一种拱桥顶升的施工方法技术领域
本发明涉及一种桥梁的维修与加固技术，尤其涉及拱桥顶升的施工方法。
背景技术
在河道、公路、铁路改造时，桥梁常常因净空不足而需要对其整体进行顶升，拱桥因受力较为复杂，其顶升更是桥梁顶升中的难点问题。桥梁顶升施工必须保证原桥结构的整体性、安全性、可靠性，必须避免顶升过程中极易发生的水平偏位、扭曲、振动、冲击等状况的发生，确保新结构安全可靠不低于原结构，因此顶升位移的同步性和受力均衡是施工控制的关键。拱桥顶升施工的关键在于抵消拱桥顶升过程中的水平推力，实际应用中常常采取以三种施工方案：（1）在拱墩内侧开内大外小锚槽，将预应力筋通过锚具和混凝土锚固在锚槽内，张拉预应力筋，然后将拱墩与基础切开；（2）在拱墩后切缝，然后在拱墩中钻水平孔，贯通拱墩，张拉预应力筋，预应力筋锚固在拱墩后部；（3）在拱墩后切垂直缝，安装滑动装置，顶升时依靠滑动装置减小阻力，同时提供水平推力。
上述三种方案都存在一些缺点。方案1锚固强度不足，张拉预应力风险高，中部需要附加锚固。方案2拱墩后需切割出足够张拉空间，切割面积大，费用高。而且方案1和方案2中，预应力钢筋标高在桥下现有路面以下，需局部破坏路面。方案3对拱墩后竖缝切割精度要求很高，存在误差时可能卡死，风险较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、安全性高的拱桥顶升施工方法。
本发明的技术方案具体内容为：一种拱桥顶升的施工方法，包括以下步骤：
（1）浇筑顶升底座和限位柱：将拱桥基础部位开挖至混凝土基础顶面，然后浇筑混凝土对原拱墩进行纵向扩展处理，扩展后的新拱墩长度大于第一拱肋外侧到第二拱肋内侧的距离，扩展部位与原基础、原拱墩之间应凿毛，凹凸深度不小于6mm，扩展处理后的新拱墩作为顶升底座，顶升底座是拱桥顶升的反力基础；限位柱与顶升底座整体浇筑，限位柱为垂直于顶升底座上表面的长方体状的混凝土柱，限位柱柱面垂直偏差不大于千分之一柱高，限位柱的长、宽具体尺寸要依据对顶升桥梁的受力分析计算来确定。限位柱可抵消拱桥顶升过程中的水平推力，同时还可防止拱桥顶升过程中发生横向、纵向偏移。
（2）浇筑托盘梁：在拱墩上方浇筑托盘梁，托盘梁为长方体状的混凝土平台，其外端端点在第一拱肋外侧，其内端端点在同一水平面的主拱的内侧，其宽度大于拱肋的宽度；拱桥顶升总高度、托盘梁高度和托盘梁与顶升底座之间的间隙高度三者之和等于限位柱的高度；托盘梁与顶升底座之间的间隙高度等于吊顶钢板厚度、千斤顶高度、工具式垫块厚度和预留的操作空间高度四者之和；托盘梁内部设有限位孔，限位孔的数量、尺寸、位置分布与限位柱的数量、尺寸、位置分布相匹配。托盘梁与顶升底座之间的间隙是用来安放千斤顶的，因此其高度主要取决于所采用的千斤顶的高度，若所使用的千斤顶高度为40cm,则所述的预留的操作空间高度一般为2-5cm。
（3）整体顶升：
a.清理伸缩缝后，在顶升底座上布置、安装若干个千斤顶和支撑钢管，在桥台支座处布置、安装若干个千斤顶，所需千斤顶和支撑钢管的数目主要依据顶升桥梁的重量来确定。
b. 待所有准备工作完成后，对千斤顶进行冲压60%，使其初步受力，然后利用绳锯对锚固点和桥拱与拱墩之间的连接进行切割分离，使其全部脱开，切割标高在顶升平台与顶升底座之间部位。
c.检验顶升系统的可靠性，包括检验元件的可靠性、系统的可靠性、液压油的清洁度、力闭环的稳定性、位置闭环的稳定性等。
