城市軌道交通橋梁支座更換同步頂升受力檢算分析

任新建，任登富，張志新，簡(jiǎn)中飛

(貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 510000)

0 引言

山區(qū)城市軌道交通為克服高差，較多的采用高架橋梁形式，基于修建或使用過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)病害不可避免，其中支座受損更換尤為常見(jiàn)。對(duì)于城市軌道交通橋梁支座更換修復(fù),除了要安全可靠、有效之外,還要滿足交通運(yùn)輸?shù)男枰?在不中斷或盡量縮短中斷交通的時(shí)間中完成，因此城市軌道交通支座更換基本利用夜間有限停運(yùn)時(shí)間完成。同步頂升是目前使用最多的支座更換技術(shù),主要原理是通過(guò)同步控制千斤頂對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)安全頂升。

對(duì)同步頂升施工工藝與施工技術(shù)研討的文獻(xiàn)較多[1-3],李鋒丹[4]對(duì)同步頂升更換支座的過(guò)程進(jìn)行了模擬及效果分析，陳葉[5]對(duì)混凝土橋更換支座施工中結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，但對(duì)城市軌道交通橋梁同步頂升過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力分析檢算的研究較少，因?yàn)橐獎(jiǎng)訕蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu),存在軌道恢復(fù)時(shí)間、線位問(wèn)題，同步頂升受力檢算分析就顯得尤為重要。本文結(jié)合工程實(shí)例，參考現(xiàn)行的《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]、TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[7]、TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]、《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009版)[9]，對(duì)城市軌道交通橋梁同步頂升過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力檢算進(jìn)行分析，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下實(shí)施支座更換修復(fù)。

1 依托工程概況

貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線場(chǎng)壩村雙線大橋30 m單線簡(jiǎn)支梁位于貴陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)清水江路站—小孟工業(yè)園站區(qū)間，本橋由并行的雙線橋漸變?yōu)樽笥覂煞鶈尉€橋梁，其中0號(hào)臺(tái)～5號(hào)墩之間為雙線橋，5號(hào)墩～9號(hào)臺(tái)之間為左右兩幅單線橋梁，本橋右線全長(zhǎng)292.06 m，左線全長(zhǎng)293.684 m。全橋孔跨樣式為(30+40+30)m雙線連續(xù)梁+2×30 m雙線簡(jiǎn)支梁+4×30 m單線簡(jiǎn)支梁。主要缺陷為10個(gè)盆式支座擺放方向與原設(shè)計(jì)方向不符，支座墊石完好，需重新定制異形支座替換錯(cuò)誤支座。在保證橋梁受力安全，又能夠有足夠的空間取出舊支座、達(dá)到更換支座的目的，通過(guò)對(duì)頂升過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，根據(jù)頂升位移與梁體混凝土最大拉應(yīng)力增量之間的關(guān)系，綜合比選后采用頂升8 mm作為合理的頂升位移。因此本文對(duì)梁體頂升8 mm時(shí)的線上結(jié)構(gòu)軌道梁、聲屏障進(jìn)行受力檢算分析，對(duì)1×30 m箱梁在頂梁工況下結(jié)構(gòu)受力、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋墩混凝土局部壓應(yīng)力進(jìn)行受力檢算分析。

2 主要荷載

2.1 主力

1)恒載：梁體自重γ取26.0 kN/m3；單線梁二期恒載(包括線路設(shè)備、隔聲屏障、管線及其支承設(shè)備、橋面防水及鋪裝層等設(shè)施荷載)按72.2 kN/m計(jì)算。

2)活載：設(shè)計(jì)豎向活載，采用B型車，車輛滿載荷載按軸重140 kN；列車豎向動(dòng)力作用、列車離心力等，按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算；人群荷載正線疏散平臺(tái)上的人群均布荷載5 kPa，主梁設(shè)計(jì)時(shí)人群荷載不與列車活載組合。

2.2 附加力

附加力主要有：列車制動(dòng)力或牽引力(按豎向靜活載的15%計(jì)算，當(dāng)其與離心力同時(shí)計(jì)算時(shí)按10%計(jì)算)；列車橫向搖擺力(作用于軌頂面，按相鄰兩節(jié)車四個(gè)軸重的15%計(jì)算)；風(fēng)力(貴陽(yáng)地區(qū)基本風(fēng)壓W0=500 Pa，梁上風(fēng)力按有聲屏障計(jì)算);溫度變化的作用力。

2.3 特殊荷載

特殊荷載主要考慮了無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌斷軌力(僅計(jì)一根長(zhǎng)鋼軌斷軌力)、列車撞擊力(撞擊力順行車方向采用1 000 kN，橫行車方向采用500 kN，作用于橋面以上1.20 m的高度處)、地震力(地震基本烈度6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g)、列車脫軌荷載。

2.4 荷載組合

1)主力：自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+活載+基礎(chǔ)沉降。

2)主力+附加力：主力+溫度變化+風(fēng)力+制動(dòng)力。

3)特殊荷載：恒載+列車脫軌荷載。

4)荷載組合分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合，按最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)特殊荷載進(jìn)行檢算。

