同步顶升技术更换公路桥梁支座的施工分析 Construction Analysis

摘　要：桥式结构受到气候、环境等自然因素的 影响结构橡胶支座的损坏非常频繁，支座更换最主 要的方法就是同步顶升法。本文通过工程实例，探 讨了同步顶升法安全监控设备的组成、布置和损坏 桥梁的姿态调整等，对顶升力和位移传感器的监测 同步控制。分析总结了各墩台处支座反力分布规律 基本符合设计载荷的分布规律，为同步顶升法支座 更换提供了实例和理论依据。 

关键词：同步顶升,支座更换,监控设备,载荷, 实时监控 

1 前言 

支座更换最主要的方法就是同步顶升法， 同步顶升是指以顶升位移增量保持一致或以顶 升力保持一定将梁体顶升到设计预定高度的施 工过程。进入21 世纪以来，随着越来越多的 桥梁采用同步顶升技术更换支座，同步顶升技 术和设备也在不断地完善和改进。使用液压设 备和同步顶升技术对桥梁进行抬升改造、整体 纠偏、更换支座，其历史并不长，虽然在施工 工艺和设备方面已经具备了比较成熟的条件， 但是在工程实施过程中仍时有安全事故出现， 尤其是连续弯梁匝道桥，很容易出现扭转、滑 移现象。结构同步顶升施工之前应当利用传感 器的布设达到对顶升过程实时监控的目的，并 且根据实测情况在顶升前调整桥梁姿态，完成 桥梁的纠偏和维护。 桥式结构受到气候、环境等自然因素的影 响会逐渐老化，结构的质量会急剧下降，尤其 是结构橡胶支座的损坏非常频繁，支座的损坏 会影响到上下部结构的使用寿命和交通安全。 因此相关管理部门需要及时了解结构的安全性 能，更换损坏的支座，保证桥梁结构的安全使用。 同步顶升技术最初用于预制梁的架设和移位， 随着液压技术的发展，该技术的应用范围也不 断扩大。本文重点介绍某连续弯梁桥的支座同 步顶升更换过程中的安全监控及姿态调整实例. 

2 顶升安全监控设备的组成 

2.1 动力监控主要内容 桥梁支座更换是一项高技术、高难度、高 风险的施工作业过程。首先要将梁体安全顶起， 取出损坏支座，待新支座安装完成后再将梁体 复位。支座更换的过程中应实时对顶升力、顶 升点位置、顶升处的压力、位移、应力等主要 参数进行监控。尤其是在箱梁、板梁的竖向顶 升过程中，需要在梁体的端部和跨中两侧断面 的上下位置布置应变测点监控截面上的应力变 化，避免梁体的扭曲。 ①顶升力的控制：通过对液压千斤顶的控 制以及液压缸上部载荷的情况调整顶升力。考 虑到连续弯梁桥两端支座设计反力略大于跨中 支座，在试顶升及称重过程中需观察顶升力的 分布是否符合设计规律，如果不符，需要及时 发现并解决问题，及时调整桥梁姿态。 ②位置的控制：通过位移传感器监控。在 桥梁顶升过程中，为了防止梁体扭曲、应力集 中和开裂，各顶升点在载荷不均的情况下必须 保持位置同步。 

2.2 监控系统组成 梁体顶升监控系统主要由压力传感器、位 移传感器、应变传感器、信号调理模块、多通 道切换开关模块、16 位数据模转换模块、通讯 接口模块、计算分析软件等单元组成，如图1 所示。 其中电源管理模块功能是为位移传感器、 应变传感器、信号调理模块、多通道切换开关 模块提供电源。多路开关模块根据指令编码选 通相应信号并送入AD 转换模块。AD 转换将 信号转换成数字信号，AD 精度不应低于16 位， 采样频率为250KS/s。接口模块完成与PC 的 通讯与数据交换功能。 监控系统具有数据实时显示、自动记录数 据的功能。为防止出现实际顶升位移与设备数据 显示值滞后，数据巡测采集速度不得低于5 通 道/s，且所有监控参数应同步显示并自动记录。 除了同步显示数据之外，顶升过程中还需 要监控程序自动记录全部技术参数，即顶升过 程中的重要技术数据需要具有溯源功能。当施 工监控发现异常情况时，需要立刻停止顶升作 业，将梁体放回原位后再查找原因，异常情况 排除后方可重新顶升作业。 

