减少桥梁整体顶升高程误差的方法

赵罡颉，汪 洋＊

（中铁二十局集团第一工程有限公司，江苏苏州 215153）

引言

桥梁顶升技术在桥梁改造过程中广泛应用，但本次桥梁改造工程数国内首例最大跨径钢管砼系拱桥，社会关注度较高，且本次工程采取半幅通车半幅施工的作业方式，也为工程增加了难点。在桥梁顶升过程中主要靠PLC 同步顶升控制装置操控液压千斤顶进行作业，不可控因素较多，作业难度增加。所以通过对不同顶升施工工艺作业过程中实时数据的监测与分析，来控制减少误差产生的几率，从而控制整体施工质量[1]。也为后续类似顶升改造工程提供参考。

1 工程简介

南河特大桥位于宁杭高速公路溧阳境内与芜申线运河交叉处，于2003 年建成通车，该桥至今使用状况良好。桥位改造段高速公路处于在8 500 m 半径的圆曲线上，高速公路设计速度为120 km/h，双向6 车道。北引桥主桥纵坡为1.57%的上坡、南引桥为1.57%下坡，桥梁处竖曲线半径为20 000 m，路桥分界填土高度约6.5 m。桥梁步跨为：10×25 m 组合箱梁+130 m 钢管混凝土系杆拱+4×25 m 组合箱梁+（2×20+18+14）m 现浇箱梁，总长659.44 m，横向双幅布置、路拱横坡为2%，桥面全宽=15.75 m（单幅宽度）+4.5 m（中分带）+15.75 m（单幅宽度）=36 m，单幅桥横向布置为：0.5 m（护栏）+15.25 m（机动车道）+1 m（护栏）=16.75 m。桥位处水面宽50 m，桥梁通航孔净宽满足50 m，净高5 m，通航净空不满足Ⅲ级航道要求。因航道的升级改造整治需对该桥梁进行整体顶升改造。

2 千斤顶安装

引桥顶升施工过程中利用抱柱梁托换形式，提供千斤顶作业平台，改造桥梁自带2%的横坡，直接安装千斤顶会造成顶升过程中受力不均的情况，会导致桥梁产生纵、横向位移，破坏桥梁扰度，诱发安全事故等，控制千斤顶安装过程中千斤顶的水平高度及垂直受力程度，可以降低施工过程中高程误差的产生，从而减少桥梁的纵、横向位移，减少对桥梁应力的破坏，避免原有桥梁在施工中受损，从而影响使用质量。

本工程采用的带有自锁装置的螺旋千斤顶，作业时通过螺旋上升方式进行工作，为了避免千斤顶自身作业方式带来的误差，在本次施工中全部采用带有碗状传力顶托装置的新型千斤顶且采用倒置安装的方式。图1 为桥墩千斤顶安装图。

图1 桥墩千斤顶安装

桥墩引桥顶升施工采用上、下抱柱梁托换形式，提供千斤顶反力基础作业平台，上、下抱柱梁为确保千斤顶轴线垂直、受力均匀，施工时要保证上、下抱柱梁水平放置，由于上、下抱柱梁采用钢混结构，施工时收到混凝土收缩影响，造成抱柱梁成品受力面出现不完全水平现象，安装千斤顶时会造成千斤顶底座安装不实从而导致顶升过程中受力不均。

针对施工过程中抱柱梁受力面不水平时，在安装千斤顶时采用倒置安装方式，在千斤顶安装与上抱柱梁时，先用膨胀螺丝在抱柱梁底面安装一块调平钢板，在通过螺丝将千斤顶安装于调平钢板底面，保证千斤顶底座水平。千斤顶通过钢支撑作用在下抱柱梁上，由于千斤顶直径相对于钢支撑直径较小，为了使顶升力均匀传递，特采用新型碗状传力顶托装置，千斤顶碗状顶托装置与千斤顶垂直面可自由活动，顶升过程中在限度范围内可以自由旋转调节，充分保证千斤顶的垂直受力，减少顶升过程中因受力不均产生的高程误差。

3 桥梁整体顶升施工工艺

桥梁整体顶升主要是PLC 同步顶升控制系统操控液压千斤顶在反力基础作业平台上，通过千斤顶的工作行程使桥梁产生可控的位移变化。当桥梁基础设置承台时，一般以承台作为顶升反力基础，当未设置承台时一般依附于桥墩浇筑钢筋混凝土抱柱梁作为顶升反力基础；当桥梁下部结构设置有盖梁时，可利用盖梁作为顶升作业受力点，当盖梁宽度范围内不足以安装千斤顶时，可浇筑钢筋混凝土上抱柱梁作为顶升作业受力点。利用各种长度的钢立柱作为顶升支撑，顶升完成后进行桥墩接高和连接[2-3]。

3.1 引桥整体顶升施工工艺

南河特大桥由于主、引桥结构形式不同，综合考虑施工安全、经济及工期条件等因素，根据桥梁上、下部结构形式不同，因此制宜，分别采取以下几种顶升布置方法。

3.1.1 A～D 类桥墩顶升

A～D 类桥墩采用上下抱柱梁托换体系，利用断柱顶升法进行顶升，传力体系为：原桥基础→下抱柱梁→上抱柱梁→顶升结构。在上下抱柱梁之间安装液压千斤顶和随动千斤顶，在上下抱柱梁之间切断桥墩进行顶升，见图2。