d.称重：先要进行保压试验，安装完毕油缸、油管、泵站操纵台、监测仪并检查无误，按计算荷载的70％～90％加压，进行油缸的保压试验，检查整个系统的工作情况，油路情况；顶升前应测定每个顶升点处的实际荷载依据计算顶升荷载，采用逐级加载的方式进行，在一定的顶升高度内（1~10mm），通过反复调整各组的油压，可以设定一组顶升油压值，使每个顶点的顶升压力与其上部荷载基本平衡，将每点的实测值与理论计算值比较，计算其差异量，由液压工程师和结构工程师共同分析原因，最终由领导组确定该点实测值能否作为顶升时的基准值，如差异较大，将作相应调整。
e.确定交验点。
f.试顶升：为了观察和考核整个顶升施工系统的工作状态以及对称重结果的校核，在正式顶升之前，应进行试顶升，试顶升结束后，提供整体姿态、结构位移等情况，为正式顶升提供依据。
d.正式顶升。
（4）接高施工，即桥梁顶升完成后进行桥台支座接高浇筑，新拱墩接高浇筑。
（5）支座安装：混凝土接高部分施工完成，混凝土养护达到设计强度后，安装支座，进行落梁。
支座安装后，接下来就进行桥梁复核就位、恢复桥面连接、拆除顶升临时结构等操作，这些都是桥梁顶升的常规工序，这里就不赘述了。
其中步骤（1）和步骤（2）的先后次序可互换，也就是说托盘梁也可以在浇筑顶升底座和限位柱之前浇筑。
进一步地，所述限位柱内侧设有钢板，相应地，所述托盘梁限位孔的内侧也设有钢板，两块钢板的接触面上涂有润滑油，这样可以减小限位柱与托盘梁间的滑动摩擦，方便拱桥顶升的进行。拱桥顶升过程中，限位柱与托盘梁间的滑动摩擦力主要来自限位柱内侧面与托盘梁限位孔的内侧面的摩擦。不设钢板的话，托盘梁与限位柱间摩擦接触实际上就是混凝土面与混凝土面之间的摩擦接触，摩擦阻力显然要远大于钢板间的摩擦接触。
进一步地， 所述限位柱前后两侧设有钢板，相应地，所述托盘梁限位孔的前后两侧也设有钢板，这样也是为了减小限位柱与托盘梁间的滑动摩擦。
进一步地，所述托盘梁限位孔和所述限位柱摩擦接触的面上设有聚四氟乙烯滑动装置，即接触面上设有镶嵌有聚四氟乙烯板的钢板，聚四氟乙烯板凸出于钢板表面。这样，拱桥顶升过程中，托盘梁与限位柱间摩擦接触实际上就成了聚四氟乙烯板之间或者聚四氟乙烯板与钢板之间的摩擦接触。
本发明的优点在于操作简单，安全性高，传力明确；虽顶升后拱跨略有减小，但顶升就位后桥墩基础整体性好，总体安全度比原设计更高；且施工期间无需张拉预应力筋，省去了张拉作业面的切割；不用封路，不影响公路正常运行。
附图说明
图1为实施例的原拱桥结构示意图；
图2为实施例的施工方法流程图；
图3为实施例的拱桥建模受力分析图；
图4为实施例的顶升前立面图；
图5为实施例的顶升前剖面图；
图6为实施例的千斤顶位置布置平面图；
图7为实施例的千斤顶位置布置侧面图；
图8为实施例的托盘梁平面图；
图9为实施例的顶升后立面图。
图中标记说明：1—主拱，21—第一拱肋，22—第二拱肋，3—顶升底座，31—原拱墩，32—扩展部位，4—桥台，41—桥台支座，5—基础顶面，6—限位柱，61—限位柱前后侧面钢板，62—限位柱内侧面钢板，7—托盘梁，71—限位孔前后侧面钢板，72—限位孔内侧面钢板，73—限位孔，8—千斤顶，9—支撑钢管，10—拱墩接高部分，11—桥台接高部分。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图，对本发明进行进一步说明。
