现代桥梁技术丛书 梁式组合结构桥梁
王建平 李利宾 ++++赵奔 田斌斌
【摘要】本文介绍了一种采用支座预顶升法为钢-混组合结构桥梁墩顶负弯矩区预先施加压应力的施工方法，同时阐述了该方法的经济效益以及可推广性。
【关键词】预制板；体系转换；支座预顶升法；钢-混组合连续箱梁；负弯矩
目前，我国主导桥型仍是混凝土桥梁，钢-混组合结构桥梁应用偏少，但是随着城市桥梁的发展，钢-混组合梁在外观、施工速度及交叉跨线段占有较大优势。钢-混凝土组合箱梁是通过剪力连接件将钢梁与混凝土板连接起来协同受力的箱梁形式，该箱梁形式充分发挥了钢材和混凝土各自的优点，使两种材料组合后结构的整体工作性能明显优于二者性能的简单叠加，具有很高的经济技术优势，符合国家倡导的“绿色低碳、节能环保和可持续发展”及“工业化”的建设要求，与我国“十三五”优先启动国家重点研发任务研究方向切合，是现代桥梁的一个重要发展方向。
对于钢-混组合连续箱梁桥，每联中间墩附近受负弯矩作用，墩顶上缘混凝土受拉、跨中下缘钢结构受压。一方面，受拉区混凝土开裂将影响结构的耐久性与使用性能；另一方面，下缘受压钢结构面临局部失稳危险。无论负弯矩区采用在桥面板中配置预应力钢筋的办法，还是允许裂缝出现但限制其宽度的方法，关键是采取措施降低负弯矩、改善连续梁负弯矩区受力状况，这对于确保结构安全、降低工程造价，无疑是非常有益和必要的。先施工正弯矩区的桥面板，使之与钢梁结合后尽早以组合截面参与结构受力，再通过调整升高中间支点的竖向高度，使中跨组合梁形成一定的预拱度，随后浇筑负弯矩区桥面板混凝土，待混凝土桥面板硬化与钢梁紧密结合后，降低中间支点高度使组合梁回落到设计高度。支座预顶升时相当于给组合梁一个负弯矩，支点回落时相当于在组合梁上施加一个正弯矩，使得桥面板产生部分压应力，如此可以部分或全部抵消由荷载产生的拉应力。
中建交通建设集团有限公司承建的临汾市滨河西路与彩虹桥、景观大道立交桥项目采用支座预顶升法为钢-混组合结构桥梁墩顶负弯矩区预先施加压应力，即在负弯矩区桥面板与钢梁结合前，先顶升支点，待桥面板结合硬化完成后再回落到位，向桥面板施加压应力，改善连续梁负弯矩区受力状况，取得了良好效果，具有重要的工程实践意义。
1.工程概况
临汾市滨河西路与彩虹桥、景观大道立交桥项目位于山西省临汾市尧都区刘村镇，上部结构采用钢-混组合箱梁，下部结构为框架墩+承台+桩基的结构形式。钢箱梁部分采用单箱四室、单箱三室及单箱单室截面形式。钢箱梁体采用分段预制加工，4m一个节段，总共688个节段，现场拼装的方式安装。桥梁全长2587.5m，工程总投资5.8亿元，是国内目前整体规模最大的钢-混凝土组合箱梁桥，桥梁选用Q345qD桥梁专用钢，用钢量1.37万吨，共由4座桥组成。
主线滨河西路高架桥：桥面采用双向6车道设计，桥梁宽度24.0m，桥梁全长1498.5m，该连接段地势平稳，线形较好，桥下净空约12.0m，按照桥梁跨径与高差之间协调美观的原则，确定连接段桥梁标准跨径为35.0m，全桥均采用钢-混凝土组合梁结构。
规划九路高架桥：桥面采用双向4车道设计，桥梁宽度17.5m，桥梁全长242.0m，因规划九路地下管线密布，在满足交通组织的前提下，采用主跨42.0m的变截面箱梁，避免了与多种管线的冲突。该桥型梁底呈弧形，较为美观。为了与滨河西路高架桥协调一致，规划九路（彩虹桥）高架桥两侧梁段同样采取35.0m标准跨，全桥均采用钢-混凝土组合梁结构。
