曲線鋼箱梁多點橫向頂推復(fù)位研究

鄧 娜，江長森，江凌喬

(1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059;2.成都信息工程學(xué)院電子實驗中心，四川成都 610225;

3.四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川成都 610072;4.四川省邛崍市公路橋梁工程有限公司，四川邛崍 611530)

曲線鋼箱梁多點橫向頂推復(fù)位研究

鄧 娜1，2，江長森3，江凌喬4

(1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059;2.成都信息工程學(xué)院電子實驗中心，四川成都 610225;

3.四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川成都 610072;4.四川省邛崍市公路橋梁工程有限公司，四川邛崍 611530)

針對曲梁橋常出現(xiàn)的橫向偏移現(xiàn)象，以某獨墩單支座的曲線連續(xù)鋼箱梁橋工程實例，采用通用有限元軟件進(jìn)行了仿真分析，針對曲梁橋的特點，采用豎向頂升和橫向頂推相結(jié)合的復(fù)位方法，優(yōu)化了頂推復(fù)位工序，確定了每點的頂(推)力計算方法。施工實踐及運營情況表明，該復(fù)位方案合理、可靠。

曲線箱梁;復(fù)位施工;豎向頂推;橫向頂推

0 引言

曲線梁橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路立交中應(yīng)用很普遍，特別是獨墩單鉸支座曲線梁橋。但是近幾年來發(fā)現(xiàn)，這些曲線梁橋在運營過程中，出現(xiàn)了一些梁體滑移甚至翻轉(zhuǎn)的橋梁事故。實際上，連續(xù)曲線箱梁橋在使用過程中，由于溫度效應(yīng)、車輛行駛或一些其它影響因素的作用，會產(chǎn)生側(cè)向的變位［1］。由于曲梁的結(jié)構(gòu)特點、支承形式等原因，當(dāng)外荷載等影響因素消失后，曲梁發(fā)生的側(cè)向變位并不能夠完全恢復(fù)，彎梁在側(cè)向會產(chǎn)生部分不可恢復(fù)的殘余位移。長期反復(fù)作用下，側(cè)向的殘余位移就會累積，產(chǎn)生較大的位移，即曲線梁橋的側(cè)向位移問題(國內(nèi)有專家稱之為“橫向爬移”現(xiàn)象)。曲梁橋的側(cè)向位移問題輕則導(dǎo)致梁段伸縮縫的剪切破壞，影響其使用壽命;嚴(yán)重的則會出現(xiàn)支承結(jié)構(gòu)破壞、梁體滑移和翻轉(zhuǎn)。如華強立交A匝道獨柱曲線梁橋。

頂推施工［2］大量的應(yīng)用于簡支梁，連續(xù)梁橋，連續(xù)剛構(gòu)橋等的架梁施工中，即用于梁順橋向的頂推。在跨度較小的橋梁在發(fā)生過大橫向位移以致威脅到安全運營時，也可以采用將梁頂起至滑道然后橫向頂推至設(shè)計位置。這種橫向頂推的方法已經(jīng)在一些橋梁復(fù)位得到了應(yīng)用，但應(yīng)用于曲線梁的橫向頂推施工研究還是比較少見的。由于曲線梁本身復(fù)雜的受力和變形性能，導(dǎo)致其在橫向頂推施工中的復(fù)雜性將遠(yuǎn)大于直線梁。工程實踐及理論［3］證明在頂推施工過程中對梁本身的受力行為影響不大，故筆者主要就已經(jīng)發(fā)生橫移危及運營，急需加固的曲線連續(xù)鋼箱梁進(jìn)行復(fù)位施工安全研究，通過分析橫向頂推的施工順序和施力大小得到優(yōu)化的復(fù)位效果。

1 理論分析

由符拉索夫建立的薄壁圓弧平衡微分方程［4］可知:同直梁橋相比，曲線梁橋［5］的受力特性具有很大不同，即在荷載作用下曲線梁會產(chǎn)生強烈的撓曲扭轉(zhuǎn)耦合反應(yīng)，其平面彎曲變形是獨立的，可以單獨進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)獨墩單鉸支座曲線箱梁橋的橫移主要是其在平面內(nèi)繞跨中固定鉸支座旋轉(zhuǎn)角度過大導(dǎo)致梁體滑移和翻轉(zhuǎn)，故梁復(fù)位的關(guān)鍵是在不損害梁和墩正常使用性能的情況下使其回到設(shè)計位置［3］。由于梁體的變形、變位十分復(fù)雜，在3個方向6個自由度均存在不同程度變形、變位，因此梁的復(fù)位、校正是整個加固工程的關(guān)鍵。

梁的復(fù)位工作分為:頂升梁體;梁體平移;調(diào)整坡度;施工抗扭墩墩帽，更換支座;落梁就位，調(diào)整支座反力5個施工階段(圖1)。其關(guān)鍵的步驟就是豎向頂梁和水平頂推復(fù)位。在此過程中由于支點處約束條件的不同，梁將經(jīng)歷體系的轉(zhuǎn)換。

