大坡度桥梁顶升计算与顶升措施*

王守强，闫兴非，程 烨

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032； 2.上海城市基础设施更新工程技术研究中心，上海 200032；3.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125)

0 引言

现阶段越来越多的桥梁净空高度难以满足交通需要，桥梁拆除重建将拉长建造周期、浪费大量资源并增加建造成本，桥梁顶升施工技术符合桥梁可持续发展的理念，可在有效利用原有桥梁的基础上解决这一问题[1-2]。

随着桥梁改造的需要，桥梁顶升方面研究越来越多。李方韬[3]研究了钢桥顶升方法，吴毅彬等[4]、李艺等[5]、袁鑫等[6]对整体顶升进行了系统性研究，王海等[7]、潘跃顺等[8]对桥梁调坡进行了阐述，然而他们没有提出针对桥梁调坡顶升位移计算公式。

本文对大坡度桥梁顶升过程中水平位移和千斤顶垂直度偏差进行了公式推导，并结合上海某匝道桥顶升为新建高架桥主线道路工程，对每个墩台处水平位移及千斤顶垂直度偏转情况进行了计算，提出了大坡度桥梁顶升时需采取的措施。

1 大坡度桥梁顶升计算

1.1 工程概况

顶升段桥梁为现浇单箱5室预应力混凝土箱梁，顶升段桥面宽16.5m，顶升段全长220.51m，共计3 638.4m2，桥梁标准断面如图1所示。顶升段桥梁分2联布置，每联5跨：第1联长110.51m，跨径组合为(19.51+24×3+19)m；第2联长110m，跨径组合为(19+24×3+19)m，桥梁现状如图2所示。桥梁共有11个桥墩(台)，编号分别为NS1～NS11，其中NS1为桥台位置，NS2～NS11为双柱式桥墩，顶升高度为0～7 916mm，每个墩台顶升高度为：NS1号为7 916mm，NS2号为7 216mm，NS3号为6 354mm，NS4号为5 492mm，NS5号为4 631mm，NS6号为3 949mm，NS7号为3 267mm，NS8号为2 405mm，NS9号为1 544mm，NS10号为682mm，NS11号为0。单联桥梁体积1 260m3，用C40混凝土浇筑，加上桥面铺装及附属结构，可估算单联箱梁重约4 120t。

图1 桥梁标准断面

图2 顶升桥梁现状

NS11号桥墩顶升高度为0，NS1号桥台顶升高度达7.916m，这势必会引起箱梁在水平方向角度的变化，箱梁投影长度变大，每个墩台处存在水平位移，顶升施工过程中千斤顶垂直度也会发生变化，应严格控制行程大小。顶升过程中各墩顶升高度互不相同，为保证梁体线形不变，顶升控制系统需同时具有多点同步控制能力和角速度等比例调坡顶升功能。

1.2 桥梁顶升计算

大坡度桥梁调坡顶升时，随着桥梁坡度的不断变化，箱梁的水平位移不断发生变化，千斤顶随着梁体的转动垂直度也在不断发生变化，为了防止下部支撑偏心失稳而发生事故，需严格控制千斤顶行程。假设桥梁长度在顶升过程中伸缩量不会发生变化，现将顶升过程中牵扯到的水平位移及千斤顶偏转角度进行计算：桥梁顶升前总长度为S，水平投影长度为L1，竖直高度为H1，桥梁与水平面夹角为α1；顶升高度ΔH后，由前面假设可知顶升长度不变(为S)，水平投影长度为L2，竖直高度为H2，桥梁与水平面夹角为α2；顶升后水平位移变化量为ΔL，千斤顶高HJ，千斤顶偏转角为b，计算过程如图3所示。已知L1，α1，可得S，H1如下：

(1)

图3 顶升前后计算

顶升高度ΔH后，可得S，H2，L2，ΔL如下：

(2)

将式(1)带入式(2)并化简可得ΔL如下：

(3)

千斤顶偏转角b如下：

(4)

以上给出的桥梁计算公式适用于桥梁单跨、整联桥梁墩顶水平位移、千斤顶垂直度变化计算；计算公式适用于桥梁两端存在顶升高度差的情况，特别是当桥梁顶升高度差ΔH=0时，桥梁墩顶水平位移、千斤顶垂直度变化均为0，这与桥梁整体顶升结果一致。