待顶升的拱桥为某高速公路的上跨人行天桥，其结构为上承式拱桥。桥梁全长49.59米，主跨为36.6米，桥梁宽5.5米，荷载等级为公路-Ⅱ级。上部结构采有C40钢筋砼，支架现浇，桥台两侧设浆砌片石溜槽。现由于净空不足，需对其整体进行顶升，顶升高度为1.4米。
如图1所示，在拱桥顶升之前先要进行施工方案设计和论证以及进行一些施工准备。
一、施工方案设计和论证
水平力大小：
![]()
，方案中采用新浇限位柱，承担水平力。
1、 纵筋计算
![]()
，每根限位柱M=2119kN·m
按构造在受压边配3C20
![]()
一根限位柱选用10C25，As=4909
![]()
即满足要求。
2、箍筋计算
底部受剪力为F=883kN，
![]()
满足要求。
选择C10300双肢箍，
![]()
符合最小配箍要求。
![]()
满足要求。
二、托盘梁验算
抗压计算，托盘梁水平方向受力![]()
![]()
故抗压满足要求。
只需按构造配筋即可。
二、施工准备
包括围栏设置、场地布置等常规的施工准备工作，这些就不详述了。土方开挖要求将拱桥基础部位开挖至混凝土基础顶面5。
三、浇筑顶升底座3、限位柱6和托盘梁7
1. 浇筑顶升底座3和限位柱6：浇筑混凝土对原拱墩31向桥梁内侧进行纵向扩展处理，扩展后的新拱墩长度大于第一拱肋21外侧到第二拱肋22内侧的距离，扩展部位32与原基础、原拱墩31之间应凿毛，凹凸深度不小于6mm，扩展处理后的新拱墩作为顶升底座3，顶升底座3是拱桥顶升的反力基础，在拱桥顶升就位后与上部托盘梁7连接成整体；两根限位柱6与顶升底座3整体浇筑，限位柱6为垂直于顶升底座3上表面的长方体状的混凝土柱，其内侧表面设有10mm厚的不锈钢钢板62，其前后两侧的设有钢板61，限位柱6的长、宽、高分别为1500mm、800mm、2600mm，限位柱6柱面垂直偏差不大于千分之一柱高。
2. 浇筑托盘梁7：在拱墩上方浇筑托盘梁7，浇筑托盘梁7时，要先在第一拱肋21、第二拱肋22和主拱1内打洞配纵筋再浇筑混凝土。托盘梁7为长方体状的混凝土平台，长、宽、高分别为5680mm、3500mm、600mm，其外端端点在第一拱肋21外侧，其内端端点在同一水平面的主拱1的内侧，其宽度大于拱肋的宽度。托盘梁7与顶升底座3之间的间隙用来安放千斤顶8，其高度约600mm，本实施例中吊顶钢板厚度为4cm、千斤顶8高度为40cm、工具式垫块厚度为10cm、预留的操作空间高度为2-5cm。托盘梁7内部设有两个限位孔73，限位柱6穿过限位孔73，限位孔73的数量、尺寸、位置分布与限位柱6的数量、尺寸、位置分布相匹配，限位孔73的内侧设有10mm厚的钢板72，限位孔的前后两侧表面设有钢板71，钢板72上凸出镶嵌有聚四氟乙烯板。
四、整体顶升
1. 清理伸缩缝
顶升前仔细检查顶升段两端伸缩缝内是否有妨碍顶升的杂物，尤其是混凝土，以免顶升时对梁体造成破坏。
如果伸缩缝里有混凝土，用空压机凿开伸缩缝抽出橡胶条，检查箱梁挡块与箱体接触情况，必要时也一并凿除，确认桥梁分离成为独立结构。
2.千斤顶8及支撑钢管9安装
（1）千斤顶布置及监控装置
1）千斤顶布置
a、锚固点处千斤顶8布置：经计算，顶升桥梁重量约为500吨，没侧共布置6排顶升点。现在每侧锚固点处布置2台200吨液压千斤顶、4台100t千斤顶，总共可提供1600吨的顶力，其安全储备系数为3.2，能够满足顶力需求；
