竖曲线上超大顶升高度PC连续箱梁顶升施工监控技术

黄俊豪，刘世忠，冯明扬，刘欣益，杜立山(兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州　730070)



竖曲线上超大顶升高度PC连续箱梁顶升施工监控技术

黄俊豪，刘世忠，冯明扬，刘欣益，杜立山
(兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州730070)

摘要:厦门市仙岳路台湾街跨线桥L4联顶升改造工程以11.261 m的超大顶升高度刷新了目前既有桥梁顶升高度记录。施工中克服了顶升高度大、施工工期长、桥面纵向坡度变化大、梁体自重大、梁宽易扭、箱梁结构复杂等一系列技术难题。本文以此工程为背景从施工监控方的角度介绍如何解决箱梁的纵向滑移及横向倾覆问题，重点阐述如何利用有限元分析软件ANSYS对施工中强迫位移及关键部位局部应力对箱梁产生的影响进行分析，并以此为理论依据设定梁体纵横向位移差安全预警值及应力增量安全预警值，为科学施工提供技术支持。

关键词:大宽跨比顶升控制有限元分析强迫位移局部应力

近年来国内外很多大城市陆续开始了城市立体交通网络的建设改造，而桥梁无疑在城市立体交通网络中占据着重要地位，既有桥梁的顶升改造成为一个值得研究且未来应用广泛的课题。成都红牌楼立交引桥于2013年创造了8.74 m的国内既有桥梁顶升高度记录，其顶升高度仅有本次顶升高度的77.6%。厦门仙岳路台湾街跨线桥L4联主线桥的最大顶升高度为11.261 m，远超此前的顶升改造高度记录。创纪录的超大顶升高度、大宽度的梁体、较大的桥面纵向坡度变化、较大的梁体自重等特点使本工程成为一个技术难度极高的重难点工程，是整个仙岳路与成功大道立交提升改造工程能否按时保质完成的关键控制工程。涉及的很多工程问题都无法通过国内外已有的研究成果找到答案，因此有必要对本次顶升进行严格的安全计算，为科学施工提供可靠安全的技术支持。

1　工程简介

仙岳路台湾街跨线桥共两联，其中L3为钢箱梁，配跨为(36 +45 + 36)m，箱梁梁高2.0 m，桥宽25.0 m，按整幅布置，采用扁平流线形箱梁截面。L4为预应力混凝土箱梁，跨径为3×36 m，L3及L4联位于半径为3 000 m的凸形竖曲线上，其后接纵坡为4.53%的下坡。L4联中间两墩采用单桩单柱式下部结构，桥台采用一字轻型桥台，箱梁预应力采用纵、横双向预应力体系。L4联PC连续梁顶升示意见图1。

图1　L4联PC连续梁顶升示意(单位:m)

L4联为单箱五室PC连续梁，桥面为双向六车道，桥宽25 m，顶升段长108 m，梁体顶升前称量约6 400 t，改造后L4联止点处桥面比现有桥面高出11.261 m，详细参数见表1。

表1　L4联顶升详细参数

2　 L4联顶升施工流程及难点

2.1顶升施工流程

1)准备工作:既有桥梁检测;刨除桥面沥青层，解除伸缩缝，拆除防撞护栏;土方开挖，浇筑顶升支架基础，施工顶升支架的围挡设施。安装各墩台处顶升设施、设备(临时支撑设置在钢管上)，安装纵横向限位装置，调试电脑液压同步顶升系统。

2)正式顶升前所有千斤顶进行试顶升，测试所有设备是否正常工作;第1阶段顶升开始，采用交替顶升方法将L4联同步顶升3.4 m。

3)L4联桥台位置处新建永久承台，并将桥墩接高3.4 m与桥台支撑连接成整体。

4)第2阶段顶升开始，L4联按比例旋转顶升，顶升至设计标高;将墩柱静力切割，墩柱上设置顶升牛腿，将切割后的墩柱上部顶升至设计标高，在墩柱下部重新浇筑混凝土与上部底座连接组成新桥墩。

5)安装支座:支座垫石混凝土养护，并达到设计强度;电脑同步顶升系统顺序落梁;拆除电脑同步顶升系统，拆除顶升支架。

2.2顶升施工技术难点

1)本工程的顶升高度很大，且伴有较大的桥面纵向坡度变化，顶升过程中如何避免梁体的纵向滑移和横向倾覆是本工程需要解决的一个技术难题。

2)L4联梁体宽度较大且结构复杂，在顶升过程中极易发生扭曲变形进而造成混凝土开裂，情况严重甚至会导致梁体结构破坏从而使顶升失败。

3)本次顶升施工由千斤顶组提供顶力并作用于梁体底部，由于梁体自重较大且每个千斤顶的顶力有限，因此需要考虑千斤顶组合和支反力重分布现象的影响。此外梁底与千斤顶接触部位必定会产生较大的局部应力，如何减小局部应力保证梁底混凝土不会遭到破坏，也是保证梁体结构安全的关键问题。