3 顶升安全监控 

3.1 工程背景 湖南某高速公路匝道桥是钢筋混凝土 连续弯梁桥。桥梁平面位于R=200m 的圆 曲线及A=70m 的缓和曲线上，纵断面位于 R=2000m 的圆曲线上。全桥1 联共10 跨， 全长256.24m，跨径布置为10×25m，桥面 设双向纵坡i1=2.5%，i2=3.44%，横桥向设置 单向坡4%，总重约7000t。桥梁第5 跨和第6 跨下是另一高速要道。墩台编号布置见图2。 该连续弯梁桥中部4 号至5 号墩间的梁体曾因 净空不足被车撞击，车祸造成5 号墩的内侧柱 体外倾，柱顶与梁体移位达35mm。 

3.2 监控系统布置 选择可直接和计算机的USB 接口相连 的USB2086 多功能数据采集卡(32 路16 位 500K 带缓存DIO 总线) 构成顶升安全监控的 数据采集分析和处理系统。用USB2086 多功 能数据采集卡的32 路模拟量输入作为主采集 箱的位移/ 应变输入通道使用，8 路DO 输出 作为扩展采集箱的位移或应变输入通道的选 通地址使用。采样模式选择分组采样( 伪同步 采集)，软件设置采集通道，采集速度选择为 200KS/s。 运用先进的同步液压顶升控制系统，八个 分站前置分布在高速公路两侧。每个顶升液压 油缸都配置有1 个位移传感器和1 个压力传感 器，传感器信息通过电信号的方式发送到中央 控制器中，通过程序计算实时发出控制指令， 决定该油缸是否动作。油缸的位置和负载状况 将在控制面板显示。在梁体的各支座截面设置 位移监测点，在梁体1/4 跨、1/2 跨主要控制 截面布置分辨率不低于1με 的应变监测点，所 有监控传感器安装前发进行标定，保证监控数 据的准确性。在梁体的两端伸缩缝处安装位移 监测点和防滑装置，监控梁体纵轴及横轴位移 情况。安全顶升监控系统具有图形化实时显示 功能，可实时图形化显示梁体姿态，当监测参 数超出设置值时实时报警。同步顶升阶段以位 移传感器信号为判据，控制各液压缸和油泵电 磁阀将要进行的动作。 

