桥梁同步顶升技术应用与探讨

桥梁同步顶升技术应用与探讨

黄宁

（现代投资股份有限公司潭耒分公司，湖南长沙410007）

【摘要】：结合潭耒高速公路提质改造桥梁同步顶升实例,介绍了PLC液压同步顶升技术在桥梁顶升工程中的具体应用及顶升过程中的一些关键问题,说明桥梁同步顶升技术可以应用于既有线路改造。此项技术不单能解决桥梁净空不足的问题，还能消除路面加铺与桥面铺装结构厚度差，从而实现改造加铺后路面与桥面纵断面平顺衔接。在高速公路改造中采用桥梁同步顶升技术可大大节约投资，避免资源浪费，延长桥梁使用寿命，有效缩短施工周期，降低对环境的污染。对同类工程中应用此项技术时有较高的参考价值。

【关键词】：同步顶升桥梁顶升顶升原理PLC系统控制重点

一、前言

随着公路运输的高速发展,原来建设的高速公路由于一些原因,已不能满足现在的行车要求,这样就需要对一些高速公路进行改造。其中跨越高速公路的桥梁改造和高速公路线路上的桥梁改造无疑是改造中的一大难点,因路面加铺后由于净空的不足,许多的桥梁都有被超高车辆刮擦的危险,危及桥梁的安全,采用桥梁同步顶升技术则是解决这一难题的较好方法。同时桥梁同步顶升技术也能消除改造中路面加铺与桥面铺装结构厚度差，从而实现路面与桥面纵断面平顺衔接。

二、工程概况

湖南省湘潭至耒阳高速公路是国家高速公路网首都放射线中的第四条—京港澳国家高速公路湖南境内的一段，起于长潭高速公路终点马家河互通式立交，止于京港澳高速公路耒阳至宜章段起点，主线全长168.848公里，设计路基宽度28米，设计时速为120km/h，桥涵设计荷载：汽车-超20，挂车-120。1997年7月开建，2000年12月建成通车。

潭耒高速通车以来，由于重载车辆过多，超载现象严重，全线路面损伤严重，包括桥梁、涵洞等都出现了病害状况，已不能满足畅通、安全的通行需要。为更好地发挥京港澳高速公路南北运输主通道优势，2011年11月，湖南省发改委同意潭耒高速在原有道路基础上进行改造。湖南省交通规划勘察设计院完成京港澳国家高速公路（G4）湘潭至耒阳段提质改造工程一阶段施工图勘察设计。采用PLC液压同步顶升系统顶升桥梁63座（主线桥梁61座，互通桥1座，跨线天桥2座）。

三、PLC控制系统及其工作原理

1、同步系统组成

PLC液压同步控制系统由液压系统（油泵、油缸等）、检测传感器、计算机控制系统等几个部分组成。

液压系统由计算机控制，可以全自动完成同步位移，实现力和位移控制、操作闭锁、过程显示、故障报警等多种功能。

2、系统特点

该系统具有以下优点和特点：

具有友好Windows用户界面的计算机控制系统；

整体安全可靠，功能齐全。

软件功能：位移误差的控制；行程控制；负载压力控制；紧急停止功能；误操作自动保护等。

硬件功能：油缸液控单向阀可防止任何形式的系统及管路失压，从而保证负载有效支撑；

所有油缸既可同时操作，也可单独操作；

同步控制点数量可根据需要设置，适用于大体积建筑物或构件的同步位移。

3、主要技术指标

（1）、一般要求

液压系统工作压力：31.5MPa

尖峰压力：35.0MPa

工作介质：ISOVG46#抗磨液压油

介质清洁度：NAS9级

供电电源电压：380VAG；50HZ；三相四线制

功率：65KW（MAX）

运转率：24小时连续工作制

（2）、顶升装置

顶升缸推力：200T

顶升缸行程：140mm

偏载能力：5°

顶升缸最小高度：395mm

分布：共36个顶升缸，分4组

最大顶升速度：10mm/min

组内顶升缸控制形式：压力闭环控制

压力控制精度≤5%

组与组间控制形式：位置闭环控制

同步精度±5.0mm

（3）、操纵与检测

常用操纵：按钮方式

人机界面：电脑屏幕显示

位移检测：光栅尺

分辨率：0.02mm

压力检测：压力传感器

精度0.5%

压力位移参数自动记录。

4、顶升液压系统工作原理

图4-2是顶升系统的组成示意图。顶升施工的第一步是桥梁的称重，通过调节溢流阀的油压，从低到高缓慢地调节系统的油压，使桥梁抬升。当桥梁与盖梁刚发生分离时，液压缸的推力，就是桥梁在这一点的重量值。称出桥梁的各顶升点的荷重，并把溢流阀的手轮固定，便可转入闭环顶升，依靠位置闭环，桥梁可以高精度地按控制指令被升降或悬停在任何位置。

