23691某跨线桥梁整体顶升移位工程关键技术设计研究
杨苏杭1 唐理2 韩文星2、3 王枫2、3
（1．江苏省建筑结构安全高技术重点实验室，南京 210008）
（2．江苏省建筑科学研究院有限公司，南京 210008）
（3．江苏省建筑工程诊断与处理中心，南京 210012）
摘要：关于桥梁结构整体顶升至今尚没有专门的设计方法和规范。结合某高速公路跨线桥梁整体顶升移位的工程实例。对顶升过程中的设计方法和关键技术进行了研究。提出了保证顶升过程受力同步均匀，顶升后新结构就位的连接可靠的技术措施。并提出该类顶升工程的设计总原则思想。
关键词：跨线桥梁；整体顶升；顶升体系；限位挡块；就位连接；施工监测
1 引言
某高速公路跨线桥位于该市绕城公路的西南部，上跨绕城高速公路。该桥连接的原有公路因平纵面线型改造设计公路标高提高1m，因此该桥的桥面标高将不能适应改造后公路的通行要求。该桥总投资约1000万，若拆除重建损失巨大。另外，该桥下的高速公路通行繁忙，拆除施工过程中势必中断交通，业主无法接受。为此，拟采用桥梁结构整体顶升移位技术，将该桥整体顶升1m至新设计标高，使原桥上部结构与新建公路纵面线型顺利对接。
根据查看原桥竣工图和现场调查，该桥梁的情况如下：该桥宽20m，长96m；桥梁结构采用20m+2×28m+20m一联的预应力混凝土展翅箱梁桥；设计荷载为汽车-20级，挂车-100；该桥下为两股双向四车道高速公路；该桥的两端简支在桥台上，中间设有3个桥墩，其中最中间的一个固结，其余2个为简支；基础形式为桩基础。拟将桥梁上部结构在支座处断开，进行结构整体顶升，见图1所示。
图1 桥梁立面平面示意图
2 桥梁结构整体顶升设计总原则
桥梁整体顶升技术的应用发展对于既有桥梁改造利用具有重要意义，其经济效益和社会效益十分巨大，因此该技术值得大流推广。尽管桥梁整体顶升在我国已有几十个成功的实例，但是至今没有学者对此进行系统深入的研究，没有成熟的设计方法和专门的设计规范或施工规程，使得该技术的推广受到很大限制[1-3]。在分析桥梁结构的受力特点和总结工程经验的基础上，我们提出了桥梁顶升移位设计时所引应遵守的总原则如下：
（1）确保始终保持原桥梁结构在顶升过程中的受力特性不改变；
（2）确保顶升施工过程中桥梁结构顶升移位的同步性和受力均衡；
（3）确保顶升移位施工过程中结构的整体性、安全性、可靠性，严格限制抬升移位过程中可能出现的各种水平向偏位、扭曲、振荡、冲击等情况发生；
（4）确保就位后新结构的完全性、可靠性、优于原结构，以及抗震性能不降低；
（5）施工阶段的全过程不中断桥下绕城公路的交通，施工围挡范围不占用原路面。
3 桥梁结构整体顶升移位工艺设计
3.1顶升系统选择与顶升力计算
该桥在顶升过程中仅受自重荷载作用。根据竣工图，将该桥的横截面输入CAD，计算出该桥顶升部分的体积和重量。并考虑桥面附属物重量，计算得出顶升部分总重约3500吨。为保证顶升过程中的机械可靠性，计入安全系数后顶升部分总重量按6000吨考虑。顶升同步系统的设计力求遵循科学、合理、准确、可靠，且易于确保同步、可操控的原则。因此，选择可靠性较高的带自动闭锁回油装置和顶升力调节装置的液压千斤顶。按单顶最大顶升力500吨，共需14个千斤顶，以保证单顶最大工作荷载不超过70%。
3.2顶升支架结构的布置及设计
顶升支架是整个顶升设计的关键点，是安装的顶升系统的着力支撑部位，也是整个顶升过程安全可靠控制的关键点。原桥的桩基础承台面积较大，可利用原承台作为顶升支架结构的基础。因此，所有顶升支架应对称布置，以保证顶升过程的同步性。该桥的箱梁为单箱双室截面，所有顶升支架还必须设置在箱梁的纵肋或横肋之下，以避免顶升力作用在箱梁底板上产生的冲切、局压破坏，见图2所示。该桥箱梁底板有坡度，具体抗冲切、局压构造如图3所示。
图2 桥梁立面平面示意图 图3 桥梁立面平面示意图
因工期紧迫因素，该桥顶升的顶升支架选择钢结构支架。每处的顶升支架分别设置一个千斤顶支架和一个临时支撑支架，用以进行千斤顶的交替顶升。单独支架按受轴向压力500吨的受压构件计算，考虑荷载偏心和基础承台局部受压等影响，具体的截面选择和细部构造见图4所示。
图4 支架结构示意图
3.3顶升支架结构增高移位工艺设计
顶升过程中设计采用顶升垫块对支架进行交替垫高。在桥面每顶高一垫块高度，就将垫块塞入临时支撑支架下增高支架高度，待千斤顶回落后再将垫块塞入千斤顶支架下增高支架高度，见图5所示。区别同类工程中所使用的顶升支架增高方法，对顶升支架的增高工艺进行了专门设计研究，提出了“结构自锁紧爬升增高工法”。具体方法是：每桥墩立柱对称设置的两边顶升支架，通过可放松的预应力环拉杆与桥立柱拉结锁紧形成整体，可有效防止顶升过程中支架的失稳。当需要增高顶升支架时，松开预应力环拉杆。在支架的下方用小型千斤顶连支架带上面的千斤顶一起顶升，再将垫块塞入支架下部，锁紧预应力环拉杆紧固顶升支架结构。使用此种增高工法不需反复吊装千斤顶，是将垫块塞入支架的下方，能够保证垫块在增高后的受压稳定性能。因此，有效地提高了顶升过程的安全性能和工作效率。
