桥梁顶升施工技术研究

潘飞

摘要：桥梁顶升施工技术在现代铁路改造工程中应用极为广泛。相对于传统的桥梁拆除新建处理方式。特定情况下，顶升技术的成熟应用不仅节约了大量的建设资金，同时也顺应了节能减排、绿色建筑等行业发展趋势。本文结合南京某铁路桥梁的顶升实际过程实施，总结在列车不停运情况下，顶升桥梁施工相关经验，为类似工程提供参考。

关键词：桥梁顶升、PLC控制系统、梁部顶升、墩台帽加高

1 概述

顶升技术是一项成熟的桥梁施工技术,其具有不影响原桥上部结构的受力特性,造价相对较低施工工期较短,不影响交通的正常通行等,有着其它施工方法无法比拟的优越性。南京市某铁路为满足运力提升需求，需要对原铁路某特大桥进行抬道改造，桥梁原设计为2-32m后张梁+3-32m低高度后张梁+25-32m后张梁+1-24m后张梁+1-48m单线半穿式下承钢桁梁+1-24m后张梁+8-32m后张梁，全长1352.69m，共计41#墩。需顶升段为第36#~40#桥墩、第41#为桥台、共计5墩1桥台，具体设计抬道标高如下：

桥名	墩台号	桩号	原墩台离 (m)	加高 (m)	加高后 墩台高 （m）
某特大桥	36#墩	K3+427.34	7.5	0.103	7.603
	37#墩	K3+460.04	7.0	0.158	7.158
	38#墩	K3+492.74	7.0	0.271	7.271
	39#墩	K3+525.44	6.0	0.412	6.412
	40#墩	K3+558.14	6.0	0.562	6.562
	41#台前	K3+590.92	1.86	0.733	2.593
	41#台尾	K3+594.94	5.08	0.754	5.834

2、顶升方案

2.1 方案选择

因该特大桥在顶升过程中，铁路线路需要保持正常运营，且需顶升抬起的高度较大，因此只能进行整体同步顶升。现场初步观测和分析计算表明桥梁的整体性、刚度及结构受力状态具备整体顶升的条件。其使用的顶升设备有整体同步顶升和采用常规液压千斤顶进行的整体同步顶升两种。其中前者基于位移控制闭环理论，采用PC(计算机)控制的液压同步系统，其精度极高，可实现对整体顶升的精确控制，且操作方便，而后者则依靠操作工人的经验控制，精度底且安全风险较大，因此该大桥最终选用了美国Enerpac公司的PLC控制系统进行同步顶升，其同步精度可达到±2mm，能非常精准的控制同步顶升施工。

2.2 支撑系统

顶升支撑系统承受顶升时千斤顶的压力，应具有足够的强度、刚度和稳定性。由于特大桥无法在墩帽上安装千斤顶，因此需在每个千斤顶下设置顶升支撑。顶升支撑系统采用钢结构、钢筋混凝土等，本方案采用型钢支撑系统。意图见图1。

图1、顶升支架

2.3 千斤顶设置

32mT梁自重、二期恒载共重555t，每个千斤顶反力555/16=34.688t，选用起重量50t的液压油顶即可满足工况需求，实际现场选用200t液压油顶。即每个钢立柱上设置一个油压千斤顶。千斤顶上下布置分配梁，按照设计，上部分配梁采用扣轨道梁，下部分配梁为220工字钢双拼焊接，上下设置1cm钢板焊接补强，以便钢支撑整体受力，长处要进行结构检算，以确保安全。

3、结构计算分析:

计算分两步进行，第一部分验算顶升过程中支撑体系受力情况，第二部分对加高后的墩台帽进行受力计算

（1）支撑体系验算：

本研究选取最不利的某特大桥的38#墩为研究对象建立有限元模型，顶升高度为0.271米（图2所示）。

图2 整体顶升系统的有限元模型

为不影响列车的正常通行，桥梁的顶升包含两种荷载工况，第一个阶段为顶升阶段，此时荷载包括梁自重和二期恒载共555t，每个千斤顶上的反力为555/8=69.4t，以节点荷载的形式施加于千斤顶上方分配梁的对应节点处，随后传递到下方分配梁及609支撑钢管和角钢斜撑及横撑之上，如图2a所示。