5、顶升系统控制原理

如图4-2所示，本顶升系统以位移作为主要控制参数。在每个千斤顶旁安装位移传感器作精密位置测量，选定一个千斤顶作为基准，其他千斤顶活塞的位移与基准顶进行比较，确保每个千斤顶活塞的位移与基准顶之间的位移差不超过设定值，一旦测量位置与指令位置存在偏差，便会产生误差信号，该信号使该千斤顶的位移增加或减小，于是各油缸的位置发生变化，直至位置误差消除为止。位移差设定值最小可达0.3mm，根据现场施工情况，可以设定为0.5mm～2mm，以适应桥梁上部动荷载造成的梁体振动而引起的测量误差。由于位置闭环控制可以确保各千斤顶间位移差在设定值范围之内，因此可保持千斤顶同步顶升。只要改变设定位移步长，便可方便地改变顶升或回落的速度。

6、电控系统

核心控制装置为西门子可编程控制器系列S7-200/300，电脑屏幕可以显示各个顶升油缸的受力参数，并可连接打印机，记录顶升过程数据。系统安装了UPS电源，即使意外断电，也可确保数据和工程的安全；同时可编程控制器本身也可以在断电的情况下保留数据7天。

四、桥梁同步顶升施工方式简介

PLC液压同步顶升系统采用直接顶升式、牛腿式、、分配梁式和抱箍式四种方式进行桥梁顶升工程控制。

1、直接顶升式

在梁底与盖梁（桥台）顶的空间内安装千斤顶直接顶升梁板的顶升方式。此方式操作简单，设备材料投入少，效率高工期短。但因对梁底与盖梁（桥台）顶的空间要求大，必须要有足够空间安装千斤顶，如空间不够需破除部分盖梁（桥台）对桥梁产生了破坏，一般较少采用。具体布置图见图3-1-1：直接顶升式

2、牛腿式

在盖梁、台帽或台身立面上植入化学锚栓，安装钢牛腿、千斤顶直接顶升梁板的顶升方式。此方式适应性强、效率高、安全性强，几乎所有桥梁顶升都能采用此方式，但设备材料投入较大，前期准备时间长。潭耒高速提质改造桥梁顶升采用较多。具体布置图见图3-2-1牛腿式

3、分配梁式

此方法一般是利用承台或桥下地面做反力基础，搭设钢支撑，安装千斤顶，构建钢支撑、千斤顶、分配梁顶升体系实施顶升。此方式顶升同步性好、效率高、安全性强，但对地基要求较高，搭设钢支撑也受桥下净高的局限适应性差，前期准备时间长，一般较少采用。具体布置图见图3-3-1：

4、抱箍式

抱箍式顶升是将反力钢架挂在桥墩顶部，并在抱箍筒体上植入化学锚栓，千斤顶安装在抱箍的反力平台上。此方式前期准备时间长，设备材料投入较大，是在桥墩上常采用的顶升方法。其示意图如图3-4-1所示。

五、桥梁顶升实例介绍

湘潭至耒阳高速公路K1559+700伞铺互通跨线桥由湖南公路桥梁建设总公司施工，竣工时间为2001年，桥梁使用已有11年。桥梁为两跨简支梁桥，桥宽14m，跨径66.1m，桥梁中心线与被交道路中心线交角10度。根据K1559+700伞铺互通跨线桥竣工图，两侧桥台有4根灌注桩，工字形承台梯形墩柱，中间墩为桩柱式基础，中间系梁连接。上部结构为30m跨径T梁，单跨布置7片，单片宽度2.10m，两端设置横隔板。

桥梁上部结构为2*30mT型组合梁，端横隔板处布置千斤顶会对桥梁上部整体结构造成损坏，因此只能布置在T梁的马蹄处。由于盖梁与梁体之间净空较小，不能采用直接盖梁顶升办法，因此需采用植牛腿做反力基础。