圖1 曲線梁頂梁施工流程Fig.1 Processes of curve girder beam construction

1.1 頂梁分析

頂梁過程，即在搭建于既有墩處的臨時墩上利用千斤頂將梁頂高離支座到一定高度［6］。對連續(xù)梁的頂梁主要有兩種方式:多點同時頂起和逐墩頂起。前者主要針對直線梁，而對于曲線梁，由于在空間上梁還要受水平徑向力，過大的水平徑向力將使千斤頂破壞，采用哪種方式將取決于水平徑向力［7］。

筆者將頂梁分為兩個狀態(tài)的迭加，即恒載和支反力共同作用下，向上位移為0的自平衡狀態(tài)和向上豎向力頂起一段位移的上升狀態(tài)的迭加。采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，基于純扭轉(zhuǎn)理論單根曲線梁法［8］將常見的兩端是抗扭支座，中間為點鉸支承的N+1跨等截面連續(xù)曲線梁作為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(圖2)，求出當(dāng)支承i處有單位向上反力Ri=1作用下基本結(jié)構(gòu)的撓度影響線，由此可得各支承點處的豎向位移wij，進(jìn)而求得柔度矩陣［k］。

圖2 中間為點鉸支承的連續(xù)曲線梁Fig.2 Continuous curved beams of middle hinge supported

對向上豎向力頂起一段位移的上升狀態(tài)，由力法原理可得典型方程:

式中:［k］為柔度矩陣;wij為支承j處作用單位支反力Rj=1時，支承i處的豎向位移;［R］為中間支承的豎向頂推力矩陣;［Δ］為各中間支承必需達(dá)到的豎向頂推高度矩陣。

考慮自平衡狀態(tài)，由式(1)可得所需總豎向頂推力為:

式中:［Rq］為在恒載作用下中間支承的豎向反力矩陣;［T］為中間支承的總豎向頂推力矩陣。

對兩端抗扭支座，則可以利用懸臂曲線梁來計算其所需豎向頂推力大小。施工順序?qū)Q定柔度矩陣，如果是逐墩頂起，柔度矩陣將是上三角矩陣，即當(dāng) i＜ j時，wij=0。

1.2 橫向頂推梁分析

臨時橋墩頂部設(shè)平臺及橫移梁滑道，在平臺處設(shè)豎向千斤頂將梁體頂起一定高度后置于橫移梁滑道上，再用橫向千斤頂將已經(jīng)脫離設(shè)計位置的梁體頂推到位。這個過程就是梁的橫向頂推，也是復(fù)位施工成功的關(guān)鍵，必須綜合分析各種因素的影響。當(dāng)梁體處于滑道上時，梁體的扭轉(zhuǎn)在該處被約束，此時結(jié)構(gòu)已經(jīng)演變成支承均為抗扭支座的連續(xù)曲線梁(圖3)。一般認(rèn)為橫橋向的約束主要是摩擦力，這主要是根據(jù)直線梁的研究得到的，曲線梁由于恒載和溫度荷載作用下在橫橋向會產(chǎn)生附加橫向力，特別是在跨中固定支座處的橫向力是很大的，這在計算橫向頂推力時是必須考慮的，即:

表1 恒載作用下橫向力Table 1 Lateral force under constant load /kN

Ti=Hfi+Hi=μRqi+Hi(3)

式中:Ti為各支承的橫向頂推力;Hfi為各支承處的摩擦力;Hi為各支承處由恒載和溫度效應(yīng)引起的附加橫向力;μ為滑道摩擦系數(shù)。

2 工程實例分析

哈爾濱市某立交橋為六孔連續(xù)鋼箱梁，總長221.342 m，鋼箱梁跨徑為 32.432 m+40 m+50 m+50 m+25 m+23.910 m，其中134.499 m 位于圓曲線上，曲線半徑 R=85 m，α =89°20'20″。單箱三室鋼箱梁截面底寬2.8 m，頂寬7.9 m，平均梁高1.5 m。設(shè)計荷載為城-A級車道荷載，橋面凈空為凈-7 m，雙車道。鋼箱梁G13、G19墩是抗扭支座，G14、G15、G17、G18 墩是多向盆式橡膠支座，G16墩固定盆式橡膠支座。

該立交橋于2000年10月竣工通車，運營1年后發(fā)現(xiàn)該橋連續(xù)鋼箱梁出現(xiàn)橫向偏移，2年后偏移增大。2002年6月測得偏移量:G19墩向曲線外側(cè)偏移了120 mm，G13墩向曲線內(nèi)側(cè)偏移了100 mm，即連續(xù)鋼箱梁繞G16墩出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。2004年8月測量發(fā)現(xiàn):G19墩向曲線外側(cè)偏移了245 mm，G13墩向曲線內(nèi)側(cè)偏移了150 mm，并有逐年加大趨勢(圖3)。另外 G17、G18墩偏移量達(dá) 350 mm［3］。

