简支钢桁梁桥抬升施工技术应用探析.pdf

总656期2023年第26期（9月 中）收稿日期：2023-03-24作者简介：袁萍（1991），女，工程师，从事公路桥梁建设管理工作。简支钢桁梁桥抬升施工技术应用探析袁萍（江西省交通工程集团建设有限公司，江西 南昌 330000）摘要：为探究公路简支钢桁梁桥维修加固过程中抬升施工的可行方案，以某跨河桥梁为例，结合现场施工条件，提出了常规梁体同步顶升和逐跨梁体整体提升两种方案。在综合考虑施工工效、施工质量、施工安全性、经济性的基础上，选择逐跨梁整体提升方案并展开分析。结果表明，所采取的整体提升方案机械化程度高，施工快速，能大大降低高空作业风险，可在类似桥梁养护工程中推广应用。关键词：钢桁梁桥；整体抬升；施工技术；提升吊架中图分类号：U445.4文献标识码：B0 引言简支钢桁梁桥在铁路桥梁中较为常用，我国于20世纪60年代就制定出跨度24120 m铁路下承式钢桁梁桥设计标准，但该桥型在公路及市政工程领域较少应用。随着我国钢材产量的激增及钢材防腐技术的不断完善，简支钢桁梁桥应用于公路领域既能适应当前重载交通发展需求，又能减轻结构自重、缩短桥头接线，还能满足降低桥头纵坡、高度震区等特定桥位与限制条件。鉴于此，本文以某跨河旧桥改造工程为例，针对桥梁维修加固实际，对通过走行式提升吊架展开梁体逐跨提升的施工过程进行分析探讨，以期为简支钢桁梁桥施工提供参考。1 工程概况某跨河大桥上部为（220+525+220）m预应力混凝土T梁和钢筋混凝土T梁结构，下部设置柱式墩台和钻孔灌注桩基础。桥长210 m，宽11.15 m，按照汽-20级荷载等级设计。该桥梁建设时间早，运行期间缺乏必要的维修养护，主桁横向刚度不足、高强螺栓锈蚀折断、上横联杆件段开裂、横向振幅过大、钢桁梁下挠变形等问题严重。此次拟将全桥钢桁梁更换成设计高度 4.2 m、宽4.404 m的钢箱梁。由于桥位处无通航能力，故无法采用大型吊装设备拆除原位旧梁并安装新梁。故决定采用拖拉换梁技术1，即以原钢桁梁为导梁，与钢箱梁连接后逐步推进；拖拉期间同步拆除旧梁并安装新梁。拖拉换梁前，为确保新梁顶面标高与原路线标高相适应，必须将钢桁梁桥整体提升1.4 m高。2 施工方案结合该桥梁工程施工条件及钢桁梁抬升需求，提出常规梁体同步顶升和逐跨梁体整体提升两种方案。2.1 常规梁体同步顶升考虑到该简支钢桁梁单跨梁体自重大，故配备4台100 t自锁式千斤顶、1台大体积液压泵、1套PLC液压同步顶升控制系统，以小里程侧为起点，逐跨向大里程侧顶升梁体至设计标高。将2台千斤顶、2套抗倾覆装置及垫块分别设置在每跨2个桥墩靠钢桁梁节点的位置；同时配备4名操作人员，分6级展开顶升操作。顶升期间，必须在千斤顶和临时支撑下方交替抄垫，并借助拉线传感器实时监控位移，保证顶升精度。顶升就位后卸落梁体，并将千斤顶撤除。在采用该施工方案时，钢桁梁最大应力达到45.1 MPa，安全性高。2.2 逐跨梁体整体提升结合该简支钢桁梁结构尺寸及起吊重量，设计走行式提升吊架，并布置于待提升桥跨两端钢桁梁顶面，借助吊具可靠连接，在墩顶配备2名操作人员辅助安装临时支撑并拆除支座；进而通过提升系统将梁体竖向提升至设计标高。将梁体固定于临时支撑后卸除梁体和吊架之间的连接；启动走行装置后展开下一跨梁体提升施工。在以上提升施工过程中，吊架所承受的最大应力与既有钢桁梁最大应力分别为 96.8 MPa和 94.2MPa，完全符合规范，且结构安全性有保证。通过对以上对两种方案的分析看出，受到施工现场场地的限制，常规梁体同步顶升方案在顶升期间，梁体仅依靠竖向支撑，侧翻发生的可能性非常大，顶升过程中多种设施均需放置在面积较小的墩顶；人工配置量大；单跨顶升任务分6级完成，工效相对较低。174交通世界TRANSPOWORLD逐跨梁体整体提升方案初期投资额大，需要同时投入2台提升吊架，但能有效规避安全隐患，降低施工控制难度，提升机械化水平；劳动力投入相对较少；梁体受到提升吊架锁定后可实现连续提升，不分级，工效高。综合考虑施工工效、施工质量、施工安全性、经济性，该简支钢桁梁桥抬升选用逐跨梁体整体提升方案。抬升方案的比选见表1。