景观大道A匝道桥：桥面采用单向2车道设计，桥梁宽度9m，局部小半径加宽到10.4m，桥梁全长549.0m，景观大道A匝道桥在下穿滨河西路位置，考虑到桥下辅道行车空间的要求，布置为40.0m跨径；在景觀大道A匝道桥跨越景观大道B匝道桥位置为了保证景观大道B匝道桥的断面不被侵占，采用40.0m+60.0m+40.0m变截面箱梁。其余部位桥梁采用35.0m标准跨径。
景观大道B匝道桥：桥面采用单向2车道设计，桥梁宽度9m，局部小半径加宽到10.4m，桥梁全长298.0m，景观大道B匝道桥在下穿滨河西路位置，考虑到桥下辅道行车空间的要求，布置为40.0m跨径；其余部位桥梁采用35.0m标准跨径。
其滨河西路高架桥横断面图详见图1。
2.施工工艺流程
以滨河西路高架桥第三联为例，中间跨横跨彩虹桥，跨度分别为40m+60m+40m，采用支座预顶升法进行体系转换施工工艺流程见图2。
3.施工方法
3. 1 铺设正弯矩区桥面板
由于施工现场场地受限，为了加快桥梁的施工进度，根据混凝土预制板的最大质量为16t选用25t龙门吊进行吊装施工，根据设计图纸首先架设正弯矩区预制桥面板，安装完成后，湿接缝穿插钢筋，浇筑湿接缝混凝土，做好养护，待其强度及弹性模量达到设计量的90%后，进行下一道工序施工。具体参见下图3-6。
3.2 支座预顶升前准备工作
3.2.1技术准备
领会设计意图，编制《钢-混组合连续箱梁支座预顶升法施工方案》，做好三级技术交底。
3.2.2机具、材料准备
千斤顶选用的吨位参数根据施工工况参数计算确定，采用相同型号、规格以保证工作的一致性，留足富余量。因滨河西路高架桥第三联钢箱梁、箱内混凝土及预制板共重4275t，且在中跨顶升过程中，两边侧墩也在承担相应荷载，图3位置Ⅰ处的荷载为1000-1600t，故选用6台400t千斤顶满足顶升要求。千斤顶均配有液压锁，可防止任何形式的系统及管路失压，从而保证负载的有效支撑。
临时支撑采用钢垫板，半环形钢垫块（简称保险环），楔形钢板，千斤顶底部铺垫钢板厚度应≥30mm，顶部铺垫的钢板厚度应≥60mm。当在永久支座上垫钢板用作临时支撑时，钢垫板要保证每边大于支座尺寸50mm，千斤顶底部到钢板边缘的距离、钢板底缘到混凝土边缘的距离都不小于10cm。
3.2.3顶升操作平台准备
在设备运输之前，需要将爬梯、操作平台等进行安装固定，爬梯采用φ48×3mm扣件式钢管制作，爬梯顶靠牢墩柱顶，确保稳定性，上爬梯时手中不得持物攀爬。操作平台采用12#槽钢分节段螺栓连接，平台满铺脚手板，做好安全防护，防护高度不低于1.2m（详见图7）。
3.2.4顶升设备及材料安装、就位准备
将10t数控卷扬机固定在地面相应位置，根据吊运材料相应重量，给数控卷扬机加上配重，设备调试完毕。墩顶与钢箱梁底空间较低，不足0.5m，形成超低局限空间，给在支座旁处进行支座预顶升操作带来不便。在钢箱梁底两个支座跨中处设置两个吊点：一个吊点考虑永磁吸盘固定在钢箱梁底部的磁力稳定性，如承受重物，存在坠落危险，故仅作为承受1t以下吊点来使用，在永磁吸盘上安装一个固定滑轮，将特制带转轴吊点设备吊装就位及配合其吊装较轻材料；另一个吊点用12#槽钢、φ150×10mm钢管、φ48×3mm扣件式钢管与顶托相结合做的特制带转轴设备来承受5t以下吊运、定位千斤顶设备、楔形钢板等材料使用。特制带转轴吊点设备图见图8。
千斤顶上下钢板运输、安装是将千斤顶位置定在墩柱顶支座垫石旁，千斤顶布置时，千斤顶中心点需与钢梁下方起顶加固点纵向、横向中心点相互重合，千斤顶竖向垂直、千斤顶上平面横向水平。确保钢梁底能够承受顶升力，顶升时稳定、可靠。千斤顶位置详见图9。