图5 垫块布置示意图
3.4纵横向限位装置结构设计
工程经验表明在顶升过程中，很难保证千斤顶的绝对竖直，这样桥梁结构会产生水平分立，甚至可能产生纵横向滑移偏位、扭曲等情况。因此，需要设计限位装置，限制这些可能危害桥梁结构的现象发生[4]。参照房屋平移的经验，取水平力按竖向顶升力的10%考虑[5]。
该工程限位装置为钢筋混凝土结构，设计为同时具有纵横向限位功能的“Z”形截面的空间结构。使得纵横向位移均可由该限位空间结构的长边抵挡。后加限位装置结构通过植筋与原结构连接在原桥搭板和桥台盖梁上。限位装置结构与桥梁接触处，两相对滑移面均粘贴钢板内填钢球，以减小顶升时候的接触摩擦力。限位装置结构见图6、7所示。
图6 纵横向限位结构布置平面示意图
图7 限位结构剖面图
4 就位连接设计
根据设计总原则第4条要求。该桥整体顶升后的桥墩立柱高度增加，抗震性能受到影响，因此使用Midas/Civil软件对其按顶升连接就位后状态进行结构整体抗震计算。根据计算结果，对桥墩立柱截面进行了接高和加大截面设计，并且在连接构造中考虑了后加结构的整体性要求，对于两端的桥台盖梁也进行了梁截面加高处理。桥墩立柱加固方法见图8所示。
图8 桥墩立柱加高示意图
5 顶升施工工艺设计及安全监测设计
5.1顶升施工工艺设计
鉴于篇幅所限，该桥梁的整体顶升施工工艺流程如图9所示。每一垫块高度为一个顶升阶段，待安装垫块且千斤顶支架增高后进入下一阶段。同时，参照房屋平移的经验和桥梁结构对不均匀变形的敏感影响程度计算，以及人体对相对位移的恐惧感官，限制最大竖向顶升速度小于5mm/min。并且对顶升后整体结构的偏位需严格限制，要求各顶升点的竖向位移差值不得大于3mm[6]。
图9 顶升施工工艺流程 图10 泵站布置及施工场地分区平面示意图
泵站布置位置和施工场地分区见图10所示。泵站布置的设计考虑到了将顶升力水平相同的千斤顶使用同一台泵站进行控制，以确保油压的均匀。并且，将各控制泵站均放置于桥面上，这是为使泵站到各千斤顶的油管长度最短，各油管长度相同，可以减小油压损失，控制顶升力的均匀性，并且使用此集中控制布置方式时便于指挥协调。
考虑桥下通行繁忙，且一旦中断交通经济损失巨大，据不完全统计中断交通一天该市将受直接损失近300万，间接损失则无法估量。针对该工程的具体情况，遵循了设计总原则5，提出如图11所示的施工围挡措施。此方案只占据一向公路双股车道的一股，不中断交通，并且考虑到了预防高空坠物、车辆通行对施工影响等安全隐患的出现。
图11 施工区域围挡示意图
5.2安全监测设计
桥梁整体顶升施工是动态的时变过程。随着桥梁上部结构的整体顶升，桥梁的竖向纵向和横向位移差、内力差、桥墩立柱的倾斜等都会使得桥梁的受力性质发生较大的变化。尽管已经在设计中采取了必要的技术措施，但仍需专门设计了整套针对顶升施工的监测系统，通过实时监测数据来指导控制顶升施工[7]。主要的监测项目有：1）各点顶升荷载；2）竖向、纵向、横向三向位移；3）基础沉降；4）桥墩立柱偏位；5）混凝土应变；6）桥面标高。鉴于篇幅所限，具体的今后将有专文描述。
6 结语
桥梁整体顶升移位技术尽管并非最新技术，且国内也有几十个成功顶升的实例，但因缺乏系统的研究，至今没有形成成熟的方法，也没有专门的设计施工技术规程。本文通过结合实际工程背景，提出了整体顶升的设计总原则思想，对于处理此类动态时变过程的设计提供了核心的指导思想。对部分关键技术的设计进行了介绍，可供类似工程设计中实际选用，为今后此类工程实践提供了参考。
参考文献：
[1] 吴杰．上海吴淞大桥北引桥整体顶升施工技术[J ]．中国市政工程，2003，（5）．
[2] 李爱群，卫龙武，吴二军．江南大酒店整体平移工程的设计[J ]．建筑结构，2001，（12）．
[3] 卫龙武，吴二军，李爱群．江南大酒店整体平移工程的关键技术[J ]．建筑结构，2001，（12）．
[4] 王青松，韩智晨．狮子林桥整体抬升工程中水平位移的控制[J ]．天津建设科技，2004，（6）．
[5] 都爱华，张鑫，赵考重．建筑物整体平移技术的试验研究[J ]．工业建筑，2002，（7）．
[6] 吴二军，李爱群．建筑物整体平移工程施工监控指标及其限制确定[J ]．建筑结构，2006,（7）．
[7] 吴二军，黄镇，李爱群．江南大酒店平移工程的静态和动态实时监测[J ]．建筑结构，2001，（12）．
作者简介：
杨苏杭，江苏南京人，硕士。主要从事土木工程结构的科研及设计研究。135151