b、桥台支座41处千斤顶布置：经初步计算，两侧桥台支座41位置处的支反力约为10吨，现在每侧桥台支座41上布置2台100吨液压千斤顶，能够满足顶力需求；
全桥共布置200吨液压千斤顶4台，100吨液压千斤顶8台，总共可提供1600吨顶力。
2）千斤顶安装
千斤顶倒置，底部连接在混凝土牛腿上，安装千斤顶前，检查将安装千斤顶的范围内的底面平整。安装时应保证千斤顶的轴线垂直，以免因千斤顶安装倾斜在顶升过程中产生水平分力。千斤顶吊顶钢板与梁底用楔形钢板垫实，梁底用高标号砂浆找平。
3）千斤顶分组
每侧锚固点为一个监控点，全桥共设共4个监控点；每个监控点均设一台监测位移传感器。
4）顶升行程监测：采用精度为0.01mm的位移传感器进行监测。
3. 安装钢支撑
钢支撑基础运用原墩台或者扩展后的墩台，与原墩身间留15cm空隙。安装钢支撑时要严格控制其垂直度不超过2%，防止在顶升时出现失稳的情况。
顶升专用临时钢垫块分别用在千斤顶下和临时支撑下。临时钢垫块与顶升托架体系的钢管相对应，也采用Φ500×12mm钢管，两端焊接厚为12mm的法兰。钢垫块共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种类型，为适应千斤顶的顶升行程，钢垫块的高度分别为100mm、200mm。每个临时支撑顶部均配置一对楔块和薄厚不一的钢板，以满足不同顶升高度的要求。为避免顶升过程中支撑失稳，钢垫块间通过法兰连接，当垫块高度到达1.0米时，增加一节钢管支撑用以替换临时垫块，以增强支撑稳定性。支撑结构之间连结牢固，即临时垫块之间栓接、钢管支撑与顶升底座3栓接、钢管支撑间及临时垫块间均用螺栓进行连接。通过以上措施保证支撑结构有良好的整体性，防止因桥梁梁体顶升可能发生的滑移造成支撑体系的失稳破坏。
钢支撑采用精加工的工具式钢管支撑等组成顶升托架体系，托架体系通过植筋的方法与顶升底座3连接，并通过剪刀撑等联成一个整体，具有较好的整体性与稳定性；使每侧的支撑体系顶升过程中连结成一个整体，增加同步顶升的整体刚度。
4. 锚固点与桥拱、立墙切割
待所有准备工作完成后，对千斤顶进行冲压60%，使其初步受力，然后利用绳锯对锚固点和桥拱与拱墩之间的连接进行切割分离，使其全部脱开。切割标高在顶升平台与顶升底座3之间部位。
5. 顶升准备
（1）顶升系统可靠性检验
元件的可靠性检验：元件的质量是系统质量的基础，为确保元件可靠，本系统选用的元件均为Enerpac的优质产品或国际品牌产品。在正式实施顶升前，将以70％-90%的顶升力在现场保压5小时，再次确认密封的可靠性。
系统的可靠性：液压系统在运抵现场前进行31.5MPa满荷载试验24小时，进行0－31.5MPa循环试验，使系统无故障无泄漏。
液压油的清洁度：液压油的清洁度是系统可靠的保证，本系统的设计和装配工艺，除严格按照污染控制的设计准则和工艺要求进行外，连接软管在进行严格冲洗，封口后移至现场，现场安装完毕进行空载运行，以排除现场装配过程中，可能意外混入的污垢。系统的清洁度应达到NAS9级。
力闭环的稳定性：所谓力闭环就是当系统设定好一定的力后，力的误差在5%内，当力超过此范围后，系统自动调整到设定值的范围；力闭环是本系统的基础，力闭环的调试利用死点加压，逐台进行。
位置闭环的稳定性：所谓位置闭环就是当系统给光栅尺设定顶升高度后，当顶升高度超过此高度系统自动降至此高度，当顶升高度低于此高度系统自动升至此高度，保证系统顶升的安全性与同步性。
（2）顶升控制区域划分及液压系统布置