图2a  工况一提升阶段

第二个阶段为行车阶段，除包含前述555t的自重和二期恒载，还考虑了载重货车车厢的活荷载，其中货车车厢长16米，自重24t，设计载重60t。因此火车通行时的活荷载取为（24+60）*2=168t。因此单跨32mT梁的自重、二期恒载及活载共重723t，分摊至每个C50混凝土灌浆-325无缝钢管上的荷载为723/4=180.75t，如图2b所示。

图2b  工况二行车阶段

本研究采用Midas Civil有限元分析软件，在两种工况下，分别进行最不利构件的强度校核。共划分476个节点，517个梁单元，取安全系数为2，钢结构的许用压应力为[σ]=235MPa/2=117.5MPa，许用剪应力为117.5MPa/1.732=67.8MPa；垫块的许用压应力为钢管和填充混凝土许用压应力的小值，桥梁钢筋混凝土结构的许用压应力为50MPa，许用剪应力为117.5MPa/1.732=67.8MPa。

提升工况下，最大轴向压应力为23.3和23.9MPa<117.5MPa,位于分配梁-上横撑之间的钢管单元及钢管底-下横撑之间的钢管单元(图3)。

图3 顶升工况最大正应力

最大横桥向剪应力为0.62MPa<67.8MPa，位于分配梁-上横撑之间的钢管单元(图4)。

图4 顶升工况最大横桥向剪应力

最大竖桥向剪应力为0.19MPa<67.8MPa，位于下斜撑中部及和下横撑端部。因此提升工况下临时结构的强度符合要求(图5)。

图5 顶升工况最大竖桥向剪应力

行车工况下，最大轴向压应力为21.4MPa

图6 行车工况最大正应力

最大竖桥向剪应力为5.6MPa<67.8MPa，位于垫块下的垫石中部单元(图7)。因此行车工况下临时结构和桥梁结构的强度符合要求(图7)。

图7 行车工况最大竖桥向剪应力

综上所述，本研究所采用的顶升方案符合结构强度要求，因此是合理可行的。

（2）加高后墩台强度稳定性计算

原设计单位仅对抬升过程中相应措施进行了分析，缺失对既有桥梁是否需加固进行计算。故利用railway bridge engineer软件对既有桥梁相关工况进行模拟计算。

既有线桥梁检算：

1、加高值≤10cm段通过加厚道砟厚度滿足标高要求,T梁结检算果如下:

荷载组合	强度安全系数	抗裂安全系数	运营荷载作用下 下翼缘应力（MPa）
主力	2.04	1.23	1.4
主力+附加力	2.03	1.21	0.5

2、顶升过程中，T梁检算结果如下:

荷载组合	强度安全系数	抗裂安全系数	运营荷载作用下 下翼缘应力（MPa）
恒载	3.92	1.44	10.2

3、既有线桥梁加高,桥墩最大加高值在该特大桥40#墩处,为0.562m.桥台最大加高值在41#桥台台尾处,为0.754m。

对40#桥墩及41#桥台进行检算。检算结果如下:

（1）40#桥墩检算结果

1）墩身检算

墩身截面混凝土最大压应力为6.68MPa<容许压值8.5MPa

墩身截面偏心系数e/S最大值：0.481<容许值0.6

墩身整体稳定系数最小值：11.606>容许值2.0

墩顶顺桥向位移(含基础产生位移)：18.980mm<容许值28.284mm

墩顶横桥向位移(含基础产生位移)：16.523 mm<容许值24.525mm

桥墩横桥向刚度(含基础刚度)：260.330 kN/cm

根据计算结果,桥墩加高后各项指标均满足规范要求。

2）桩基础检算

主+附：P=3260KN<容许值3372 KN

因此,不需对桥墩桩基础进行加固。

（2）41#桥台检算结果

1）台身检算

台身截面混凝士最大压应力为1.618MPa<容许压值8.5MPa

台身截面偏心系数e/S最大值：0.517＜容许值0.6

桥台顺桥向刚度(含基础刚度)：1605.652kN/cm

桥台横桥向刚度(含基础刚度)：579.286 kN/cm

根据计算结果,桥台加高后各项指标均满足规范要求。

2）桩基础检算

主力：P=2365KN<容许值2411KN

因此,不需对桥台桩基础进行加固。

4、顶升需解决的技术问题

4.1 选择适当的支撑垫块

桥梁顶升高度较大时受千斤顶行程限制不可能一次顶升到位，中间需进行行程交替，此时应考虑如何设置合适的支撑垫块，以确保顶起后的梁体能处于稳定状态。

4.2 顶升前对结构受力或连接部位的处理，如伸缩縫、抗震锚栓、支座、搭板等。

4.3 结构顶升移位中限位装置的设计

由于千斤顶安装、顶升的同步精度及回落后临时支撑安装等多种因素的影响，在顶升过程中往往会产生水平偏转，严重时将直接影响桥梁安全。进行结构限位是控制偏转的主要方法，限位一般包括横向限位和纵向限位。限位装置的设计是确保桥梁顶升成功的必备要素。

