在省道S226昭关—塔岗段改建工程中, 位于安徽省含山县的鲁河中桥需要整体抬升并拓宽改造。针对该工程中的桥墩托换问题, 研究团队发展了一种新型可拆卸式带缝预应力托换节点, 该托换方法具有施工方便、工期短、构件可重复利用、对桥墩无损伤、容易拆卸等多种优势。该新型托换方法获得国家发明专利授权 (专利号:ZL2015 1 0187041.0) , 并在鲁河中桥顶升项目中成功应用。

鲁河中桥跨径为3×16m, 角度为10°, 上部结构采用预制空心板, 下部结构采用柱式墩、U台, 扩大基础, 桥面全宽17m, 横桥向断面布置为0.5m (护栏) +16.0m (行车道) +0.5m (护栏) 。现场调查, 上部梁板及下部桥台状况良好, 外侧护栏为钢筋混凝土墙式护栏, 伸缩缝为毛肋式伸缩缝, 附属设施锥坡完好, 泄水孔堵塞。

根据省道S226纵断面改建方案, 旧桥桥面需抬高, 路线中心线与旧桥中心线重合。改建方案为旧桥上部结构顶升利用, 下部桥墩盖梁及桥台台帽加高利用。需将该桥整体顶升1 300mm。如图1所示。

该桥托换特点有:采用桥面整体顶升、墩顶接高的方式, 无须切断桥墩;原结构墩下有桩, 能够承担改造后的上部荷载, 无须地基基础加固;承台尺寸小, 抬升桥面须施工反力平台, 利用原桥墩和桩是最经济的方法。

顶升反力基础有以下3种备选方案: (1) 将原承台加大, 作为顶升反力基础。该方案须在河中做围堰、开挖基坑、降水、凿毛、植筋、加宽承台, 工期较长、成本高。 (2) 采用柱墩托换技术做反力基础, 截面凿毛、植筋;该方法对桥墩损伤较大, 后期拆除托换结构施工难度高, 成本高。 (3) 应用可拆卸无损预应力抱柱梁作为反力基础;该方法对桥墩无损伤, 无须开挖基坑, 装拆方便, 同时可重复利用, 节约成本。

综合考虑桥梁自身特点及现场实际情况, 中桥墩采用第3种施工方法, 边支墩采用第1种方法。顶升过程中, 在反力基础承台与被抬升桥面板之间设置支撑托架体系。

在桥墩和抱柱梁交界面上包裹1层界面材料, 既能在桥墩表面不受损伤的情况下增大界面摩擦系数, 又便于顶升完成后抱柱梁拆卸。在2根抱柱梁之间设置预留缝槽, 通过垂直于缝方向的预应力钢筋将2根梁进行连接, 预留缝槽使得预应力钢筋在界面上提供更强的握裹力, 增大界面压力。预应力钢筋张拉完毕后, 将预留缝槽灌浆养护, 使抱柱梁形成整体, 并设置分配梁解决梁受力弯曲的问题。

托换节点如图2所示 (有关拆卸式抱柱梁节点细部计算在此忽略) 。

施工步骤为:施工平台搭设→底模安装→安装毛毡布→钢筋绑扎→安装波纹管、端部钢板、中间墩预应力钢筋及高强螺杆穿设→合模→混凝土浇筑→养护→预应力筋张拉→安装上、下分配梁→安装托架系统及液压系统→整体顶升→台帽及盖梁接高→抱柱梁拆除。

支架平台搭设完成后, 即进行拆卸式抱柱梁的施工。抱柱梁顶面标高位置距梁底以下为160cm (根据支撑系统及液压系统所需空间布置) , 施工时须注意2根抱柱梁顺桥向之间留缝。

为了保证施工安全, 通过1∶1构件试验结论得出, 为增加摩擦力, 并保护原桥墩结构不受损伤, 采用摩擦系数为0.4的毛毡作为介质, 其效果较好。毛毡布包裹在抱柱梁与墩柱之间, 其高度为1 300mm, 竖向每隔200mm利用细铁线进行缠绕固定, 端部搭接长度为200mm, 以保证毛毡不脱落、错位、褶皱。

钢筋施工:按照设计图纸绑扎托换结构钢筋, 钢筋的绑扎要求符合设计及规范要求。由于3个墩柱之间的空间有限而抱柱梁的尺寸较大, 需张拉的精轧螺纹钢较长, 若在抱柱梁施工全部完成后, 中间墩柱抱柱梁的预应力钢筋便难以穿设, 因此, 须先施工中间墩柱抱柱梁, 预应力钢筋使用的精轧螺纹钢也提前穿设。

模板施工:利用支架平台作为底模支撑, 加固好模板支撑及修补模板缝隙, 防止漏浆;标注好混凝土浇筑标高控制线;安装模板时注意施工安全。

混凝土浇筑:在混凝土浇筑过程中应缓慢放料, 并分层浇捣密实, 确保所浇捣的每层混凝土密实。在浇筑时, 注意整个振捣作业中不要振模振筋, 不得碰撞各预埋件。

拆模:当混凝土强度达到设计要求后, 可以进行模板的拆除工作。拆除时应先拆除侧模 (强度达到2.5MPa后) , 然后再拆除底模 (达到设计强度的50%) 。

混凝土养护:模板拆除后, 采用覆盖草帘的方式对混凝土进行养护。

抱柱梁混凝土达到设计强度的80%后, 预应力钢筋张拉。每根抱柱梁上的预应力钢筋采用32根直径为25mm的PSB1080精轧螺纹钢。预应力筋波纹管内径70mm, 每根预应力钢筋预拉力为451k N, 两端锚固区垫板采用200mm×800mm×20mm通体钢板。