控制区域划分为6个区域。控制点的划分原则为顶升过程安全可靠，特别着重同步性和桥体的姿态控制。
控制区域设置位移传感器控制位移的同步性，根据桥梁的结构，位移同步精度控制在2mm。位移传感器与中央控制器相连形成位移的闭环控制从而实现顶升过程中位移的精确控制。
（3）泵站安装
顶升泵站2台，尽量使千斤顶油管长度经济合理。
（4）顶升系统结构部分检查
a、千斤顶安装是否垂直牢固；
b、顶升支架安装是否牢固；
c、限位结构安装是否牢固，限位值设值大小是否符合要求；
d、影响顶升的设施是否已全部拆除；
e、主体结构与其它结构的连接是否已全部去除。
（5）顶升系统调试
调试的主要内容包括：
a、液压系统检查；
b、控制系统检查；
c、初值的设定与读取。
6. 称重
（1）保压试验
a、油缸、油管、泵站操纵台、监测仪等安装完毕检查无误；
b、按计算荷载的70％～90％加压，进行油缸的保压试验5小时；
c、检查整个系统的工作情况，油路情况；
（2）称重
a、为保证顶升过程的同步进行，在顶升前应测定每个顶升点处的实际荷载
b、称重时依据计算顶升荷载，采用逐级加载的方式进行，在一定的顶升高度内（1~10mm），通过反复调整各组的油压，可以设定一组顶升油压值，使每个顶点的顶升压力与其上部荷载基本平衡。
c、为观察顶升处是否脱离，需用百分表测定其行程。
d、将每点的实测值与理论计算值比较，计算其差异量，由液压工程师和结构工程师共同分析原因，最终由领导组确定该点实测值能否作为顶升时的基准值。如差异较大，将作相应调整。
7. 交验点的确定
在每个锚固点的桥面上取3个监测点，两点在桥面两侧，一点在中线上，分别用于监测顶升过程中桥梁的标高及中线位置变化，并作为顶升结束后的交验点。顶升前应测得标高点初始值，以便顶升完成后进行复核。
8.试顶升
为了观察和考核整个顶升施工系统的工作状态以及对称重结果的校核，在正式顶升之前，应进行试顶升，试顶升高度10mm。
试顶升结束后，提供整体姿态、结构位移等情况，为正式顶升提供依据
9.正式顶升
试顶升后，观察若无问题，便进行正式顶升，千斤顶最大行程为140mm，每一顶升标准行程为100mm，最大顶升速度10mm/min。
五、接高施工
桥梁顶升完成后进行桥台支座41接高浇筑，新拱墩接高浇筑。接高按如下方案进行：
在实施加高前应首先对上截断面凿除 30cm左右高度的砼,并将立柱新老砼结合部分进行表面凿毛处理,以利于新老砼的连接。砼凿除后须用水清洗,不得留有灰尘和杂物。
钢筋施工：根据原设计图纸,加高接长部分采用与原结构同规格等数量的主筋和箍筋焊接。拱肋中的钢筋直接锚固在新浇平台中。
模板施工：钢模板按设计制作，上部做成“喇叭口”形状，以方便混凝土的浇筑。
混凝土浇筑：1.在底墩浇筑时一起预制混凝土块，混凝土块尺寸200*200*200的48个，200*200*240的4个，此时用于撤掉千斤顶和钢管时做临时支撑，混凝土块叠高做四个临时支撑柱，撤去千斤顶和钢管后直接浇入接高混凝土内。
2.接高混凝土采用缓凝、微膨胀混凝土,在砼浇筑过程中应缓慢放料,并分层浇捣密实。通过总的砼用量,推算出浇筑砼的高度,每隔30cm左右为一层,确保所浇捣的每层砼的密实性。
六、支座安装
混凝土接高部分施工完成，混凝土养护达到设计强度后，即可安装支座，进行落梁。
支座安装后，接下来就进行桥梁复核就位、恢复桥面连接、拆除顶升临时结构等操作，这些都是桥梁顶升的常规工序，这里就不赘述了。