3　 L4联顶升监控关键技术

3.1纵向抗滑移及横向抗倾覆措施

L4联梁体需要通过旋转顶升的方式将桥面的纵向坡度由向下4.53%调整为向上2.74%，进行旋转顶升时，梁体的水平投影会变长。顶升过程中既要保证梁体不能触碰H9号桥墩另一侧的L3联梁体，又要防止梁体向H12号桥台方向整体滑移。为确保顶升过程中梁体的位移轨迹始终在设计值误差范围内，设置了纵横向限位设置，见图2。

图2　H12桥台处横向限位器

1)在H12号桥台后修建“门”字形临时钢支撑，在顶升施工时将靠近H12号桥台处的梁体锁在施工允许的横向范围内，达到对梁体的横向限制效果。

2)在H9号桥墩梁端桥面处用小型千斤顶和高强螺杆组成7组纵向限位器(图3)，既可避免触碰相邻梁体，又可有效防止梁体的纵向滑移。

图3　H9桥墩处纵向限位器

3.2强迫位移的分析计算

由于梁体复杂的空间几何特性，实际顶升过程中梁体纵横向的顶升高度几乎不可能绝对同步，梁体在顶升过程中纵横向都可能出现不均匀非理论高差即强迫位移，使梁体产生应力增量。如果拉应力增量较大，会使梁体产生裂缝，进而导致结构不安全甚至破坏，梁体开裂对于工程人员意味着顶升控制的失败。提前计算出梁体所能承受的理论最大强迫位移，设定出顶升过程中较安全的纵横向位移差预警值并应用于整个顶升过程的监控环节，对梁体结构安全具有重要意义。工程采用PLC控制液压同步顶升系统进行顶升作业，由于PLC控制液压同步顶升系统可以实时监控各顶升千斤顶的油压、反力，将误差控制在很小的范围内。因此可以忽略千斤顶反力重分布对梁体结构安全的影响，主要考虑强迫位移产生的拉应力增量对梁体结构安全的影响。L4联梁体共有4个桥墩，桥墩自西向东的编号为H9至H12，箱梁在纵桥向和横桥向均为对称梁体。本工程采用有限元分析软件ANSYS对整个施工过程中可能出现的强迫位移工况进行仿真模拟。各工况下梁体的拉应力增量最大值见表2。

表2　各工况下梁体的拉应力增量最大值

由表2可知，拉应力增量最大值出现在工况3，在H12号桥台的南侧施加5 mm竖向强迫位移，北侧施加10 mm竖向强迫位移的条件下，数值为1.73 MPa，位置在12#桥墩上方的梁底与垫块接触区域。本工程梁体使用材料为C50混凝土，强度设计值为1.83 MPa。当L4联梁体的纵桥向强迫位移为10 mm，横桥向强迫位移为5 mm时，拉应力增量最大值在规范规定的安全范围内。考虑到为工程保留较大的安全富余量，设定不同桥墩的纵桥向位移差安全预警值为5 mm，相同桥墩的横桥向位移差安全预警值为3 mm。

3.3局部应力的分析计算

由于L4联梁体的自重较大，为避免千斤顶将箱梁底部混凝土顶裂造成结构破坏，在顶升过程中千斤顶不直接作用于箱梁底部。千斤顶上部设置了分配梁，在箱梁腹板下方区域设置垫块与分配梁找平接触，且起顶点位置从横隔板截面处外移。在顶升过程中垫块与箱梁底部接触区域会产生较大的局部应力，所以在顶升前需进行局部应力的校核验算以保证施工的安全，并在施工过程中对此类局部应力进行全程监控。

基于有限元软件ANSYS对局部应力进行分析计算，根据圣维南原理选取长3 m的标准梁段，建立空间计算模型，有限元模型中采用Solid 45单元模拟混凝土，共划分单元18 976个。边界条件:桥墩处为两端固定约束，每个垫块的接触面积取0.25 m2。计算荷载:将该标准梁段的梁体自重平均转化到4个垫块上，并计算支反力不均匀系数1.4，以此为千斤顶的最不利反力值(此计算数值大于顶升过程中检测到的实际最不利反力值)，计算得到面荷载值为8 000 kN/m2。

