三跨連續(xù)梁橋內(nèi)力調(diào)整頂升施工仿真分析與控制研究

王文志，陳思甜，鄧莎莎，楊洋（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

?

三跨連續(xù)梁橋內(nèi)力調(diào)整頂升施工仿真分析與控制研究

王文志，陳思甜，鄧莎莎，楊洋
（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

摘要：某三跨連續(xù)梁橋由于施工造成連續(xù)梁內(nèi)力分布不合理，通過三維實(shí)體有限元仿真分析模擬在中間支座處施加向上變化的強(qiáng)迫位移，可以改變連續(xù)梁的內(nèi)力分布，使之更為合理。根據(jù)該原理，對(duì)中間支座位置，采用千斤頂頂升梁體，使梁體向上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于合理梁內(nèi)力的位移值，然后在支座上加墊鋼板，即可完成三跨連續(xù)梁的內(nèi)力調(diào)整。通過仿真分析，確定加墊鋼板厚度及安全狀況下最大頂升量，并根據(jù)連續(xù)梁橋頂升時(shí)的受力和變形特點(diǎn)提出加墊鋼板頂升施工控制的方法及原則。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；仿真分析；頂升施工；位移監(jiān)控

1　概述

某分離式立體交叉橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土T型梁，跨徑3×20m，每跨5片預(yù)應(yīng)力T型梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，全橋?qū)嵕耙妶D1。在預(yù)應(yīng)力T型梁安裝施工過程中由于在吊梁就位前忘記安放兩邊橋臺(tái)處支座鋼墊板，待澆筑完墩頂連續(xù)段后再頂升兩邊橋臺(tái)處T型梁補(bǔ)墊37mm鋼板。

圖1　全橋?qū)嵕皥D

補(bǔ)墊后致使連續(xù)梁跨中截面底部拉應(yīng)力增大，減少預(yù)應(yīng)力富裕度?；谟邢拊抡娣治?，在中間支座頂升加墊鋼板可以減少跨中截面底部拉應(yīng)力，調(diào)整預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁內(nèi)力、增加預(yù)應(yīng)力富裕度，經(jīng)專家開會(huì)研究一致認(rèn)為此方法經(jīng)濟(jì)、效果良好。為保證結(jié)構(gòu)安全必須對(duì)頂升全過程進(jìn)行位移、應(yīng)力監(jiān)控，以確保施工過程安全。

2　有限元仿真分析［1］

2.1有限元模型建立

采用有限元非線性分析軟件MSC.Marc建立單片T梁三維實(shí)體有限元仿真分析，模型如圖2所示，共2348個(gè)實(shí)體單元。

圖2　三維實(shí)體有限元模型

2.2兩邊橋臺(tái)頂升38mm應(yīng)力分析

根據(jù)成橋現(xiàn)狀（兩邊橋臺(tái)處補(bǔ)墊37mm鋼板），對(duì)三跨單片連續(xù)T型梁進(jìn)行有限元建模。在兩邊橋臺(tái)處對(duì)連續(xù)梁頂升38mm，計(jì)算得到頂升38mm后連續(xù)梁的應(yīng)力狀況。邊支座頂升有限元計(jì)算模型如圖3所示，提取連續(xù)梁關(guān)鍵截面應(yīng)力，如表1-表4。

圖3　邊支座頂升計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1　邊跨應(yīng)力變化（MPa）

表2　中跨應(yīng)力變化（MPa）

表3　中間支座段底部應(yīng)力變化（MPa）

表4　中間支座段頂部應(yīng)力變化（MPa）

兩邊橋臺(tái)頂升38mm，提取跨中心、墩中心及危險(xiǎn)截面應(yīng)力情況。兩邊橋臺(tái)頂升38mm后，中間支座段底部最大拉應(yīng)力增量截面2.75m、應(yīng)力-3.77MPa。兩邊橋臺(tái)頂升對(duì)中間支座段頂部產(chǎn)生壓力 ，壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C50的標(biāo)準(zhǔn)值，邊跨壓應(yīng)力最小截面為12.1m、應(yīng)力-3.08MPa，中跨壓應(yīng)力最大應(yīng)力截面8.1m、應(yīng)力-2.98MPa，兩邊橋臺(tái)頂升38mm，連續(xù)梁底部未出現(xiàn)拉應(yīng)力，未損害結(jié)構(gòu)，此過程結(jié)構(gòu)安全。中間支座段底部拉應(yīng)力增加、頂部壓應(yīng)力增加這與二期恒載、車輛活荷載的效應(yīng)一致，對(duì)橋有利。邊跨最大增量為2.86MPa、中跨增量1.67MPa，中跨最大增量為3.48MPa、跨中增量3.11MPa，兩邊橋臺(tái)頂升后產(chǎn)生的拉應(yīng)力減少梁體壓應(yīng)力儲(chǔ)備，對(duì)橋產(chǎn)生不利影響，必須對(duì)中間支座處梁體抬升減少跨中截面拉應(yīng)力。

