淺談牛腿法同步頂升更換空心板梁支座的施工技術(shù)

1、淺談牛腿法同步頂升更換空心板梁支座的施工技術(shù)曾俊志韋福堂朱世桃（柳州歐維姆工程有限公司 廣西柳州 545005）摘 要:本文結(jié)合工程實(shí)例主要介紹了采用PLC同步智能頂升系統(tǒng)，利用其“工控機(jī)+可編程控制器+液壓控制系統(tǒng)”組成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)位移控制同步，循環(huán)頂升，直至頂升高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行更換支 座施工。詳細(xì)介紹牛腿頂升法在施工中需注意的相關(guān)事頂，該方法有效解決了梁底與蓋梁之間無(wú)直接頂升空間的問(wèn)題，為以后同類(lèi)型橋梁施工提供了借鑒和經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:牛腿法 PLC 同步 更換支座DOI: 10.13211/ki.pstech.2014.04.0071 引言我國(guó)高速公路自上世紀(jì)90年代發(fā)展以來(lái)，

2、已 取得了顯著的成績(jī)，其中大部分中、小橋梁采用 先簡(jiǎn)支后連續(xù)的板梁結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)今交通荷載的 不斷增大以及使用年代久遠(yuǎn)，導(dǎo)致部分橋梁的支 座出現(xiàn)了剪切變形、開(kāi)裂等現(xiàn)象，為保證橋梁使 用壽命需更換支座。同時(shí)隨著現(xiàn)代交通要求，部 分橋梁的橋下凈空已不滿(mǎn)足通行要求，需要整體 頂升加高。由于空心板梁橋是一種預(yù)制裝配式橋 梁結(jié)構(gòu)，其鉸縫在橫向連接中具有重要作用，根 據(jù)現(xiàn)有規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，為避免梁體在更換支座 施工中因頂升不同步導(dǎo)致鉸縫破壞失效及路面連 續(xù)段破壞而影響橋梁整體穩(wěn)定性，因此，梁體頂 升以及落梁施工必須以一聯(lián)為單位，單跨或多跨 整體同步施工。根據(jù)施工條件的不同，同步頂升 更換支座施工可分為牛腿法

3、、直接法以及支架 法。本文結(jié)合京港澳耒宜高速公路大修工程第四 合同段施工，以牛腿法為例作重點(diǎn)介紹。2 工程概括耒宜高速公路是京港澳國(guó)家高速公路（G4） 湖南境內(nèi)最南端的一段，北起耒陽(yáng)以東的陳家坪 與潭耒高速公路相連，途經(jīng)耒陽(yáng)、永興、蘇仙、 北湖、宜章等縣區(qū)市，全長(zhǎng)135.377公里，共包含131座橋梁。其中板梁結(jié)構(gòu)形式橋梁為單跨和多 聯(lián)跨，跨徑以8m、13m、16m、20m和25m為主。經(jīng)過(guò)10余年的運(yùn)營(yíng)，部分支座已出現(xiàn)老化、開(kāi)裂、變形等現(xiàn)象。根據(jù)整體設(shè)計(jì)思路本次施工通過(guò)整體抬高橋梁上部結(jié)構(gòu)的高度來(lái)消除路面鋪裝 與橋面鋪裝結(jié)構(gòu)厚度差，從而實(shí)現(xiàn)路面與橋面縱斷 面平順銜接，并通過(guò)更換支座提高橋梁的

4、耐久性。3 頂升方法的確定由于本次施工橋梁頂升高度較大，梁底與蓋 梁間無(wú)法直接放置千斤頂，同時(shí)需頂升橋梁數(shù)量 多，工期也較緊，為確保在合同規(guī)定的工期內(nèi)保 質(zhì)保量地完成施工任務(wù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況項(xiàng)目 部決定采用在蓋梁上安裝鋼牛腿。即先在蓋梁兩 端安裝止滑鋼牛腿，在每個(gè)鉸縫處正下方設(shè)置一 個(gè)鋼牛腿，利用鋼牛腿作為反力基礎(chǔ)，構(gòu)建牛 腿千斤頂頂升體系實(shí)施頂升。4 牛腿的設(shè)計(jì)及安裝4.1 牛腿數(shù)量的確認(rèn)單幅橋梁斷面由十片空心板梁組成，單幅單 端同步頂升需設(shè)置11臺(tái)千斤頂，示意圖見(jiàn)圖1。圖1 牛腿安裝示意圖4.2 牛腿的設(shè)計(jì)（1）根據(jù)需頂升橋梁的荷載及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)牛 腿樣式，通過(guò)植筋方式將牛腿固定在蓋梁上，通

