要考虑的因素。
本工程采用型钢限位架，安装在上下抱柱侧面，从而阻止桥梁的各向位置变化，以保证安全。此外，预应力箱梁通过橡胶支座搁置在盖梁上，二者之间易发生水平错动。为限制箱梁与盖梁之间的位移，在盖梁两侧与空心板板底通过三角形钢板进行连接。
3.1 引桥单侧同步顶升
本桥的引桥顶升采用单侧同步的方法。其中，A ～E类墩以抱柱法为支承，在每个独立墩柱上采用8 个最大顶力为2000 kN的液压千斤顶，同时设置4 个随动千斤顶（最大顶力4000 kN）；
F类墩直接以桥台为承力点进行施力顶升，每个独立桥台上加设4 个最大顶力为4000 kN 的千斤顶，同样设置4 个最大顶力为4000 kN 的随动千斤顶。
在桥台以及过渡墩部位，为了充分利用现有条件，同时运用临时锚固、桥梁基础、钢支撑等，对分配梁进行顶升。采用5 个最大顶力为2000 kN的液压千斤顶，同时配置5 个最大顶力为2000 kN的随动千斤顶。
将千斤顶以桥梁单幅中心线为界进行分组，每组千斤顶的数量与方案相同，且相互之间由统一液压管进行联通设置，同时与工控泵站相连。传感器安装在千斤顶附近，并与控制中心通信连接。在顶升过程中，各传感器将位移数据传输至控制中心，数据控制中心对数据进行分析，并指令千斤顶进行调整，从而实现位移同步，以达到多点同步顶升的目的。
3.2 千斤顶分组（以左幅为例）
本方案中，在运河北岸和南岸分别有24 个系统控制点和28 个系统控制点，并将总控室设置在每次顶升的中间位置，用位移闭环的控制方式运行。
千斤顶和泵站的布设如图1 和图2 所示。
图1 单墩千斤顶分组及控制线路布置
图2 左幅北岸泵站及控制室布置
3.3 主桥顶升千斤顶布置及分组
因主桥为混凝土钢管拱桥，无法间接顶升。因此，直接顶升梁体，采取主墩的盖梁、钢支撑组件以及主拱的拱脚梁底为传力体系。将盖梁顶部进行适当找平，在盖梁底与拱脚底之间安装顶升千斤顶，并在墩柱的原支座位置安装随动千斤顶。当同步顶升控制达到设计高程后，再接高盖梁的支撑部位。主墩的桥梁净空较高，无法通过一次顶升达到设计高程，因此分成两个阶段进行。第一阶段顶升所用的千斤顶型号为2800 kN（52 只），第二次顶升所用千斤顶最大顶升力为5000 kN（36 只）。
3.3.1 主千斤顶和随动千斤顶设置
在顶升过程中，非对称布置的千斤顶受力不均会导致结构破坏。因此，应以对称为原则进行主千斤顶和随动千斤顶布设，且安全储备系数为1.8 倍以上。
3.3.2 千斤顶分组
在施力的第一阶段，分布在主墩上的所有千斤顶应分成一组（14 只），主桥共分成4 个组；
在施力的第二阶段，分布在主墩上的所有千斤顶应分成一组（10 只）；
主桥共分成4 个组；
在主桥泵站设计时，考虑其重量和顶升安全，将顶升控制系统设置在跨中桥面位置，采用位移闭环控制方式［9］，4 点泵站2 台，6 个控制点（见图3）。
图3 主桥两阶段单墩顶升千斤顶分组及控制线路图
4.1 顶升前准备
做好施工人员的分工。本项目分监测组（负责监测下抱柱梁的沉降、上部结构的纵横向偏移、上部结构各墩台的顶升高度以及抱柱梁预压前后的百分表读书等）、结构组（负责监测结构的变形、混凝土结构的裂缝变化情况等）、控制组（对PLC控制系统发出上升、下降或停止等操作指令）、液压组（负责全桥全过程液压顶升系统安设、调节和试运行，维护与保养，检查与维修等）。
做好千斤顶的校准工作。千斤顶是本工程施工的最重要的部件，其行程量和力值的校验关系到顶升的质量效果和安全，因此，必须在使用前逐一进行检校。
在重要工况下，其标定原则是，液压千斤顶出厂前做1.0 级的标定，如果其中有1 个标定不合格，则按0.4 级进行抽查标定；
如果超过2 个不合格，则全部标定。
4.2 施工程序及托换准备
本桥顶升的施工程序：单幅桥梁封闭交通→托换前的土建工程施工与准备→顶升系统安装→保压及托换前预加压→切割力系转换→顶升。
在托换前，需进行土建工程施工，主要的工作内容是顶升支撑体系、顶升上部结构体系、结构加固体系、限位装置体系等。
顶升桥梁上部结构约束解除工作有桥台伸缩缝板缝清理、桥上周边管线延长或搬迁、桥面反光板拆除以及周边结构体系等的约束解除。开始顶升施工前，应检查桥梁本体与周边其他不动的体系是否有着力联系点，如有，应排除后再进行顶升施工。
伸缩缝内的垃圾、混凝土块等产生阻力的杂物必须清除，否则会导致摩擦力增大，破坏结构稳定。对小箱梁架设不规范而导致的箱梁与桥台塞死的箱梁板端头要进行适当凿除处理。
混凝土的裂缝需进行检查和处理，如果缝宽大于0.15 mm，则应予以压力注胶修复。对于小于0.15 mm的裂缝记录初始数据，待每次加压后再进行观测比较，掌握裂缝是否有继续扩展的情况。
4.3 顶升系统的安装