3.1.2 E 类桥墩顶升

E 类桥墩顶升采用下抱柱梁作为顶升反力基础，以梁底对应的横隔梁实心部位作为顶升受力点，传力体系为：原桥基础→下抱柱梁→梁底。

3.1.3 F 类桥墩顶升

F 类桥墩顶升采用直接顶升法进行顶升，在梁底与承台之间安装千斤顶和钢管支撑结构，传力体系为：原桥基础→承台→梁底。顶升前需解除支座与梁底的连接。

3.1.4 桥台和过渡墩引桥侧顶升

（1） 桥台和过渡墩引桥侧处采用直接顶升法进行顶升，采用条形基础- 分配梁的托换体系，以新作混凝土基础作为反力平台，在梁底安装钢分配梁作为顶升受力点，不改变上部桥梁体系，通过分配梁方式实现桥梁的抬高，顶升完成后改造桥台，同时增设一排桩基。

桥台处反力平台为在肋板两侧浇筑钢筋混凝土条形基础，基地土夯实，上浇筑50 cm 厚碎石混凝土，再在其上浇筑50 cm 厚120 cm 宽的钢筋混凝土条形基础。过渡墩引桥侧顶升平台为在原桥台侧面植筋浇筑钢筋混凝土平台作为顶升基础，在梁底钢分配梁与新做顶升平台之间安装千斤顶与钢管支撑进行顶升。

3.2 主桥整体顶升施工工艺

主桥为130 m 跨度下承式系杆拱结构体系，经查，端横梁底与盖梁顶之间净空为33 cm。为了尽量减少顶升力对桥梁结构应力分布的影响，充分利用原盖梁结构承载力，在支座周围布置液压千斤顶进行顶升[4]。由于主墩千斤顶安装位置净空的限制，分两阶段进行主桥顶升。

3.2.1 主桥第一阶段顶升

由于280 t 千斤顶高度28 cm 加上找平砂浆层和钢垫板总厚度约为41 cm，所以首先适当剔除过渡墩盖梁顶面及拱脚底面的保护层混凝土，使拱肋底至盖梁顶净空达到44 cm 左右。以便安装钢垫板及280 t 液压千斤顶进行第一阶段顶升。

第一阶段顶升完成，当拱脚底至盖梁顶净空达到65 cm 以后，拧紧保压环锁定液压千斤顶。这一阶段顶升过程无随动顶保护，采用抄垫的方法保证安全，即在顶升过程中逐步向支座顶与梁底出现的缝隙内插入钢板，单幅主跨系杆拱桥四只支座顶上插入钢板一样多，使各支座上累计厚度保持一致，防止液压失效时梁体出现突然下落。

3.2.2 主桥第二阶段顶升

当顶升至梁底净空达到65 cm 时，用保压环锁死液压千斤顶，形成液压千斤顶保压支撑，然后拆出原支座。将原支座位置盖梁顶以灌浆料找平，安装500 t随动千斤顶，将上部荷载全部转移至随动千斤顶形成由随动顶支撑桥梁上部结构。然后将280 t 液压千斤顶更换为500 t 液压千斤顶，继续进行第二阶段顶升。

这一阶段的主桥顶升由随动千斤顶跟随保护，钢管支撑垫块和钢箱混凝土支撑垫块逐级加高，直至逐级顶升到设计标高。

4 顶升过程中的箱梁纵横向位移监测

在实施顶升过程中，随着上部结构的提升，箱梁会产生横向的位移偏差，为有效的控制横向位移，必须采用横向位移监测。采用全站仪在顶升全阶段进行跟踪监测，利用坐标法计算箱梁的纵横向位移。

坐标测量：可测量目标点的三维坐标（X，Y，H）。

测量原理：

若输入：方位角αSB，测站坐标（Xs，Ys）；测得：水平角β 和平距Dst。则有：

方位角αSt=αsb+β，坐标Xt=Xs+Dst·cosαst，Yt=Ys+Dst·sinαst

若输入：测站S 高程Hs，测得仪器高i，棱镜高v，平距Dst，竖直角θst，则有：高程Ht=Hs+i+Dst·tanθst-v

由于箱梁在顶升过程中，处于运动的自由状态，水平方向的约束仅受顶升处的摩阻力。在横向风作用下是否会发生侧移或侧倾，需要对风力进行实时监测。采用在桥面上布置智能风压测试仪，对顶升作业全过程进行风压测试。风压计算公式，换算成桥梁横向风力值，有效地知道顶升施工作业。

水平力：H=k0k1k3WkAw

其中：k0为设计风速重现期换算系数，对于大跨桥梁取1.0；k1为风载阻力系数，取1.3；k3为地形，地理条件系数，取1.0；Wk为风压值，参考《公路桥涵设计通用规范》和现场测试值（KN/m2）；Aw为桥梁横向迎风面积（m2）。

钢支撑应力监测见表1。

表1 顶升临时钢管支撑应力监测点统计

5 主桥顶升施工过程中易产生误差的因素及处理方法

主桥顶升作业方式不同于引桥顶升施工，主桥顶升施工利用原桥台与系杆拱的拱脚作为反力基础，进行的顶升作业方式，且主桥顶升施工需要进行一次千斤顶跟换工作，控制好千斤顶的安装与通过使用钢箱垫块加高工作空间的过程，可以有效的控制顶升施工质量，减少高程误差以及安全隐患[5]。

6 结论

在航道水运改造工程中，现有桥梁成为制约工程发展的瓶颈，因此在航道整治工程中对现有桥梁的改造有着至关重要的意义，桥梁顶升施工在桥梁改造工程中有着时间短、成本低、污染少的优势。而桥梁顶升施工，是一个动态作业过程，施工状态下，只由同步控制系统下的千斤顶单一提供支撑，随着梁体抬升高度的增加，在桥梁高程误差因素的影响下纵横向偏差也会发生较大变化。控制好高程误差产生的因素，在源头上消减误差，可以更好地把控整体顶升施工质量，提高工作效率。