清理墩顶杂物，使用水平尺检查千斤顶正下方平整度，不平整的位置使用细沙找平，找平后，根据设计及实测起顶高度，首先数控卷扬机通过钢丝绳经特制带转轴吊点设备，将千斤顶底钢板、楔形顶钢板吊运到墩柱系梁上，连接手拉葫芦，通过预定滑道，先固定千斤顶底钢板，再对千斤顶楔形顶钢板进行定位，在楔形钢板运输至预定水平位置后，运用杠杆原理，人工将楔形钢板较薄端用撬棍撬起，然后在楔形钢板下垫方木，随后再撬起另一端，继续垫方木，直到下方可以放置2t螺旋千斤顶高度为止，然后用4台2t螺旋千斤顶将楔形钢板调平顶起，将其定位到预定高度位置，确保平整度，并使其与钢箱梁底密贴，见图10。
顶升所用千斤顶的运输、安装、就位、系统调试是在楔形钢板固定安装完毕后，紧接着用10t数控卷扬机通过特制带转轴吊点设备将千斤顶吊运至墩柱顶支座垫石旁，人工结合手拉葫芦使其精确定位。将每个千斤顶通过油管与数控电动油泵进行连接，采用一个电动油泵托起一个墩所需顶升用的千斤顶，以达到同步顶升目的，进行顶升系统调试。内容包括液压系统检查和数控液压泵站控制系统检查，液压系统检查包括油缸安装牢固正确，泵站与油缸之间的油管连接正确、可靠，油箱液面达到规定高度，备用液压油足够，加油经过滤油机过滤、通过空载运行再过滤清洁，液压系统运行正常，油路无堵塞或泄漏；数控液压泵站控制系统检查包括系统安装就位并已调试完毕，各路电源其接线、容量和安全性都符合规定，控制装置接线、安装正确无误。顶升系统调试完成后卸载原有的2t螺旋千斤顶，准备顶升施工。
3.3 支座预顶升
3.3.1顶升前检查
内容包括：钢箱梁反顶处腹板临时加固；千斤顶安装垂直、牢固；影响顶升的设施已全部拆除；主体结构上去除与顶升无关的一切荷载，而且施工荷载布置对称。
3.3.2统一指挥、信号明确、协调作业
为保证顶升过程中的千斤顶行程同步，每个顶升点均配备对讲机，采用一个电动油泵托起一个墩所需顶升用的同步阀。开始顶升时，通知每一个工作点的负责人，注意观察，发现问题及时喊停。并安排有多年经验的专业人员进行操作控制。
3.3.3顶升前复核
顶升前，复核每联之间的顶紧措施，以防止顶升时，钢箱梁发生纵向（较低点）位移，并对桥梁的高程、中心轴线、整体线形及伸缩缝、横向位移等进行复核，合格后进行下一道工序施工。如观测横向位移严重者，暂停顶升操作，报设计院审核，若需要调整，采用三向可调千斤顶进行微调，确保钢箱梁位置精确。
3.3.4千斤顶顶升
同时同步顶升负弯矩区，即同时同步顶升图11所示“Ⅰ”支点，顶升施工图见图12。
3.3.4.1试顶升
每台数控电动油泵配置一拖六千斤顶，即必须同时顶起一个墩所需千斤顶数量。每个墩配备对讲机，确保需要顶升的支点同时同步顶升，每台千斤顶都有一个送油孔，一个回油孔，且每个千斤顶可以单独控制，也可以同时控制。送油时，每台千斤顶所承受的压力相同，保障钢箱梁支点同步顶升，试顶升、顶升前千斤顶上钢板必须与钢箱梁底钢板齐平并贴紧无缝隙，试顶升主要用于检验顶升系统的可靠性、同步性及桥梁整体顶升的安全性，试顶升的高度为20mm。
3.3.4.2分級分段顶升
千斤顶分级：千斤顶顶升时，分为三级，分别为10%油表读数、50%油表读数、100%油表读数。统一信号后进行顶升，当某一点达到10%油表读数时，对讲机内通知，持荷等待，待所有顶升点均达到10%油表读数时，再同时顶升至50%油表读数，100%油表读数。分级顶升的目的是为了减小所有顶升点的误差，使钢梁尽量在每个施工顶升阶段尽量受力均匀。