表1 抬升方案的比选抬升方案施工安全性工效施工质量经济性是否推荐常规梁体同步顶升作业空间受到限制，钢梁侧翻可能性较大，安全风险高分级顶升，工序多而复杂，对操作人员熟练程度要求高，工效低对顶升同步性要求高，控制难度大人工投入多，设备投入少否逐跨梁体整体提升作业空间不受限，机械化使用率高，安全风险低连续提升，操作人员配备量少，工效高连续提升，施工质量易于控制人工投入少，设备用量大是首跨钢桁梁如果同时配置 2 台提升吊架以抬升梁体，则后部提升吊架必将出现1.4 m高差，下一跨提梁施工任务无法顺利开展。为此，首跨梁体必须采用提升和顶升相结合的抬升方式，并在施工开始前将另一台提升吊架固定在待抬升桥跨跨中。末跨梁体所在桥下车辆通行条件良好，待结束所有前部跨梁体抬升任务后，通过200 t履带吊分段拆除末跨钢桁梁。3 施工关键技术3.1 提升吊架施工全桥简支梁部分桥墩设置在河道内，基本不具备履带吊等落地提升设备设置的条件。为此，本文提出采用走行式提升吊架的方案2，在有效解决工程难题的同时，降低成本，提升工效。该吊架包括主梁、走行系统、支腿、吊挂系统、配重系统等部分。其中，主梁为提升吊架的主要承力结构，采用型钢和标准贝雷梁组合形式，与前后支腿共同构成简支梁结构。为保证提升吊架在提梁、走行等过程中均保持稳定，支腿必须由型钢焊接而成，并在支腿底部增设走行轮，确保提升吊架能沿轨道自由行走。吊挂系统主要通过钢锚梁和螺纹拉杆连接锁定提升吊架和钢桁梁，借助4台100 t千斤顶组成的液压系统张拉钢绞线，以达到提升梁体的目的。梁体提升过程中，梁体吊重的平衡主要依靠设置在提升吊架尾部的配重块实现，与锚固方式不同，这种尾部配重的处理既能保证提升吊架前移速度，又能防止跨中钢桁梁表现出较大作用力。提升吊架走行及停止的过程中，提升吊架和钢桁梁结构自重均由钢桁梁承担，故应通过有限元软件展开提升梁体结构受力的模拟分析3。分析时，假设钢桁梁梁面结构荷载均布于结构顶面，待提升梁体荷载则以节点方式施加在吊架横梁上。按照非工作状态和工作状态两种工况展开计算，其中，非工作状态下结构主要承受 610级风，并将提升吊架锁定于支座附件；工作状态即为提梁施工过程，结构主要承受 6 级以内风。模拟分析结果显示，最不利工况下提升吊架上横梁结构和支腿最大应力为96.7 MPa，前支腿最大应力和后支腿向下反力分别为31 MPa和78.4 MPa，均未超出170 MPa的允许应力，结构受力符合要求。施工现场通过 20 t混凝土块配重，提梁施工期间，钢桁梁桥结构抗倾覆稳定系数取2.5；最不利工况下既有钢桁梁组合应力为94.4 MPa，符合结构受力稳定且安全储备较大。3.2 吊架试提升通过试提升消除吊架提升时可能存在的非弹性变形，并检查吊架结构和液压系统等的可靠性。试提升前，应同时开启全部提升吊架的提升系统，并待单台吊架提升力达到20 kN时启停，以消除吊架支腿和轨道间的缝隙；此后将固定支座和摇轴支座上摆与下弦杆间的连接螺栓拧松，退丝2.0 cm，为钢桁梁分级提升提供空间；为保证钢桁梁结构稳定，尚不能将连接螺栓拆除。依次按照设计提升力的 25%、50%、75%、100%展开钢桁梁试提升。对于超出设计提升力仍未提起的梁体，必须检查其约束是否全部解除；对于顺利提起的梁体，必须将提升高度控制在2 cm左右，稳荷5 min后缓慢匀速落梁，并检查钢桁梁和吊架杆件是否存在变形迹象，如有，必须补强；同时检查吊架后支腿是否脱空，如有，必须增大配重。3.3 吊架正式提升3.3.1 首跨钢桁梁抬升通过汽车吊将 2 台提升吊架拼装后吊装至桥面轨道，其中1台提升吊架退行至第2跨梁端，另1台提升吊架固定在第1跨跨中。将支座拆除后，采用提升和顶升相结合的工艺将首跨钢桁梁抬升至1.5 m高度，暂停抬升并按要求安装临时支撑。此后在顶升及提升设备的共同作用下，按照3.0 cm/min的速度匀速缓慢下放梁体，并保证下弦杆底面稳定降落至临时支撑上，通过螺栓将相应结构锁定。临时支撑兼作梁体拖拉施工的滑动面，故对其结构顶面标高有严格要求。采用人工与倒链结合方式安装临时支撑，并通过原支座地脚螺栓栓接锁定临时支撑结构下部和墩顶。确保标高满足设计要求后，借助钢垫板抄垫方式控制支撑架上部顶面标高，并将临时支撑顶面打磨平顺。175总656期2023年第26期（9月 中）3.3.2 中间跨梁体抬升将2台提升吊机移动至首跨梁端和第3跨梁端，将第2跨梁体同步提升至设计标高，安装临时支撑后落梁并按要求锁定。