3.3 同步顶升及姿态调整 顶升过程其实就是桥梁姿态控制的过程， 顶升施工需要在对液压千斤顶和传感器的布置 检查完毕并且完成调试之后才可进行。施工主 要可分为称重、试顶升、顶升以及落梁4 部分。 ①称重。称重是在顶升前利用液压千斤 顶将梁体顶升至原支座脱离梁体1mm 左右。 通过监控系统观测可知全桥梁体设计总重为 5920t，实测总重为6920t，实测总重量偏高 16.7%。其中内侧全部支座反力实测值之和为 3133t，较内侧设计总重2905t 偏高7.8%。外 侧全部支座反力实测值之和为3623t，较外侧 设计总重为3022t 偏高19.9%。 各支座反力的实测值和调整值见表1。 首次称重后，需要实施顶升高度为2mm 的试顶升，在多次试顶升的过程中都发生了千 斤顶漏油的状况，不得不抢修及更换顶升千斤。 认真分析支座反力分布规律及安全监控数据后 发现，5 号墩内侧支座反力比相邻支座反力高 约116t(+44.6%)，5 号墩外侧支座反力比相邻 支座反力低70t( － 18%)。显然，当前梁体支 座的反力及反力分布规律严重偏离设计值及设 计分布规律。 上述支座反力实测结果说明梁体当前的姿 态是病态的。具体看来，5 号墩内外侧存在附 加扭矩，3 号与5 号墩内侧存在附加弯矩，梁 体存在较大的附加扭矩，可导致梁扭曲变形。 在此状态下直接顶升抬高作业，不仅仅梁的内 应力较大而且扭曲变形还会导致顶升千斤顶的 偏心压缩受损。 ②姿态调整。考虑到该桥5 号墩存在断裂 外倾病害，需要在缺少梁体原始数据基准( 老桥都存在的问题) 的情况下以实测支座反力与设计反力分布规律为基准对梁体进行姿态调 整。姿态调整采用的是局部顶升法，先根据内、 外侧实测总质量与设计总质量的百分比值k 内 侧/k 外侧计算出各支座反力调整目标值。相 关计算部分如下： k 内侧=M 内侧/W 内侧，k 外侧=M 外 侧/W 外侧， Fi 内侧=Fi 内侧设计×(1+k 内侧)， i=0，1，2，3?，10， Fi 外侧=Fi 外侧设计×(1+k 外侧)， i=0，1，2，3?，10，式中：k 内侧为内 侧实测总质量与内侧设计总反力比值；k 外侧 为外侧实测总质量与外侧设计总反力比值；Fi 内侧为内侧各支座反力调整目标值，i 为墩号； Fi 外侧为外侧各支座反力调整目标值，i 为墩号； Fi 内侧设计为内侧各支座反力设计值，i 为墩号； Fi 外侧设计为外侧各支座反力设计值，i 为墩号。 5 号墩内侧支座反力与调整目标值F5 内 侧比较偏高约57t，3 号、4 号、6 号、7 号内 侧支座反力与调整目标值F3 内侧、F4 内侧、 F6 内侧、F7 内侧、比较偏低约40~50t。5 号 墩外侧支座反力与调整目标值F5 外侧比较偏 低约52t，3 号外侧支座反力与调整目标值F3 外侧比较偏高约60t。 采用局部顶升法对4、5、6 墩内外侧梁体 补充顶升，经反复调整直到调整后的支座反力 分布符合调整目标值分布规律，即姿态符合设 计要求后为止。 此时，4、5、6 墩内侧梁体补充顶升 2mm，5 墩外侧梁体补充顶升1mm，再次称 重结果显示，各墩台处支座反力分布规律基本 符合设计载荷的分布规律。见图3~ 图6。 ③顶升及落梁。经梁体姿态调整后，梁体 平顺，在完成试顶升之后再对梁体进行逐级顶 升，每一级抬高2mm，辅以压力传感器的信 号来控制液压缸的压力。当全部顶升点都达到 2mm 后，锁定暂时支撑，稳定30min 后，再实施下一级2mm 顶升作业，共用时4d 将梁 平稳地抬高92mm，没有再发生千斤顶活塞漏 油故障，顶升抬高全过程中，纵桥向应变水平 监测值均小于40 微应变以内。更换支座等维 修施工完成后，以1mm 为级逐级平稳落梁。 梁体抬高时间曲线见图7。 

4 结语 

总结此次施工实例发现桥梁整体顶升及姿 态调整技术在各种道路中起到了举足轻重的作 用。总结本次监控的关键技术如下： 

4.1 桥梁顶升监控系统需要对梁体顶升位 移、顶升速率、纵横向位移、梁体竖向挠度、 梁体应变、顶升力等技术参数进行施工监控。 既可方便现场监控施工，也可实现数据溯源， 杜绝盲目施工损伤梁体的现象发生。 4.2 顶升监控用的位移传感器最大量程应 满足顶升高度要求，分辨率应不低于0.05mm。 顶升监控系统用的应变传感器的标距不应低于 250mm，示值分辨不低于1με。数据巡测采集 速度不得低于5 通道/s。建议设计图形化显示 窗口，方便现场监理人员即时观测。 

4.3 公路桥梁支座更换应符合《公路桥梁 加固施工技术规范》等相关技术规范的有关规 定，不得损伤原结构。在桥梁支座更换前，应 对桥梁主要构件进行验算。新更换支座应符合 设计要求，并应满足板式橡胶支座安装条件。 

4.4 更换支座时，横桥向多个排列构件的 顶升位移须严格同步。尽量避免相邻墩台处顶 升可能产生的位移差对桥体结构的不利影响， 优化顶升高度和局部顶升高度允许偏差值。

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