4.4 顶升时结构的位移观测

在进行结构整体顶升时应采用可靠的位移观测手段随时密切观测结构的位移情况，重点防止不均匀的位移出现，否则结构将承受与不均匀沉降相似的内力，严重时将造成结构物永久性损伤。

4.5 顶升时结构的受力观测

结构整体顶升时应采取可靠的内力或结构变形(裂缝)观测手段，对结构内力进行观测，防止损害结构的内力出现。

5、顶升施工工艺

5.1顶升要点

顶升前应做好准备工作，其要点为以下几个方面:

a)进行详细的桥梁结构验算，理论上验算桥梁的实际受力状态能否满足顶升要求，求得顶升时的千斤顶顶升力，为顶升作业提供初步的参考数据;

b)顶升高度的确定,根据特大桥设计抬道高度和设计桥梁抬道加高原则，该桥梁部需顶升的最大高度在40#墩处,为56.2cm，最小高度在38#墩处，为27.1cm，因此确定40#墩处顶升高度60cm，38#墩处顶升高度30cm，顶升过程整体同步。为保证顶升后安放支座及支座垫石的施工要求，可将桥梁整体顶升到超出设计高程10cm处，具体可根据顶升施工的实际情况确定，当新支座安放好后再落梁至设计高度；

c)顶升加载位置应尽量靠近桥梁现有的支座位置，使顶升施工时与桥梁工作状态下的受力基本一致，以避免不必要的多余内力产生从而影响结构安全；

d)顶升前桥面标高的测量:顶升施工前应对桥面标高进行测量，测量部位应包括顶升加载断面两

侧以及桥梁各孔的L/4断面，为下一步顶升高度控制提供高程依据；

e)进行必要的桥梁裂缝观测，观察是否有超过规范要求的受力裂缝出现，同时对梁板混凝土强度采用回弹仪与超声波仪相结合的方法进行测定，如超过宽度要求的受力裂缝较多或梁板混凝土强度低于原设计要求，应考虑进行桥梁荷载试验，检验桥梁的整体受力特性及刚度是否满足顶升要求；

f)进行整体顶升前，应将桥端伸缩缝等影响顶升的连接构件拆除。

5.2 顶升限位措施

桥梁在整体顶升时处于-一种“漂浮”状态。由于液压千斤顶安装的垂直误差及顶升过程中其他不利因素的影响，在顶升过程中可能会出现微小的水平位移，而使顶升出现危险。为避免出现这类情况，需在桥梁上部纵横向设置水平限位装置。限位装置应具有足够的强度，并在限位方向具有足够的刚度。该特大纵向限位采用在梁体伸缩缝间放置方木的方式，拆除桥梁伸缩缝后在背墙和梁体、梁体与梁体之间的缝隙填充方木，作为顶升时的纵向支撑，从而达到纵向限位的目的。横向限位利用桥梁现有防落梁，在防落梁和梁体的间隙中填充方木或木板，以限制梁的横向移动，起到横向限位作用。

5.3顶升时的监测系统设置

本工程选用的是美国Enerpac公司的PLC控制系统，它具有自动补偿功能，该装置同步补偿千斤顶，采用PLC控制液压同步系统是一种力和位移双控制系统，同步精度为±2.0mm，起到位移补偿的作用，监督整个移梁过程梁体是否处于三点平衡状态，并维持三点平衡状态，这样就可以很好的保证顶举过程的同步性，保证结构的安全性。