分段顶升：当千斤顶最大行程不能满足一次顶升至设计标高时，采取分段顶升。滨河西路第三联图纸设计支点顶升高度为440mm，千斤顶最大冲程为200mm，故采取分三段顶升施工，在同步顶升过程中，随着高度的增加，在千斤顶位置加设半环形钢垫块，用于保护顶头不能长时间持荷及防止千斤顶油路突然漏油，进行千斤顶上调高使用，以下简称保险环。分段顶升时用临时钢支撑在支座位置顶紧、千斤顶回油、荷载转换至钢临时支撑上，随后在千斤顶顶上相应位置安放钢垫板垫紧后，进行下一轮顶升，直至分段顶升达到既定高程，将钢结构临时支撑顶紧、桥梁荷载转换至钢支撑上后，最后对桥面纵、横位移，桥梁线形进行观测，合格后，对油压进行锁定，顶升完成。在竖向位移达到预定高度要求时，适当超顶1-2cm，并随之在支座上添加钢垫板至预定高度，见图13-14。
3.4 铺设负弯矩区桥面板
进行负弯矩区预制桥面板安装，铺设负弯矩区混凝土桥面板示意图见图15，湿接缝混凝土浇筑，做好保温养护，待其强度及弹性模量达到设计量的90%后，进行下一道工序施工。
3.5 支点回落
支点回落与支点顶升操作要点相同，同时同步回落负弯矩区，即同时回落图15所示“Ⅰ”支点。当千斤顶最大行程不能满足一次回落至设计标高时，采取分段落梁，负弯矩区砼强度及弹性模量达到设计量的90%后，开始落梁，滨河西路高架桥第三联落梁分三段进行，首先预先顶起千斤顶高度不超过其60%行程，用保险环塞满千斤顶与钢梁底部空隙，相应卸掉部分支座上钢垫块，逐级取下千斤顶顶部钢垫板、千斤顶保险环，缓慢回落，使钢箱梁分段落到预定高程上。落梁至距支座10cm高程时，复测永久支座厚度、平整度及垫石高程，以最终确定垫石找平层厚度，并复核支座与垫石轴线位置无误后，支模采用支座专用灌浆料，一次性灌浆完成，确保灌浆密实，高程及位置准确，待灌浆料强度达到设计要求时，继续落顶将钢箱梁完全落在永久支座上，将钢箱梁底调平楔形钢板和永久支座上钢板进行焊接，确保焊接质量，即完成体系转换。支点回落后桥梁线形示意图见图16。
3.6 顶升注意事项
3.6.1 检查进场千斤顶、油泵等设备，电动液压油泵选用一托6千斤顶阀空顶进行测试。以保证油泵在最大顶升工作状态时，泵体内部供油量可以满足使用要求，使用设备工作正常。
3.6.2 空顶测试设备时，使用红色油漆笔在油顶的60%、90%伸出量位置分别画出安全警示线。90%警戒线用于顶升时最大限位线，60%警戒线用于当钢梁需要下落时，将油顶提前伸出高度，以及每一次落顶时，钢梁可以降低的最大高度。以此提高每一次起落顶时的最大工作效率。
3.6.3 顶升施工过程中应注意：每次顶升的高度稍高于垫块厚度（能满足垫块安装的要求即可，不宜超出垫块厚度较多）；各专业应密切配合；做好记录，加强巡视，密切观察结构的变形情况；结构顶升空间内不得有障碍物。
3.6.4 顶升过程中应时刻注意桥墩顶部边缘混凝土，如有压裂现象，应暂停顶升工作。
3.6.5 顶升过程中应对桥梁线形进行监控，如出现较大变形，应暂停顶升工作，顶升结束以后应测定桥梁整体线形并与指导性施工步骤图中所提供的桥梁线形进行对比，如有较大差别，需及时调整。
3.6.6 桥梁顶升施工过程中要控制桥梁结构顶升移位的同位性和受力均衡性。因此对液压系统提出更高的同步性能要求（小于2mm），最大顶升速度控制在10 mm/min 以内，一旦监控设备输出的数据稳定性差，或历次观测数据误差加大，要立即暂停作业，分析监控数据，查明原因后方可继续作业。在顶升过程中，对桥面标高，梁体、支撑体系应力，主桥风速风向实施24小时监测，对结构顶升行程，箱梁纵横向位移在顶升阶段实施实时监测，平衡偏心荷载，防止钢梁倾覆。
3.6.7通过同步顶升纠扭来确保桥梁顶升移位施工过程中结构的整体性、安全性、可靠性。同步顶升纠扭分两个阶段完成：第1阶段顶升使桥梁顶升时保持原桥设计的姿态，即以控制中墩支座转角与桥面高程为主，顶升力监控为辅；第1阶段顶升纠扭达到预期效果后，开始安装永久支座。外侧支座主要为代替顶升力，使附加扭力恒定，平衡和抵消弯桥产生的扭矩，使中墩起到抗扭作用，以严格限制抬升移位过程中可能出现的各种水平向偏位、扭曲、振荡、冲击等情况发生。