为保证在所有预应力钢筋张拉前2根抱柱梁之间的连接, 在新旧混凝土界面产生初始摩擦力, 在2根梁顶部设8根M20高强螺杆, 预留管道采用直径30mm PVC管, 两端锚固垫板采用100mm×1 300mm×10mm通体钢板。如图3所示。

2根抱柱梁之间缝槽为20mm, 顺桥向设置。预应力钢筋张拉按照从内向外对称张拉的原则进行张拉。张拉完成后对缝槽进行灌浆处理, 然后对顶部8根高强螺杆进行锁定。

抱柱梁施工完成后即可安装上、下分配梁。

下部分配梁:在梁体上顶面安装H488型钢拼接成的分配梁, 作为顶升的反力基础。对抱柱梁顶面进行找平处理, 然后采用起重机两端吊装的方式直接将分配梁吊放到托换结构梁上, 并通过膨胀螺栓将分配梁与托换结构梁相连接, 防止顶升时出现滑移。

上部分配梁:采用小型起重装置配合将分配梁安装至梁底, 并在分配梁与梁底之间用砂浆填塞密实, 确保分配梁与梁底紧密接触。在梁底每间隔1m位置打入膨胀螺栓 (在钻孔前用钢筋探测仪探测原梁底钢筋位置, 避免损伤原梁底钢筋) , 将分配梁焊接在膨胀螺栓上。分配梁安装如图4所示。

托架系统由支撑钢桶、临时垫块、联系杆件等组成。桥台位置采用ф609mm×16mm (壁厚) 钢管作为支撑, 转换垫块采用ф600mm×12mm专用垫块;墩柱抱柱梁上由于受后续盖梁加高影响, 采用ф600mm×12mm钢管作为支撑以保证有足够操作空间, 钢管上、下两端焊接厚度为12mm法兰。支撑稳定高度达到4m即安装纵横向联系杆件, 使钢管支撑具有较好的整体性和稳定性。

本工程采用200t液压千斤顶, 规格为:顶身长395mm, 底座直径275mm, 顶头160mm, 行程为140mm。

根据桥梁上部的顶升质量, 布置相应数量的顶升千斤顶。根据计算, 可知桥梁上部顶升质量约为2 038.3t ( (15.98m+16m+15.98m) ×17m=815.32m², 815.32m²×2.5t/m²=2 038.3t) 。以此配置千斤顶24台, 可知, 24×200t/台=4 800t, 顶升安全储备系数为2.4倍。

千斤顶安装:千斤顶挂设在上部分配梁下, 在分配梁上按照吊顶钢板四周槽口的位置焊接螺杆, 利用螺杆将吊顶钢板固定在分配梁上。通过螺栓将千斤顶与吊顶钢板相连接, 千斤顶顶头均向下安装, 以方便后续顶升过程中垫块的循环抽取。安装时须保证千斤顶的垂直度。

托架系统、液压系统现场安装如图5所示。

经过对桥梁结构受力特点的分析, 该桥采取8个控制区域进行同步顶升控制。每个控制区域采用位移传感器进行控制, 其精度为±1mm。控制区域设置位移传感器控制位移的同步性, 根据桥梁的结构受力特点, 位移同步精度拟控制在2mm以内。控制区域划分如图6所示。

为了防止抱柱梁在顶升过程中出现滑移, 项目部制定了应急措施。当抱柱梁滑移超过设计设定的警戒值 (1mm) 时, 立即停止顶升作业, 然后将事先设计、加工好的钢抱箍安装在混凝土抱柱梁下端, 以阻止其继续滑移;检查无问题后, 进行顶升保压试验, 确认不再出现下滑后方可继续顶升。钢抱箍安装如图7所示。

可拆卸式预应力抱柱梁墩柱托换技术第1次在工程实践中应用, 在顶升过程中通过百分表观测的方法对抱柱梁进行了滑移监测, 滑移数据较为理想。滑移监测分几个阶段进行, 其沉降数据如图8所示。

桥梁顶升结束, 台帽、盖梁接高完成后, 即可对托架体系、液压系统及抱柱梁进行拆除。液压系统及托架体系系遵循由上至下拆除的原则进行拆除。抱柱梁的拆除按如下步骤进行: (1) 按照吊点位置及植筋要求将高强螺杆植入抱柱梁顶面; (2) 在盖梁上吊点的相应位置安装倒链及钢丝绳 (钢丝绳与盖梁边角位置使用钢板制作成弧形接触, 防止钢丝绳断裂) ; (3) 高强螺杆植筋达到强度要求后安装吊环并将倒链与吊环相连接; (4) 预紧倒链, 使倒链及上部钢丝绳共同受力; (5) 对预应力钢筋进行放张; (6) 使用倒链将2根梁下放到平台位置, 并利用起重机吊走。拆除吊装如图9所示。

可拆卸式预应力抱柱梁托换技术通过实验室的研发、现场1∶1实体试验, 初次应用到工程实例中, 取得较好效果。其可拆卸、对原墩柱无损伤、节约资源等施工特点较为明显。结合现有施工技术, 日后可考虑预制式施工, 使其标准化控制, 将更加有利于施工质量的保证, 同时也可大大缩短工期, 降低现场工人劳动强度。