5.4 顶升

本工程依赖PLC控制系统进行自动顶升，所以在正式顶升前一定要做好系统的调试和试顶，保证系统运转高效可靠，系统安装调试流程如下。

图2、PLC控制系统安装调试流程题

5.5支撑垫块的选用及行程交替处理

该特大桥整体顶升最大高度超过50cm，中间需进行行程交替，本工程采用轻型垫块“积木”法，解决这个问题。

将每孔梁的支座地脚螺帽松开，割掉高出支座锚板部分的螺杆，同时松开沉降缝，顶梁时利用硬质木板塞实，防止梁体纵向移动。梁体顶起后拆除原有支座。原则上，每次梁部顶升80mm高度后．加垫1块高75mm的型钢垫片（首块型钢垫片通过植入垫石中的锚栓与垫石连接），接着顶梁，第2块垫片支垫完后，各垫片之间通过锚栓栓接形成一个整体，落梁，油顶回油，其余桥墩顶升高度则通过已顶升两跨的坡度推算确定（垫片厚度根据推算出的顶升高度调整）。

5.6支座及垫石的处理

因顶升后梁底至盖梁顶高度较大，不可能直接安放支座，应首先拆除原有支座，根据设计标高和加高原则对墩台帽或者垫石进行接高。

根据设计，梁体顶升到设计高度后，在型钢垫片顶部安置枕木（枕木高度应综合考虑支座垫石高度、水泥砂浆垫层厚度、枕木变形等多种因素，保证梁底标高在落梁后不会产生过大偏差），将梁于枕木上，对接高部分墩台顶帽混凝土面进行凿毛、植筋，同时绑扎需接高部分的顶帽钢筋（型钢垫片位置处的钢筋绑扎，需要提前在型钢垫片上打孔，使钢筋可以穿过）。浇筑混凝土并安装吊篮、围栏，施桥墩垫石。待混凝土达到养护龄期和设计强度后，顶梁抽出枕木，安装新支座（型号SQMZ），落梁就位，并在施工完便梁以下路基，桥台及道砟后拆除便梁．恢复线路。

5.7其他注意事项

因为抬桥过程中，线路要维持运营，所以抬道要结合天窗点分次抬升，每次抬升的高度不宜过大，过大会使顶升部分和未顶升部分产生较大的高差，而梁面上是有既有线路的，过大的高差会造成线路接头病害或胀轨跑到发生。每次抬道的高度也不宜过小，因为天窗点时间有限，要在规定工期内完成顶升就要最大化利用天窗点时间。因此如何结合天窗点设计抬道量是一个需要注意的地方。

这里将本工程抬道实施设计策划表公布如下，希望对读者有所帮助。

抬道施工设计高度表
序号	编号	里程	抬道量	第一次 抬道量	第二次 抬道量	第三次 抬道量	第四次 抬道量
5墩、一台桥梁顶升1‰
1	36#墩	K3+427.34	103	25	50	75	103
2	37#墩	K3+460.04	158	40	80	120	158
3	38#墩	K3+492.74	271	60	120	180	271
4	39#墩	K3+525.44	412	100	200	300	412
5	40#墩	K3+558.14	562	140	280	420	562
6	41#台前	K3+590.92	733	200	400	600	733
7	41#台后	K3+594.94	754	200	400	600	754
线路顺坡按2‰
1	20m	K3+614.94		160	360	540	714
2	40m	K3+634.94		120	320	500	674
3	60m	K3+654.94		80	280	460	634
4	80m	K3+674.94		40	240	420	594
5	100m	K3+694.94		0	200	380	554
6	120m	K3+714.94			160	340	514
7	140m	K3+734.94			120	300	474
8	160m	K3+754.94			80	260	434
9	180m	K3+774.94			40	220	394
10	200m	K3+794.94			0	180	354
11	220m	K3+814.94				140	314
12	240m	K3+834.94				100	274
13	260m	K3+854.94				60	234
14	280m	K3+874.94				20	194
15	300m	K3+894.94				0	154
16	320m	K3+914.94					114
17	340m	K3+ 934.94					74
18	360m	K3+954.94					34
19	380m	K3+974.94					0

6结语

桥梁整体顶升技术可以在基本不影响桥梁通行与结构安全的条件下，实现对桥梁净高的改善，不失为解决桥梁改造或缺陷整治的最佳方案。

参考文献：

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[3]桥梁整体顶升关键技术研究[J].蒋岩峰,蓝戊已.建筑结构.2007（S1）

[4]桥梁支座更换分部顶升施工探讨[J].江玮,刘丽敏.交通世界.2022（Z1）