2.3中間支座縱向依次頂升12mm應(yīng)力分析

根據(jù)施工設(shè)計(jì)建立有限元模型，模擬縱向單點(diǎn)逐墩頂升12mm施工過程，計(jì)算得到先左中間支座頂升后應(yīng)力增量、兩中間支座頂升后應(yīng)力增量和最后應(yīng)力累計(jì)增量。中間支座頂升計(jì)算模型如圖4，提取連續(xù)梁關(guān)鍵截面應(yīng)力，如表5-表8。

圖4　中間支座頂升計(jì)算簡(jiǎn)圖

中間支座處依次頂升12mm過程中，在截面10.95m處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，拉應(yīng)力為5.86MPa，此截面附加預(yù)應(yīng)力為8.13MPa，因此中間支座依次頂升12mm施工對(duì)全梁安全。中間頂升使邊跨、中跨產(chǎn)生壓應(yīng)力，邊跨最大壓應(yīng)力增量截面15.5m、應(yīng)力-2.11MPa中跨最大壓力增量截面8.1m，應(yīng)力-0.40MPa，邊跨跨中應(yīng)力增量由原來1.68MPa變到0.48MPa、中跨跨中應(yīng)力增量由原來3.11MPa變到2.75MPa，在中間支座處頂升12mm加墊10mm鋼板能有效地改善梁內(nèi)力分布。

3　頂升施工過程控制

表5　邊跨應(yīng)力變化（MPa）

表6　中跨應(yīng)力變化（MPa）

表7　中間支座段底部應(yīng)力變化（MPa）

表8　中間支座段頂部應(yīng)力變化（MPa）

表9　頂升位移（mm）

3.1頂升施工方案［2］

目前梁橋有兩種頂升方式：（1）整體頂升；（2）局部頂升。整體頂升方式指的是多墩同步頂升施工方式，此方式費(fèi)用較高、設(shè)備投入較多和施工難度較大。局部頂升方式指的是單墩同步頂升施工方式，此方案利用超薄千斤頂頂升主梁加墊鋼板，其施工費(fèi)用低、速度快、施工難度低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件采用縱向單點(diǎn)逐墩、橫行同步頂升加墊鋼板施工方法。該方法以蓋梁為反力基礎(chǔ)，把5個(gè)型號(hào)100t千斤頂交叉置于蓋梁上，千斤頂、臨時(shí)支撐布置如圖5、圖6所示。

圖5　千斤頂布置圖

圖6　臨時(shí)支撐布置圖

3.2頂升施工步驟［3］

施工場(chǎng)地封閉→材料設(shè)備進(jìn)場(chǎng)→搭建施工平臺(tái)→支座周圍混凝土打磨→布頂→監(jiān)控裝置安裝→試頂→設(shè)定一次頂程→同步頂升→達(dá)到頂程→安裝臨時(shí)支撐→重復(fù)下一次設(shè)定頂程→頂升到預(yù)定高度→固定臨時(shí)支撐→加墊鋼板→拆除臨時(shí)支撐→卸頂。

3.3頂升施工要點(diǎn)

（1）反力基礎(chǔ)。利用蓋梁作為反力基礎(chǔ)，對(duì)蓋梁頂部找平，千斤頂交叉布置蓋梁兩側(cè)，千斤頂與梁間設(shè)置鋼墊板。（2）千斤頂選用［4］。千斤頂頂起重量是梁體及附屬結(jié)構(gòu)物總重量的2倍以上，最低高度要小于蓋梁頂部到梁底部距離，極限頂升高度要大于14mm。（3）試頂。正式頂升前試頂0.05mm，保持2分鐘觀察各支撐、主體結(jié)構(gòu)情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。（4）同步頂升。5個(gè)千斤頂各安排一個(gè)工作人員，聽同一個(gè)人指揮，分級(jí)頂升，5片梁頂升量差不超過5mm。（5）臨時(shí)支撐。準(zhǔn)備不同厚度鋼墊塊，每頂完一級(jí)先進(jìn)行臨時(shí)支墊，臨時(shí)支墊須抄緊。（6）打磨。加墊鋼板前應(yīng)打磨橡膠支座周圍混凝土，防止加墊鋼板時(shí)帶入混凝土渣加大加墊難度。（7）卸頂。5個(gè)千斤頂同時(shí)同步緩慢卸頂。（8）結(jié)構(gòu)觀察。在全程監(jiān)控中要密切觀察蓋梁、與千斤頂接觸處面、橋面、濕接縫、橫隔板及主梁情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)停止頂升。

