簡支變連續(xù)梁橋支座更換頂升方案對比及受力分析★

白杜娟

(陜西凱達(dá)公路橋梁工程建設(shè)有限公司，陜西西安 710068)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高速公路建設(shè)總里程亦不斷增加，先簡支后連續(xù)的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋得到大范圍應(yīng)用。該橋型除了具有良好的整體性、高剛度、高抗扭性、可靠的橫向連接、良好的結(jié)構(gòu)耐久性等特點(diǎn)外，還能夠適當(dāng)降低梁高。橋梁支座是橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的具有連接功能的結(jié)構(gòu)部件，支座失效將會導(dǎo)致連續(xù)梁的梁體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力重分布，不能滿足結(jié)構(gòu)正常的工作狀態(tài)的受力要求，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。通過對支座的破壞形式的分析，得出引起支座失效的主要原因如下:

1)支座原材料存在質(zhì)量問題;2)超載車輛對支座的破壞;3)未控制好支座墊石施工時(shí)的質(zhì)量;4)梁頂板和底板在受彎和溫度作用下導(dǎo)致縱橫向應(yīng)力分布不均。

橋梁支座在橋梁結(jié)構(gòu)受力體系中具有承上啟下的重要作用，因此當(dāng)支座發(fā)生病害導(dǎo)致支座失效時(shí)應(yīng)當(dāng)對橋梁支座進(jìn)行更換，而更換支座應(yīng)當(dāng)不改變橋梁結(jié)構(gòu)原有的受力狀態(tài)。橋梁結(jié)構(gòu)的性能受到支座更換方案的影響，故更換方案應(yīng)該與橋型相適應(yīng)?，F(xiàn)今對于由多片小箱梁組成的先簡支后連續(xù)橋梁這一種新型橋型的支座更換的研究匱乏。因此，本文通過對重慶九谷沖大橋的支座更換來研究兩種不同方案對結(jié)構(gòu)性能的影響，對比選出較為合適方案，為以后同類型橋梁支座頂升更換提供參考價(jià)值。

1 工程依托

九谷沖大橋位于重慶繞城高速南段，按左右幅設(shè)計(jì)，中心樁號為K100+141，右幅中心樁號為K100+326。橋梁全長249.52 m，跨徑總長:240.00 m，跨徑組合為:2×(4×30.0 m);單幅橋面采用16.75m 寬度，采用0.5m(護(hù)欄)+15.75m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)的橫向布置。

上部結(jié)構(gòu):采用先簡支后連續(xù)小箱梁;板式橡膠支座。

下部結(jié)構(gòu):橋墩為雙樁柱式、基礎(chǔ)為樁基，橋臺為U型橋臺、基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

九谷沖大橋立面圖布置圖及施工現(xiàn)場分別見圖1～圖3。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 九谷沖大橋立面

圖3 九谷沖大橋橋面

2 支座更換頂升方案

根據(jù)九谷沖大橋定期檢測報(bào)告，該橋支座病害主要表現(xiàn)為以下幾種類型:

1)支座脫空;2)支座異常變形;3)支座開裂;4)支座老化;5)箱梁底面不平整;6)支座上部局部呈現(xiàn)出深度壓痕。支座上述病害已經(jīng)嚴(yán)重影響了橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，通過評審會專家論證一致同意采用全橋更換支座的處理方案。根據(jù)支座頂升數(shù)量和頂升方式的不同，九谷沖大橋支座更換主要分為支座更換整體頂升和支座更換局部頂升兩種方案。

2.1 支座更換整體頂升方案

一般而言，支座更換整體頂升施工流程如下:首先將橋梁整體頂升到達(dá)設(shè)計(jì)高度，箱梁的頂升行程以2 mm作一個(gè)行程運(yùn)行，逐級逐漸頂升，相鄰墩臺之間行程差控制在不超過4 mm的范圍內(nèi)(經(jīng)過計(jì)算分析，當(dāng)相鄰墩臺間行程差超過5 mm時(shí)，這將會導(dǎo)致小箱梁的主梁在橋墩頂部位置開裂的現(xiàn)象)。箱梁頂升達(dá)到8 mm高度處(高度8mm是舊支座拆除新支座安裝的最小高度);取出支座，搭設(shè)臨時(shí)固定支架;安裝更換新支座;在所有的支座安裝完成后，拆除所有的臨時(shí)固定支架;落架梁體:更換新支座，然后，梁體以與頂升梁相反的順序連續(xù)下落。

九谷沖大橋支座更換整體頂升方案具體分為頂梁階段與落梁階段，其具體操作流程如下:

頂梁階段:

1)4號墩頂升到達(dá)8 mm高度處，3號墩頂升到達(dá)4 mm高度處，將4號臺已損壞支座拆除;

2)在4號墩位置臨時(shí)固定支撐，3號墩頂升到達(dá)8 mm高度處，2號墩頂升到達(dá)4 mm高度處，將3號墩已損壞支座拆除。

3)在3號墩位置設(shè)置臨時(shí)固定支撐，2號墩頂升到達(dá)8 mm高度處，1號墩頂升到達(dá)4 mm高度處，將2號墩已損壞支座拆除。

4)在2號墩位置設(shè)置臨時(shí)固定支撐，1號墩頂升到達(dá)8 mm高度處，0號臺頂升到達(dá)8 mm高度處，對1號墩、0號臺已損壞支座拆除，并依此對所有橋梁墩臺進(jìn)行新支座的安裝。

落梁階段:

1)0號臺直接降落8 mm至支座完全受力，1號墩先降落4 mm;

2)1號墩再降落4 mm至支座完全受力，2號墩先降落4 mm;

3)2號墩再降落4 mm至支座完全受力，3號墩先降落4 mm;