5、33過(guò)螺栓受力，構(gòu)造圖見(jiàn)圖2。通過(guò)Midas fea分析所得結(jié)果見(jiàn)圖4。（2）強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)（以跨度16m空心板梁 為例）a.牛腿荷載計(jì)算單個(gè)牛腿所受剪力V=125（kN） 單個(gè)牛腿所受拉力N=62.5（kN） b.鋼板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗拉、彎、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f= 205（MPa） 焊縫強(qiáng)度 fw= 160（MPa）c.螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 圖4 范梅賽斯應(yīng)力云圖選用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，螺栓抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 由分析結(jié)果可以得出，牛腿最大應(yīng)力處位于fstk= 1000MPa，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk=900MPa。中間加強(qiáng)板與豎板連接位置，最大應(yīng)力為46.7MPa蓋梁300小于205MPa，安全。翼板 加強(qiáng)板1 豎

6、板加強(qiáng)板1 翼板4.3.2 螺栓連接強(qiáng)度驗(yàn)算40115160115 39.99根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017-2003），螺栓連接僅考慮其桿軸方向受拉情況，單根螺栓錨栓 15 15 承載力設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：橫板 2N a= pd eat4f t155式中：d e螺栓在螺紋處的有效直徑；8031080f a 螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。t 加強(qiáng)板2單根螺栓承載力設(shè)計(jì)值：圖2 牛腿結(jié)構(gòu)圖2-3 -34.3 牛腿結(jié)構(gòu)計(jì)算N a pdea 3.14×27×10 ×27×10t= 4f =t4牛腿的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：牛腿的強(qiáng)度驗(yàn)6-3算，螺栓抗拉、抗剪驗(yàn)算，混凝土

7、破壞驗(yàn)算。限×1000×10 ×10=572.265kN于篇幅，本文選取部分進(jìn)行重點(diǎn)介紹。4.3.1 牛腿強(qiáng)度計(jì)算 單根螺栓拉力設(shè)計(jì)值:首先建立牛腿的受力計(jì)算模型，當(dāng)梁體離開(kāi)原s=N= 62500 ×10-3=15.625kN 支座位置時(shí)，牛腿所受應(yīng)力最大，其上排4根螺栓錨栓根數(shù)4為最不利受力情況，牛腿有限元分析模型見(jiàn)圖3。572.265kN，安全。4.3.3 螺栓受剪承載力驗(yàn)算根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程（JGJ 145-2004），對(duì)螺栓鋼材受剪破壞、混凝土楔形體剪 切破壞與混凝土剪撬破壞三種情況進(jìn)行驗(yàn)算（本文只介紹對(duì)螺栓鋼材受剪破壞）。（1）受剪承

8、載力設(shè)計(jì)值VRd,s應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算：VRd,s=VRk,s / Rs,V式中 VRk,s螺栓或植筋鋼材破壞時(shí)的受剪承載力圖3 牛腿有限元模型圖 標(biāo)準(zhǔn)值；34PRESTRESS TECHNOLOGY 2014年第4期總第105期此處按純剪計(jì)算:6VRk,s=0.5As fstk=0.5×3.14/4×27×27×10 ×1000×106×103=286.13kN式中 Rs,V螺栓或植筋鋼材破壞時(shí)的受剪承載力 分項(xiàng)系數(shù)，按規(guī)程表采用。則： Rs,V = 1.3 fstk / fyk= 1.3×1000 / 90= 1