3.4施工過程位移監(jiān)控

在梁體頂升過程中，為了保證梁橋結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)頂升過程進(jìn)行頂升位移監(jiān)控，確保5片梁同步頂升、頂升量不超過其允許的最大值及卸頂后梁支座處頂升的高度符合要求。在中間支座底部安裝精密位移傳感器［5］，采用先進(jìn)的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變無線多功能測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)起頂、加墊鋼板及卸頂全過程進(jìn)行監(jiān)控。最大頂升位移、落梁后位移見表9。位移傳感器布置如圖7、圖8。限于篇幅，只列出右幅1#墩頂升曲線圖，見圖9。

圖7　位移傳感器布置圖

圖8　位移傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖9　右幅1#墩頂升過程曲線圖

表10　頂升應(yīng)力實(shí)測(cè)值、理論校驗(yàn)（MPa）

此次頂升位移基本在14mm左右，有兩處頂升位移到18mm，因此在頂升過程中加強(qiáng)對(duì)全橋監(jiān)控，未出現(xiàn)異常情況，所有次頂升過程平穩(wěn)安全。卸頂落梁后，梁頂升高度在9.41～10.39mm，與加墊鋼板厚度基本一致，達(dá)到頂升要求。右幅1#墩頂升監(jiān)控共采集2873組數(shù)據(jù)，在停止頂升加墊鋼板期間采集2400組數(shù)據(jù)，在作曲線圖時(shí)共取了439組數(shù)據(jù)（未取加墊鋼板期間采集的數(shù)據(jù)）。此頂升過程安全平穩(wěn)，5片梁基本同步頂升，上下不超過5mm，達(dá)到施工要求。

3.5施工過程應(yīng)力監(jiān)控

應(yīng)力監(jiān)控的目的是通過監(jiān)控連續(xù)梁頂升后應(yīng)力增量的大小，直接了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。通過與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，來判斷頂升效果。在中間3片梁、離中間支座30cm的梁底部安裝應(yīng)變傳感器，采用先進(jìn)的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變無線多功能測(cè)試系統(tǒng)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，由采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)算出該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力。應(yīng)變傳感器布置如圖10、圖11。

對(duì)頂升全過程進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，得到頂升不同階段應(yīng)力值。提取頂升12mm、卸頂穩(wěn)定后3片梁的應(yīng)力增量，實(shí)測(cè)值與理論值基本一致，此頂升加墊鋼板施工效果明顯，調(diào)整了連續(xù)梁內(nèi)力。

圖10　應(yīng)變傳感器布置圖

圖11　應(yīng)變傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

4　結(jié)語

（1）以有限元分析的數(shù)據(jù)為理論基礎(chǔ)，提出中間支座加墊鋼板以調(diào)整三跨連續(xù)梁橋內(nèi)力的方法。

（2）頂升過程采用了精密位移傳感器、動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變無線多功能測(cè)試系統(tǒng)控制頂升量，使頂升過程安全平穩(wěn)。

（3）此連續(xù)梁橋采用縱向單點(diǎn)逐墩、橫行同步頂升加墊鋼板施工方法頂升過程平穩(wěn)安全，造價(jià)節(jié)省，達(dá)到了連續(xù)梁橋內(nèi)力調(diào)整的目的可為類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉萌.大跨度連續(xù)梁橋局部頂升工藝有限元分析［J］.中國建材科技，2015（4）：103-105.

［2］郭艷芬，張永永，萬飛，等.簡(jiǎn)支變連續(xù)橋梁支座更換新方法的實(shí)驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28 （1）：16-19.

［3］盧偉榮，劉世忠，張瑞杰.連續(xù)梁橋更換支座頂升施工控制［J］.公路，2012（6）：80-86.

［4］何任遠(yuǎn)，張軍雷.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁頂升施工監(jiān)控［J］.科技資訊，2010（19）：80-81.

［5］倪大治.計(jì)算機(jī)控制同步頂升在橋梁支座更換中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，36（17）：331-333.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

中圖分類號(hào)：U445.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）07-0039-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.039

收稿日期：2016-05-13

作者簡(jiǎn)介：王文志（1990-）男，湖南衡陽人，研士研究生，主要從事橋梁檢測(cè)加固工作。

Simulation Analysis and Control Study of Jacking Construction for Internal Force Adjustment of Three-span Continuous Brigde

Abstract：A three-span continuous bridge has unreasonable distribution of internal force for defective construction.With three-dimensional entity finite element analysis simulation，imposed displacement upward changing is given at the central support，which can alter the distribution of internal force of the continuous bridge and make it more reasonable.According to the planning，a jack is applied to hoist the beam，making the beam move upward and generate the displacement value reasonable to its internal force，and then a steel plate is placed at the support，thus，the internal force adjustment of a three-span continuous bridge is accomplished.Through simulation analysis，the steel plate thickness and the maximum safe jacking volume can be determined，and the methods and principles of jacking construction control of the steel plate are presented in accordance with the stress and deformation features of the continuous bridge when jacked.

Keywords：continuous beam；simulation analysis；jacking construction；displacement monitoring