4)3號墩再降落4 mm至支座完全受力，4號墩直接降落8 mm至支座完全受力。

2.2 支座更換局部頂升方案

支座更換局部頂升方案與支座更換整體頂升方案施工過程不同:局部頂升方案是指將支座頂升至設(shè)計(jì)高程之后更換支座，并且在更換完成后落座，并依此在其他支座上執(zhí)行相同的操作，并不需要全橋頂升到位后同時(shí)執(zhí)行對支座的。箱梁的局部頂升和落架梁體的行程與整體頂升行程一致(按2 mm的單元行程運(yùn)行，逐級控制頂升，控制相鄰墩臺間行程差異差不超過4 mm)。

關(guān)于局部頂升方案的具體施工順序設(shè)置為:

1)將4號墩主梁頂升到達(dá)8 mm高度，3號墩頂升到達(dá)4 mm高度，將4號墩支座更換完成后降落4 mm高度;

2)3號墩再次從4 mm高度頂升達(dá)到8 mm高度，2號墩頂升達(dá)到4 mm高度，將3號墩的支座更換完成后降落4 mm高度，同時(shí)4號臺再次降落4 mm高度;

3)2號墩再次從4 mm高度頂升達(dá)到8 mm高度，1號墩頂升達(dá)到4 mm高度，將2號墩的支座更換完成后降落4 mm高度，同時(shí)3號臺再次降落4 mm高度;

4)1號墩再次從4 mm高度頂升達(dá)到8 mm高度，0號臺主梁直接頂升達(dá)到8 mm高度，將1號墩及0號臺支座更換完成后全部降落8 mm高度，最終完成全聯(lián)支座更換。

3 有限元仿真模擬

本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS/Civil建立關(guān)于全聯(lián)整體空間的有限元模型(如圖4所示)，通過預(yù)先設(shè)定每個(gè)施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬及仿真分析。采用梁格法對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，按照實(shí)際的工程概況對有限元模型的縱坡、橫坡以及邊界條件進(jìn)行設(shè)置。模型中不考慮0號橋臺的不均勻沉降，同時(shí)支座通過彈性連接的方式進(jìn)行模擬。按照支座頂升方案，九谷沖大橋支座更換整體頂升和支座更換局部頂升分別建立八個(gè)施工階段，其詳細(xì)施工步驟如表1所示。

圖4 M IDAS/Civil有限元模型圖

表1 施工階段劃分

4 計(jì)算分析

通過運(yùn)用MIDAS/Civil建立的有限元模型中對各個(gè)施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬，分別得出關(guān)于整體頂升方案與局部頂升方案的各墩臺頂剪力值(如表2，表3所示)。

表2 關(guān)于整體頂升方案中各墩(臺)頂剪力 kN

表3 關(guān)于局部頂升方案中各墩(臺)頂剪力 kN

為了更加直觀地表示九谷沖大橋整體頂升方案與局部頂升方案對應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力變化情況，將0號～4號橋墩/臺處隨施工階段的進(jìn)行受力變化幅度最大梁片對應(yīng)墩頂剪力、跨中彎矩以及墩頂彎矩值與CS0初始狀態(tài)比值如圖5～圖7所示。

圖5 墩頂剪力變化幅值

圖6 跨中彎矩變化幅值

圖7 墩頂彎矩變化幅值

根據(jù)表2，表3以及圖5～圖7可知:

1)整體頂升方案與局部頂升方案均會對小箱梁墩頂和跨中處彎矩產(chǎn)生較大影響，而對墩頂剪力影響程度較小。

2)對于支座更換整體頂升方案，在CS7中的1號墩墩頂處的墩頂剪力最大，相較于頂升前提高了0.22%;墩頂處的墩頂彎矩變化幅值最大發(fā)生在3號墩，為2.93%;變化幅值最大，提高了6.98%。

3)對于支座更換局部頂升方案，在CS5中的2號墩墩頂處的墩頂剪力最大，相較于頂升前提高了0.40%;3號墩墩頂處的墩頂彎矩最大，相較于頂升前提高了6.10%;第二跨梁片跨中彎矩最大，相較于頂升前提高了11.55%。

通過上述分析可以得出各個(gè)墩臺的支座頂升最大限值設(shè)為8 mm是合理的，同時(shí)整體頂升方案在墩頂剪力、跨中彎矩和墩頂彎矩變化幅值方面相比局部頂升受力更合理。

5 結(jié)語

為了選擇簡支變連續(xù)梁橋支座更換頂升合理方案并且研究頂升施工過程結(jié)構(gòu)受力狀況，本文以九谷沖大橋4×30.0 m支座頂升更換為工程依托，詳細(xì)介紹了支座更換整體頂升方案和支座更換局部頂升方案，基于有限元軟件MIDAS/Civil建立關(guān)于全聯(lián)整體空間的有限元模型對頂升過程墩頂剪力、跨中彎矩和墩頂彎矩等進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明:

1)各墩臺支座頂升最大行程宜取8 mm，此時(shí)能夠滿足支座更換的空間要求和結(jié)構(gòu)受力要求;

2)從結(jié)構(gòu)受力角度分析，在兩種頂升方案中，整體頂升方案的墩頂彎矩、剪力及跨中彎矩方面變化小于局部頂升方案，通過比較發(fā)現(xiàn)整體頂升方案更具有優(yōu)勢。

3)雖然在兩種方案中小箱梁的墩頂及跨中彎矩在頂升過程中增加較多，但只要控制載荷不超過橋梁的頂升限值，該橋并不會出現(xiàn)裂縫，該橋結(jié)構(gòu)上是安全的。

九谷沖大橋支座更換整體頂升方案的順利實(shí)施可為同類型橋梁順利更換支座提供參考意義。