预压前在盖梁底至上抱柱梁顶部安装百分表。将百分比的触针刚好与盖梁底面接触，此时为初读数。每次加压后观测一次百分表数值，与初始数据进行比较，分析抱柱梁抱箍力情况。
为增大与梁底的接触面积，千斤顶的安设应倒置。且千斤顶底座与上部结构固结，千斤顶顶部与下部结构分离。为了达到受力均衡，且在顶升过程中不出现水平力，千斤顶不允许倾斜，其垂直度须以不出现水平力为宜。
4.4 保压及切割前预加压
保压是保证千斤顶正常工作的必要程序。根据图纸要求和安全施工要求，本次顶升千斤顶保压的力值上限为上部全荷载的75%。保压时，每个千斤顶进行三次加压操作。
第一次预加压力，对千斤顶进行压力施加，大小不小于30%顶升力，在保压30 min后，检查液压油管和其他相关配件是否完好。卸压。
第二次预加压力，对千斤顶进行压力施加，大小不小于50%顶升力，在保压45 min后，检查液压油管和其他相关配件是否完好。卸压。
第三次预加压力，对千斤顶进行压力施加，大小不小于70%顶升力，在保压2.5 h 后，检查液压油管和其他相关配件是否完好。
4.5 切割力系转换
预加压完成后，确认裂缝无扩展情况，百分表无变化，对上部结构进行切割。切割工作关系到力系转化的成败，也是非常重要的一道工序，它是把上部结构的全部重量通过墩柱台传递到顶升液压千斤顶的过程。
对墩柱进行切割时，应保证直线切割，且不允许有振动。在切割过程中，应不间断地用水冷却，以防扬尘和噪音，切割口应平顺美观，不得有切口破坏。在墩柱切割过程中，应密切观察抱柱梁的受力变化和位移情况，并将千斤顶加压至计算荷载的70%。
4.6 试顶升
在顶升前，应收集千斤顶在工作状态下的实际工作状况，最直接的方法就是试顶升，本次试顶升的位移量设置为10 mm。
具体操作：①对控制器发送指令，上升位移5 mm；
②按指令顶升；
③随动千斤顶跟进；
④主顶顶升至5 mm后停止；
⑤随动千斤顶停止跟进；
⑥观测监测数据和结构、设备等情况；
⑦各方面正常后，按上述步骤设定指令位移至10 mm；
⑧试顶升后待各个环节正常，直接正式顶升。
试顶升时，对液压系统、计算机控制系统、传感检测系统、千斤顶、监测情况等进行记录，并做好观察、测量、校核、分析等工作。
4.7 正式顶升
在试顶升结束后，对试顶升的数据进行分析，制订正式顶升的顶升程序进行顶升。
在顶升期间，注意随动千斤顶的跟进、限位装置的检查、反力结构的检查、千斤顶的读数和控制以及千斤顶的稳定预测等。在顶升结束后，应跟紧墩柱的加粗外包工作。
4.8 整体顶升步骤
先进行整体同步顶升，当顶升高度较低的墩达到设计顶升高度时，再进行等比例同步调坡顶升。以左幅5 跨引桥为例，先同步顶升至0#台的设计高度，然后0#～5#墩台进行等比例调坡顶升至设计高度。
4.9 测量与观测
根据设计顶升高度，桥面标高、坐标共分五次进行测量：
（1）立柱切割前测量桥面高程和坐标，作为初始控制依据；
（2）整体顶升75 cm 后对桥面控制点测量一次；
（3）整体顶升1.5 m 后检测一次；
（4）整体顶升到位调坡顶升完成检测一次；
（5）最后对桥面控制点的坐标、标高测量一次，作为验收依据；
（6）检查临时和永久结构是否出现裂缝，如有裂缝应予以处理［10］。
4.10 断柱接柱
断柱连接是本工程的另一项重点控制工序。因其涉及永久承力质量，对断柱进行连接时，应采用高强无收缩灌浆料小石子混凝土进行施工，混凝土强度等级为C50。施工时，应注意模板的连接、灌浆料质量的检查等。
南河特大桥结构复杂，顶升高度达2.16 m，单墩顶升荷载最大达35000 kN，地形地势条件复杂，边通车边施工，顶升难度大。为了保证施工质量，在技术准备方面，应完善施工技术方案、做好施工准备保证，保证计算精度、做好质量控制。对抱柱梁施工，反力体系的验收，千斤顶的型号选择和布设、安装以及顶升控制的各个环节进行控制，最终顶升质量安全得以保证。
（1）在反力体系施工质量良好。钢筋连接质量、混凝土强度均满足要求，在后续使用中，未发现裂缝等病害。
（2）顶升位移均衡。在试顶升阶段积累了经验数据，在正式顶升阶段对千斤顶的行程和顶力进行严格控制和观察，同步率高。
（3）顶升后上部结构检测结果：通过观测和检测，未发现梁体损伤、裂缝等结构性破坏，顶升误差为4.5 mm。满足规范要求。
南河特大桥采用的断柱顶升方法，在高速公路系杆拱桥梁中尚属首次，确保了质量安全。此工艺解决了以往大部分工艺所无法解决的问题，比如顶升吨位大、反倾斜要求高以及千斤顶生根难度大等问题。此工艺通过抱柱梁与原柱体的一体性，实现了千斤顶的较大的操作空间和较强的承力基础，从而在顶升质量、安全、工期以及成本方面都具有较大优势，值得推广应用。
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