计算结果:桥台处箱梁拉应力增量最大值2.17 MPa，桥墩处箱梁拉应力增量最大值2.06 MPa，箱梁拉应力增量最大值均出现在梗腋位置。桥台处箱梁压应力增量最大值4.99 MPa，桥墩处箱梁压应力增量最大值5.24 MPa。压应力增量最大值在C50混凝土强度设计值安全范围内。桥台处箱梁最大拉应力属于局部应力，其值在C50混凝土强度标准值安全范围内，其他区域拉应力增量均＜1 MPa。顶升时梁体起顶点附近不会开裂，梁体安全。考虑到为工程保留较大的安全富余量，设定拉应力增量安全预警值为1 MPa。

4　施工监控及梁体顶升前后参数对比

L4联梁体于2014年10月24日试顶升，次日正式顶升，至2015年1月24日梁体落于新浇筑桥墩的永久支座上。期间顶升工期为28 d，共123个顶升行程。整个顶升过程中全程进行施工监控，L4联梁体的最大纵桥向位移差11次达到安全预警值，最大横桥向位移差7次达到安全预警值，拉应力增量最大值一直在安全预警值允许范围内。当实时监控的纵横向位移差达到设定安全预警值时即迅速叫停顶升行程，排查千斤顶故障，待现场人员进行实时测量后，根据现场测量结果进行调整。随后继续顶升行程，重复以上过程直至落梁完成。落梁后即进行梁体残余应力检测，检测发现梁体残余应力值很小，其影响可忽略不计。整个顶升过程中梁体的纵横向位移差都未超过理论计算的最大安全范围，局部应力增量最大值也均在C50混凝土强度设计值安全范围内。为准确对比顶升前后L4联梁体状态并对梁体的承载能力做出评估，顶升前后在梁体相同截面布置位移测点及应力测点，进行桥梁静动载试验。

L4联顶升前后静动载试验参数对比见表3。由表3可知，顶升前后L4联梁体的位移校验系数、应力校验系数、自振频率和冲击系数均未发生明显变化，且梁体各项承载能力指标均满足设计规范的安全要求。

表3　L4联顶升前后静动载试验参数对比

5　结论

1)大宽跨比鱼腹式PC箱梁桥在顶升过程中对整体稳定性提出了较高要求，要求设置合理且安全储备足够大的纵横向限位系统，避免梁体出现纵向滑移及横向倾覆情况。

2)对于结构较复杂且宽度较大的梁体而言，顶升过程中一旦梁体的纵横向位移差过大就极易造成梁体扭曲变形甚至结构破坏。在顶升开始前进行理论建模，计算出强迫位移的最大安全范围并设定出纵横向位移差安全预警值，将其应用于全程施工监控中是极其必要的。

3)对于梁体自重较大的顶升工程来说，梁体关键部位局部应力的分析与计算是必要的。应在工程开始前计算出梁体关键位置在各种工况下可能出现的理论应力增量最大值，并由此理论值给出相应的应力增量安全预警值，将其应用于全程施工监控中，以确保顶升施工安全。

参考文献

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(责任审编赵其文)

Construction Monitoring Technology on Jacking of Prestressed Concrete Continuous Box Girder to Super-height at Highway Vertical Curve Section

HUANG Junhao，LIU Shizhong，FENG Mingyang，LIU Xinyi，DU Lishan

(Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Abstract:T he existing record of bridge jacking height is refreshed by the jacking project of L4 flyover across T aiwan Street of Xianyue Road in Xiamen City with the maximum jacking height of 11.261 m.During the construction，a series of technical difficulties were overcome such as large jacking height，longer construction period，large bridge longitudinal slope change，heavy box girder self-weight，wide girder width easier to torsion，and complex box girder structure.Based on the project，how to solve the problems of longitudinal slip and transverse overturn were introduced from the point of construction monitoring.T his paper focuses on how to use finite element analysis software ANSYS to analyze the effects of forced displacement and local stress of key components on the box girder.W ith this analysis，warning values of longitudinal and transverse displacement disparity and stress increment were proposed，providing technical supports for scientific construction.

Key words:Large width span ratio;Jacking control;Finite element analysis;Forced displacement;Local stress

作者简介:黄俊豪(1991—)，男，硕士研究生。

基金项目:国家自然科学基金(51368032)

收稿日期:2015-10-12;修回日期:2015-12-15

文章编号:1003-1995(2016)03-0041-04

中图分类号:U448.35;U445.7

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.10