采用液压碟踞切割机将梁的连续缝和伸缩缝解除，PLC液压同步顶升系统实施桥梁顶升，减小既有桥梁内部产生次应力，防止产生结构性裂缝，有利于桥梁结构安全。

采用千斤顶顶升最大行程14cm，该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。采用精度为0.01mm的拉线式传感器。确保整体顶升同步控制在2mm范围以内。

按图纸初步计算上部结构总重约896t，考虑静载安全系数1.2，取1080t计算；全桥共两跨，每跨7片T梁，每片T梁重为1080/14=77t，每片T梁两端各设置1台200T千斤顶，千斤顶顶力为77/2=38.5T。在桥墩台上植入钢牛腿，每个桥墩台在T梁马蹄下安装，共28个，桥梁两跨同时施工，共用钢牛腿28个。见图5-3

由于该顶升工程顶升高度为20cm较小，不会超出盖梁两侧抗震挡块的高度范围，所以利用抗震挡块做横桥向限位装置：顶升前在两侧梁板与抗震挡块间的空隙内塞入一定厚度的钢板，留有3mm的空隙。

考虑到工期的问题，顶升施工前对背墙进行加高，抗震挡块的加高安排在顶升以后.

施工前按照顶升高度预制一批C40混凝土垫石，顶升到位后，顶升结构的荷载全部转换至千斤顶上，将原垫石及橡胶支座取出，将垫石下水泥砂浆凿除干净，打磨平整，铺设一定厚度（2cm）的水泥砂浆，安装新预制混凝土垫石、新支座，将荷载转换至支座上。拆除顶升设备，浇筑桥墩台混凝土保证垫石安全可靠。

施工工艺流程如下：施工准备→试顶升→正式顶升→安装临时支撑→更换支座→拆除临时支撑→落梁→拆除顶升设备.具体施工工艺流程见图5-6所示。

顶升注意事项

a、每次顶升的高度应稍高于垫块厚度，能满足垫块安装的要求即可，不宜超出垫块厚度较多，以避免负载下降的风险;

b、顶升关系到主体结构的安全，各方要密切配合；

c、顶升过程中，应加强巡视工作，应指定专人观察整个系统的工作情况。若有异常，直接通知指挥控制中心；

d、结构顶升空间内不得有障碍物；

e、顶升过程中，未经许可非作业人员不得擅自进入施工现场。

顶升高度的确定与桥面高程控制监测点的布置

同步顶升系统给每个千斤顶均装备了位移计进行顶升点位移实时检测，但为了控制桥梁整体提升高度，从整体上测量桥梁顶升姿态，还应在桥面上设置若干观测点进行校核。

顶升前在桥面上布置若干标高和中线观测点，精确测量各点的标高值及桥梁偏移情况，并做好记录，在取得设计认可的基础上，确定各点的精确顶升高度。

以桥梁原旧混凝土路面的绝对标高与设计标高的高差作为顶升高度H（图5-7-1）。在原桥面设置顶升测量控制点，在距桥两端各1m位置处各布设一个断面，桥面高程校核监测点布置见图5-7-2。

六、桥梁同步顶升应用效益分析与展望

桥梁同步顶升改造技术是立足于原桥梁有可利用价值的情况下，有针对性的研究一套设备与工艺技术方案，通过设计与施工作业过程，使原桥价值得以体现，将会在各种道路改造中逐渐起到举足轻重的作用，并且为改造工程节约大量的资金，大大缩短工程工期，降低环境污染，符合政府提倡的科学发展观和建设环保节约型社会的国家战略发展方向。我国现在正处于高速发展中，铁路、道路、航道、城市建设正处于高峰时期。过去修建桥梁很多已经不能满足现在的建设改造要求。大量的拆除重建，给国家造成经济损失，资金的流失、环境的污染等。就目前的顶升技术而言，对我国的现有桥梁都可进行顶升，无论桥梁的大小，结构的复杂程度如何。顶升这一高新技术将会得到更充足的发挥空间，为国家带来更多的经济利益和社会效益。

参考文献：

[1]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；

[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；

[3]《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；

[4]《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/TJ23-2008）；

[5]京港澳国家高速公路（G4）湘潭至耒阳段提质改造工程一阶段施工图勘察设计；

[6]上海天演建筑物移位工程有限公司城市高架桥梁整体同步顶升技术及安全保障技术研究与应用研究报告2010年8月

[7]湖南华鼎建筑科技有限公司潭耒高速公路提质改造工程桥梁同步顶升系统的研发与应用2012年8月

[8]赵殿峰桥梁顶升技术在建设中的应用