圖3 原結(jié)構(gòu)變形示意Fig.3 Deformation diagram of the original structure

實際工程中的曲線梁往往是曲直相連的，在理論上求解是非常困難的，一般采取數(shù)值方法。對于曲線箱梁一般可以將曲線梁簡化成一根圓弧曲桿，采用分段空間直梁模型分析其受力特性，這種模型以空間直梁單元離散曲線梁，用分段的直線近似代替實際的曲線形式，模型自由度較少，計算工作量較小，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

利用大型專業(yè)軟件MIDAS里空間梁單元建立有限元模型(圖4)，按照一般曲線鋼梁制造工藝平均取1 m為一個單元，以直代曲，共117個單元。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

2.1 頂梁過程分析

通過軟件的計算，分別在中跨各墩處施加一單位力(取1kN)，計算各墩的豎向位移，即可得曲線梁在不計恒載工況下的柔度矩陣［k］，單位m。

由式(4)柔度矩陣可知曲線梁是很柔的結(jié)構(gòu)，而頂起的位移［Δ］一般很小，取 5 cm，故［k］-1［Δ］≈0。由式(2)知:

可見，在頂梁過程中只要按支反力來選取所需千斤頂即可。

由于曲梁在自重作用下會產(chǎn)生橫向力，所以在頂起過程中，與直梁不同的是，千斤頂在承受豎向荷載同時將受到一個水平向的力。表1為恒載作用下橫向力。

由表1可知:橋臺支座和直梁端支座的橫向力很小，而曲梁段固定支座如G16，承受的橫向力最大。所以曲梁頂梁過程不能照搬直梁，必須逐墩逐級頂起，并作好橫向固定工作，以免梁滑移造成事故。

由于頂起后梁需要一段時間釋放彈性能，這段時間可能就會有溫度變化，特別是在北方，晝夜溫差大，而溫度效應(yīng)會產(chǎn)生橫向力。通過分析各整橋溫度分別升溫10，20，30℃，降溫10，20℃來研究溫度效應(yīng)對曲梁的橫向力影響(表2)，以力方向向圓弧內(nèi)為正。

表2 溫度荷載作用下橫向力Table 2 Lateral force under temperature load /kN

由表2可知:溫度作用引起的橫向力要比恒載引起的小，而且隨著溫度升降而增減。

2.2 橫向頂推過程分析

在曲梁逐步落到滑道上后，由于跨中G16墩為固定墩，該墩處位置沒有改變，故橫向頂推將推動梁以固定墩為中心轉(zhuǎn)動到設(shè)計位置。在此過程中，一定要對固定墩進(jìn)行加固，防止墩破壞。由于恒載會產(chǎn)生附加橫向力，所以橫向頂推力不能僅僅考慮摩擦力，還應(yīng)加上附加橫向力，表3為橫向頂推力分析。按一般工程經(jīng)驗?zāi)Σ料禂?shù)取0.1。

表3 橫向頂推Table 3 Horizontal push /kN

通過對該橋的復(fù)位施工并對支座做相應(yīng)的限位措施，經(jīng)過幾年運營未出現(xiàn)新問題，情況良好。

3 結(jié)論

1)通過對兩個狀態(tài)的迭加分析，對于大跨度大曲率曲梁橋在復(fù)位頂起施工過程中，由于結(jié)構(gòu)很柔，豎向頂推力主要考慮支反力，并應(yīng)采取逐墩頂推。

2)通過恒載，溫度效應(yīng)對頂起施工過程中曲梁橫向力分析，發(fā)現(xiàn)橫向力主要是由恒載產(chǎn)生，溫度荷載影響較小。

3)在橫向頂推過程中，橫向頂推力必須同時考慮摩擦力和由恒載產(chǎn)生的附加橫向力。

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Deviation Reinforcement Analysis of Curved Steel Box Girder Bridge

Deng Na1，2，Jiang Changsen3，Jiang Lingqiao4
(1.College of Geophysics，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，Sichuan，China;
2.Electronic Laboratory，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，Sichuan，China;
3.Sichuan Hydropower Engineering Investigation Co.，Ltd.，Chengdu 610072，Sichuan，China;
4.Sichuan Highway and Bridge Engineering Co.，Ltd.，Qionglai 611530，Sichuan，China)

The creep deformations of curved girder bridge often occur.This paper makes a deviation rectifying research on lateral and torsional distortion of simple-supported continuous curved steel box girder bridge.By using FEM software MIDAS，the combined construction scheme of vertical and lateral thrusting is determined to rectify the curved beam.The construction process is optimized according to the characteristic of curved beam.Respectively methods are presented to caculate the thrusting force.The construction scheme is proved to be reasonable and practical in the practice.

curved box girder bridge;rectifying construction;vertical thrusting;lateral thrusting

U448.27

A

1674-0696(2012)04-0743-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.02

2011-10-24;

2011-11-21

鄧 娜(1980—)，女，四川成都人，講師，博士研究生，主要從事地球探測與信息技術(shù)、數(shù)字信號的智能處理等研究。E-mail:dn@cuit.edu.cn。