对于第1联桥梁NS6号墩，已知L1为110m，α1为2.862°，ΔH=3.948 8m，由式(3)可求得NS6号墩水平位移为：

ΔL=0.126 5m=126.5mm

考虑两联桥梁之间存在伸缩缝，第1联桥梁伸长不会传递到第2联，从而可求得每个墩台处水平位移为：NS1号为127.1mm，NS2号为104.7mm，NS3号为77.1mm，NS4号为49.5mm，NS5号为21.9mm，NS6号为126.5mm，NS7号为104.7mm，NS8号为77.1mm，NS9号为49.5mm，NS10号为21.9mm，NS11号为0。第1联桥梁顶升前后计算结果如图4所示。由图4可知，随着箱梁沿NS11号墩转动，桥梁坡度不断变小，水平位移不断增加，最大增长为NS1号桥台，达127.1mm。

图4 第1联顶升计算(单位：m)

本工程均采用200t液压千斤顶，液压千斤顶参数：高366mm、底径244mm、行程最大230mm。根据经验和理论分析，千斤顶垂直度偏转控制在1%以内安全，刚开始顶升时桥梁抬高相同高度情况下，水平位移大。经试算，顶升行程控制在200mm，则NS1号相对于NS6号的顶升高度ΔH=100.2mm，则由式(3)、式(4)可得第1次顶升千斤顶垂直度b变化为：

ΔL=0.005m=5.0mm

这符合千斤顶垂直度偏转控制在1%以内，顶升过程中其他支撑点处计算结果如表1所示。本工程两联箱梁整体同步顶升，同步顶升的支撑点共有10处，各处顶升高度不等，高度之比为200∶182.3∶160.5∶138.8∶117.0∶99.8∶82.5∶60.8∶39.0∶17.2，必须按这一比例精确控制同步顶升，避免顶升过程中出现千斤顶脱空现象。

2 大坡度桥梁顶升措施

2.1 抵消千斤顶偏转措施

顶升时随着坡度的变化，液压千斤顶与箱梁夹角由垂直变成不垂直，最大偏转为0.88%(约0.504°)，为了防止千斤顶顶升时对桥梁产生局部应力，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°，可转动千斤顶球形头部随着上部结构坡度的变化而自动调整。

考虑顶升时安装垫块方便，千斤顶倒置安装，如图5所示。

图5 球头千斤顶及安装示意

2.2 确保千斤顶垂直度和水平位移措施

桥梁调坡顶升达7.916m，换算可得桥梁与水平面夹角变化累计达2.054°，千斤顶与箱梁的夹角不断发生变化；随着箱梁沿NS11号墩转动，桥梁坡度不断减小，水平长度不断增加，千斤顶水平位移不断变化。顶升过程中，需不断调整千斤顶垂直度和位置，防止产生结构附加应力。

千斤顶垂直度调整通过楔形钢板来实现，每顶升1/6=0.27°时，用楔形钢板调整1次千斤顶与箱梁底部垂直度，这一措施可使顶升时产生的水平力大大减小。千斤顶水平位移调整通过滑动钢板实现，滑动钢板可对千斤顶的位置进行调整，使千斤顶中心与支撑中心重合，可确保顶升安全。

2.3 顶升过程中限位装置

桥梁调坡顶升过程中，随着梁体水平投影长度的不断变化，会造成相邻联梁体的夹角发生变化，进而影响梁体间距，所以应在伸缩缝位置处安装适当的限位装置。第1联伸长127.1mm，第2联伸长126.5mm，预留8～9mm的自由活动空间，故两联间纵向限位装置预留135mm的空隙。

纵向限位装置通过固定在墩柱侧立面的2根钢结构柱实现，如图6所示。在墩柱上植筋时为了避开普通钢筋与预应力钢筋，需采用钢筋探测仪进行探测；钢结构柱通过焊接连接，焊接时需保证各构件垂直平整。

图6 桥墩限位设计示意

3 结语

1)桥梁调坡顶升高度达7.916m，引起箱梁墩台处产生水平位移，其中第1联伸长127.1mm，第2联伸长126.5mm；顶升施工过程中顶升行程控制在200mm时，千斤顶垂直度最大偏差为0.88%(约0.504°)。

2)本工程两联箱梁整体同步顶升，同步顶升的支撑点共有10处，各处顶升高度不等，高度之比为200∶182.3∶160.5∶138.8∶117.0∶99.8∶82.5∶60.8∶39.0∶17.2，必须按这一比例精确控制同步顶升，避免顶升过程中出现千斤顶脱空现象。

3)桥梁顶升施工时，需采取一系列措施：选用带球头可转动的液压千斤顶可防止千斤顶顶升时对桥梁产生局部应力，楔形钢板用来调整千斤顶与箱梁底部垂直度，滑动钢板调整千斤顶水平位移，在两联间设置纵向限位装置可防止相邻联梁体的夹角产生变化。