9、.444所以，受剪承載力設(shè)計(jì)值：VRd,s=VRk,s / Rs,V = 286.13 / 1.444=198.15kN（2）牛腿螺栓上作用的荷載主要為豎直向的剪力，忽略扭力的影響，由于上排4根螺栓呈最 不利受力情況，假設(shè)所承荷載由上排4根螺栓均勻 受力，則承受剪力最大螺栓的剪力設(shè)計(jì)值為：V h =V V=V / n=125000×10-3/4=31.25kNsdsi,max 式中 V h 承受剪力最大螺栓的剪力設(shè)計(jì)值；sdV V螺栓i所承受的剪力合力值；si,maxV 剪切荷載設(shè)計(jì)值；n參與受剪的螺栓數(shù)目。因此，V h =31.25kNV=198.15kN，安全。sdRd,s4.4

10、 牛腿安裝牛腿安裝主要工序?yàn)殂@孔植筋。植入深度 必 須 符 合 混 凝 土 結(jié) 構(gòu) 加 固 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 （GB503672006） 12.3節(jié)規(guī)定。植筋膠性能必 須符合公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG/TJ222008）表4.6.6的要求。 工藝流程：鉆孔清理鉆孔灌膠插入5.3 技術(shù)參數(shù)控制方式：手動(dòng)/自動(dòng) 升降速度：0.2mm/min1mm/min 系統(tǒng)同步控制精度：±0.50mm 系統(tǒng)最高工作壓力：31.5MPa 系統(tǒng)泵站流量：4L/min 頂升高度：隨千斤頂行程變化 系統(tǒng)工作電源：AC380V/50Hz 三相五線制 系統(tǒng)裝機(jī)功率：5KW（單泵站） 工作油溫：-1070環(huán)境溫度：

11、-25456 同步頂升更換支座施工6.1 工藝流程圖施工準(zhǔn)備頂升系統(tǒng)安置PLC同步頂升系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試主梁整體試頂升標(biāo)高測(cè)量主梁正式頂升標(biāo)高測(cè)量主梁臨時(shí)支撐更換支座主梁回落標(biāo)高測(cè)量錨筋。5 智能同步頂升系統(tǒng)5.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介PLC橋梁同步頂升系統(tǒng)采用“工控機(jī)+可編 程控制器+液壓控制系統(tǒng)”組成分布式控制系 統(tǒng)，選擇“位移+壓力雙閉環(huán)控制、應(yīng)力限值報(bào) 警”的監(jiān)控策略，實(shí)現(xiàn)各頂升點(diǎn)位移與壓力在線監(jiān) 測(cè)與反饋調(diào)節(jié)。采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)小流量 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高精度同步頂升與同步下降。采用梁板 應(yīng)力監(jiān)測(cè)，保證頂升與回落過(guò)程橋梁結(jié)構(gòu)安全。5.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機(jī)、主站、從站、千斤 頂、位移傳感器、壓

12、力傳感器、應(yīng)力傳感器等部 件組成。其中一臺(tái)主站可控制12臺(tái)從站，一臺(tái)從 站可控制4臺(tái)千斤頂。支座防護(hù)6.2 頂升設(shè)備安裝根據(jù)空心板重量及頂升高度，選用大行程千 斤頂，總頂升力宜為梁體總重3倍以上。千斤頂 均需配置液壓鎖，以防止任何形式的系統(tǒng)及管路 失壓，從而保證負(fù)載的有效支撐。安放必須水平 垂直，對(duì)于千斤頂與梁體接觸面積不夠的還需要 增加擴(kuò)大鋼板以減少混凝土承壓力。由于本工程采用位移控制同步性，為能通過(guò)控 制臺(tái)直觀的觀測(cè)每臺(tái)千斤頂?shù)倪\(yùn)行情況，需對(duì)每臺(tái) 千斤頂編號(hào)且必須與控制臺(tái)的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，并對(duì)每 臺(tái)千斤頂設(shè)置位移傳感器，安裝須垂直于水平面。 以牛腿作為頂升反力基礎(chǔ)，千斤頂?shù)牟贾眯问饺鐖D5所示：