采用相同的操作循环施工，直至完成全部跨梁体提升和落梁任务。以上过程中，钢桁梁提升和落梁速度均应按30 cm/min控制；施工期间以梁体顶面各角点标高变化量为动态量，通过下弦拉线传感器读数加以复核，将各角点标高差控制在1.0 cm以内。待将钢桁梁连续提升至1.4 m高度后，应将提升速度降低至20 cm/min左右，直至梁体提升高度达到1.5 m后将提升速度缓慢降至10 cm/min以下，并最终停止。待安装好临时支撑后，将钢桁梁放置于临时支撑设计位置并牢固锁定。3.3.3 提升吊架拆除提升吊架主要通过布置在桥下的200 t履带吊拆除，为保证施工安全，必须将提升吊架支腿和主体结构固定。先将提升吊架尾部配重拆除，再分离主梁结构和支腿，并将主梁吊运至地面；最后将钢桁梁和支腿间的连接解除，将支腿吊运至地面。待完成钢桁梁合龙后，进行钢桁梁预拱度测量，结果见表2。根据表2中结果，上下游钢桁梁预拱度偏差及桥轴线偏移均符合设计要求。表2 钢桁梁预拱度监测记录序号D0D2D4D6D8D10D12上游高程/m786.310786.342786.331786.348786.349786.325786.338设计拱度/mm024404541250实际拱度/mm026435043280偏差/mm0235230下游高程/m786.310786.342786.332786.348786.348786.324786.339设计拱度/mm024404541250实际拱度/mm026435043280偏差/mm0235230桥轴线偏移量/mm01112104 结构验算考虑到该简支钢桁梁桥结构复杂，施工要求高，走行式提升吊架梁体提升施工可借鉴经验少，为进行结构安全度检验，必须展开结构验算。4.1 主梁纵向验算该简支钢桁梁桥抬升时支点设置在原支点左右侧，两支座相对整联桥长而言间距较小，抬升施工过程中不存在脱空，故应将抬升支点视为1个支点。抬升施工过程中钢桁梁正截面无拉应力，最大压应力为6.8 MPa，小于22.68 MPa的规范值，故主梁纵向受力稳定。4.2 支反力验算采用桥梁博士展开整个支撑力验算4，并根据结果确定各支撑系统受力。钢桁梁反作用力一般通过横梁构造均匀施加于基础结构。验算过程中，将主梁刚度设为无穷大，以便为构件刚度提供足够支撑；假设1根钢管理论支撑刚度K0为1.54106kN/m，则梁内、外支撑刚度分别为 2K0和 3K0。则液压千斤顶最大反力为1 040 kN，额定顶力为3 000 kN，最大反力明显比额定顶力小，故结构具备一定的安全储备。4.3 支撑构件验算抬升施工期间，通过提升吊架提升梁体的过程中，钢桁梁纵向坡度发生改变，进而产生纵向附加水平分力；与此同时，钢桁梁横向产生附加水平力。横纵向分力分别为竖向荷载的1%和2%。结构验算结果表明，钢桁梁构件将产生80.4 MPa的最大应力，而提升吊架极限应力为210 MPa，说明走行式提升吊架结构承载力符合设计要求，结构处于安全状态；提升吊架竖向位移最大值为0.7 mm，最小值为0.5 mm，仅存在0.2 mm的位移差，结构刚度也符合要求。5 结束语综上所述，在待提升梁体梁端分别布置1台走行式提升吊架以整体抬升旧钢桁梁的施工方案切实可行，整个施工过程对既有桥梁结构无任何损伤和不利影响；可充分利用既有结构，通过提升吊架走行提升工效。施工结果表明，每跨抬升施工任务均在 1015 h 内完成，钢桁梁桥整体抬升施工任务比计划工期提前30 d完成。提升吊架的设计融合了连续提升与下放功能，使现场施工机械化程度大幅提升，同时也降低了高空作业及水上作业任务；2台提升吊架在施工期间得到充分利用，使现场设备及人工得到充分利用。参考文献：1 贺金龙，周安康，陈德超，等.跨航道少支架条件下的高速公路桥梁钢桁梁拼装顶推施工技术研究J.运输经理世界，2022（28）：86-88.2 廖清.关于钢桁梁跨既有线顶推施工技术的探讨J.建筑技术开发，2022，49（4）：93-95.3 林国伟，石恒.既有简支钢桁梁桥抬升施工关键技术J.世界桥梁，2021，49（3）：108-112.4 刘欣益，杨子江，冯明扬，等.连续钢箱梁桥顶升改造方案比选及关键技术J.世界桥梁，2016，44（1）：87-91.176