3.7 顶升体系转换施工监控
委托具有桥梁相应施工监控资质的第三方检测单位进行钢梁变形及线形监控，发现问题及时处理，确保工程质量。钢梁变形的监测应贯穿于钢梁架设和整个后期施工过程。监测期应从吊车吊梁就位时开始，直至附属设施安装完成。
变形观测资料是控制成桥线形最主要的依据，在每跨的L/2、L/4、3L/4处各布置一个观测断面（3跨一联连续梁沿桥纵向共布设9个断面），每个断面箱梁底板上布置三个高程观测点，在钢梁顶板两侧翼缘下各布置一个测点，即每个截面共布置5个测点。这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观测箱梁是否发生扭转变形，见图17-18。
监测工况如下：
3.7.1 钢梁架设后；
3.7.2 全联箱梁焊接后；
3.7.3 墩顶箱内混凝土浇筑前后；
3.7.4 铺设正弯矩区混凝土桥面板及湿接缝前后；
3.7.5 钢梁顶升过程中；
3.7.6 拆除临时支墩后；
3.7.7 铺设负弯矩区混凝土桥面板及湿接缝前后；
3.7.8 墩支点处千斤顶回落后；
3.7.9 桥面附属设施施工后。
桥梁施工控制是“预告→施工→量测→识别→修正→预告”的循环过程。在结构施工过程中，往往容易出现阶段状态偏离阶段理想目标的情况，应及时纠偏，制定合理处理方案，避免误差的累积，将导致结构桥梁内力与线形偏离最终设计目标，甚至危及桥梁的安全。
3.结论
支座预顶升法在钢-混组合连续梁中得到成功应用，无需使用预应力钢束，无需张拉、压浆，节能环保，提高施工安全性，降低工程造价；通过对体系转换设备等材料进行超低空间运输、定位、安装使用，技术成熟，效率高，缩短施工周期；综合运用小型机具卷扬机、永磁吸盘等解决了在永久支座附近超低局限空间施工操作不便限制，加快施工进度，简约适用，且周转使用性强，工业化程度高。
参考文献
[1] GB 50017-2003.钢结构设计规范.
[2] GB 50917-2013.钢-混凝土组合桥梁设计规范.
[3] GB50661-2011.钢结构焊接规范.
[4] JTG B01-2014.公路工程技術标准.
[5] JTG D64-2015.公路钢结构桥梁设计规范.
[6] JTG/TD64-01-2015.公路钢混组合桥梁设计与施工规范.
[7] CJJ 11-2011.城市桥梁设计规范.
[8] GB50205-2001.钢结构工程施工质量验收规范.
[9] JTG/TF50-2011.公路桥涵施工技术规范.
[10] CJJ2-2008.城市桥梁工程施工与质量验收规范.
[11] JGJ276-2012.建筑施工起重吊装工程安全技术规范.
[12] 聂建国.钢-混凝土组合梁结构试验、理论与应用.北京：科学出版社，2005.
[13] 聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁.北京：人民交通出版社，2011.
[14] 张彦玲.钢—混凝土组合梁负弯矩区受力性能及开裂控制的试验及理论研究2009.
[15] 刘文会，常大宝.组合梁混凝土板抗裂性能试验研究.吉林建筑工程学院学报 2008（03）.
[16] 陈明权.交替顶升工艺在变宽度箱梁桥顶升中的应用.桥梁建设，2016（34）：67-69.
（作者单位：中建交通建设集团有限公司）
【中图分类号】TU378.2
【文献标识码】B
【文章编号】1671-3362（2017）07-0048-06