13、35PRESTRESS TECHNOLOGY 2014年第4期總第105期>2%則采用楔形鋼板墊平，使支座表面與預(yù)制支座墊層、墩臺(tái)及梁板緊密貼合。6.3.3 同步落梁施工（1）支座更換完成后方可落梁施工。（2）落梁時(shí)按先拆后降的原則拆除臨時(shí)支 撐，注意避免碰撞支座,以保證支座位置。落梁工藝采用逆頂升法緩慢降落同一幅的每片梁。（3）千斤頂必須按設(shè)計(jì)的行程同步回落， 同時(shí)觀測(cè)梁體回落高度和千斤頂?shù)钠痦斄Γ┬须p控。（4）當(dāng)梁體落到離支座面間隙5mm 左右 時(shí)，停止落梁，測(cè)量梁體標(biāo)高是否達(dá)到設(shè)計(jì)值， 如未達(dá)到設(shè)計(jì)值，查找原因進(jìn)行頂升調(diào)整，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行整體落梁。7 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)（1）施

14、工過(guò)程中除對(duì)梁面高度進(jìn)行監(jiān)控 外，還需對(duì)墩臺(tái)沉降、梁體縱橫位移監(jiān)控，并安 裝縱橫向限位裝置。（2）位移同步性需控制在±0.5mm以?xún)?nèi)，并 同時(shí)監(jiān)控梁體應(yīng)力變化的情況。（3）頂升施工前需檢測(cè)梁體是否與其他構(gòu) 件相連，如有則必須解除，使梁體獨(dú)成一整體。（4）正式施工前需對(duì)頂升系統(tǒng)進(jìn)行檢查和 試頂升。（5）橋梁頂升期間，橋梁上部禁止車(chē)輛通 行，車(chē)輛必須借道分流。8 結(jié)語(yǔ)經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，采用PLC同步頂升施工技 術(shù)，其施工時(shí)間較短，可運(yùn)用于單跨、多跨連續(xù) 橋梁頂升及更換支座施工。整體同步頂升不僅提 高了對(duì)橋梁整體位移的精確度，又可通過(guò)對(duì)每個(gè) 頂升點(diǎn)的位移和壓力監(jiān)控，隨時(shí)分析出荷載過(guò)大 的頂升點(diǎn)

15、位置，可讓工作人員能及時(shí)進(jìn)行處理， 大大提高了施工質(zhì)量。其牛腿法施工，解決了梁 底與蓋梁之間頂升空間不夠的情況。圖5 千斤頂布置圖6.3 更換支座施工6.3.1 同步頂升施工（1）當(dāng)所有準(zhǔn)備工作就緒后，啟動(dòng)自動(dòng)頂 升系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。首先通過(guò)荷載頂升使每個(gè)千斤 頂受力均勻，當(dāng)千斤頂總體受力達(dá)到梁體總重80%時(shí)，變換為位移頂升，并通過(guò)位移來(lái)控制同 步頂升，第一次位移頂升前必須將數(shù)據(jù)清零，豎 向位移必須在誤差范圍內(nèi)，此后數(shù)據(jù)疊加。（2）觀察頂升過(guò)程中同步控制誤差對(duì)構(gòu)件 的影響。記錄頂升過(guò)程中的油壓最大、最小值， 并時(shí)刻監(jiān)測(cè)主梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)偏移是否在規(guī)定范圍內(nèi)，在誤差出現(xiàn)時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修正。（3）頂升過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)控負(fù)荷、結(jié)構(gòu)狀 態(tài)，并派專(zhuān)人進(jìn)行梁體標(biāo)高測(cè)量，檢驗(yàn)頂升高 度，實(shí)行雙控。（4）每次頂升以3mm為一級(jí)，每一級(jí)到位 后就進(jìn)行臨時(shí)支墩的安裝，并檢查各頂及結(jié)構(gòu)的 情況，確保工作狀態(tài)良好后再進(jìn)行下一級(jí)頂升， 如此反復(fù)。（5）對(duì)于千斤頂活塞一次行程不能頂升至 設(shè)計(jì)高度的，需進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，利用臨時(shí)支墩支 撐整個(gè)梁體，將力全部轉(zhuǎn)移至臨時(shí)支墩后，再將 千斤頂活塞收縮至原始狀態(tài)，在千斤頂上方或下 方加高相應(yīng)支墩后再進(jìn)行下一次頂升，直至頂升 到設(shè)計(jì)高度。6.3.2 更換支座（1）拆除舊支座。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行新支座和鋼性