3 梁體頂升8 mm時(shí)線上結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，線上主要設(shè)施有：線路設(shè)備、隔聲屏障、管線及其支承設(shè)備、橋面防水及鋪裝層等。其中橋梁頂升時(shí)對(duì)受力有影響的部位為線路設(shè)備。

3.1 軌道梁計(jì)算

橋梁頂起之前，需對(duì)軌道梁固定螺栓擰松，擰松范圍為伸縮縫兩側(cè)25個(gè)固定位置。

伸縮縫處梁端頂起8 mm時(shí)，軌道計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～圖4。

頂升8 mm時(shí)，軌道梁最大彎曲應(yīng)力為-14.6 MPa，遠(yuǎn)小于軌道彎曲應(yīng)力容許值472 MPa，軌道安全。

梁體頂升8 mm時(shí)，軌道最大剪切應(yīng)力為0.67 MPa，發(fā)生在未擰松螺栓處，其值遠(yuǎn)小于軌道剪切應(yīng)力472 MPa，軌道安全。

梁體頂升8 mm時(shí)，軌道最大變形為8 mm，由伸縮縫向兩側(cè)按拋物線過(guò)渡。

梁頂起時(shí)，最大上拔力為1.0 kN，發(fā)生在未擰松的第一處螺栓處，其值遠(yuǎn)小于螺栓抗拔力，軌道螺栓安全。

3.2 聲屏障計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，聲音屏障立桿為BH200×240×8×12 H型鋼，頂部小弧段及直段為BH200×200×8×12 H型鋼，橫向聯(lián)接桿為HC150×60×20×3槽鋼，在伸縮縫處立桿采用10號(hào)槽鋼設(shè)剪刀撐加強(qiáng)，立桿采用預(yù)埋鋼板與橋梁采用螺栓連接，桿件與桿件之間采用螺栓連接，介于鉸接與剛性連接之間，邊界條件采用半剛性連接，邊界條件模擬見(jiàn)圖5。

橋梁頂升作業(yè)時(shí)，耗時(shí)較短，故僅考慮基礎(chǔ)強(qiáng)制位移、結(jié)構(gòu)自重及屏障上相關(guān)板件，相關(guān)板件按每平方米50 kg計(jì)算。在主力組合下，分別對(duì)結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力、構(gòu)件壓彎應(yīng)力、構(gòu)件剪應(yīng)力、構(gòu)件變形進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6～圖9。

1)僅考慮強(qiáng)制位移單獨(dú)作用時(shí)，并將松開(kāi)螺栓時(shí)，聲屏障計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生附加應(yīng)力。

2)僅考慮強(qiáng)制位移單獨(dú)作用時(shí)，螺栓未松開(kāi)，聲屏障結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生附加應(yīng)力，最大值壓彎組合應(yīng)力為68.39 MPa<140 MPa。

3)在主力組合下，構(gòu)件最大壓彎組合應(yīng)力為63.33 MPa<140 MPa。

4)在主力組合下，構(gòu)件最大剪應(yīng)力為12.71 MPa<80 MPa。

5)強(qiáng)制位移處變形為8 mm，結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在結(jié)構(gòu)立桿中部，為8.77 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁體頂升時(shí)結(jié)構(gòu)受力及變形均滿足使用要求。

4 1×30 m簡(jiǎn)支箱梁計(jì)算

4.1 頂梁工況下混凝土局部受壓計(jì)算

梁體頂升時(shí)段選擇在凌晨12點(diǎn)至凌晨4點(diǎn)，故此時(shí)作用荷載僅為結(jié)構(gòu)自重及二期恒載。

原設(shè)計(jì)圖紙對(duì)恒載規(guī)定如下：

1)梁體自重：γ取26.0 kN/m3。

2)二期恒載：包括線路設(shè)備、隔聲屏障、管線及其支承設(shè)備、橋面防水及鋪裝層等設(shè)施荷載。單線梁二期恒載按72.2 kN/m計(jì)算。

根據(jù)原施工圖設(shè)計(jì)文件可知，因是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，梁體頂升8 mm對(duì)兩端支反力影響可忽略，可按相等考慮，單端支反力為2 624.6 kN。千斤頂布置時(shí)，使其與原設(shè)計(jì)支座形心線對(duì)齊，減小恒載在偏心作用下對(duì)橋墩的附加荷載，如圖10所示。

單側(cè)共設(shè)6個(gè)千斤頂工作，同步頂升時(shí)，單個(gè)千斤頂受力為：2 624.6/6=437.44 kN。

根據(jù)TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第3.1.4條，C35混凝土局部承壓容許應(yīng)力為9.4×β,C50混凝土局部承壓容許應(yīng)力為13.4×β。

根據(jù)TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[10]第3.1.5條，混凝土局部承壓應(yīng)力提高系數(shù)β應(yīng)按下式計(jì)算：

其中，d/2為圓形局部承壓面積Ac的圓心至構(gòu)件邊緣最小距離，此處取150 mm，千斤頂與千斤頂圓心之間最小距離為400 mm，則A=300×300=90 000 mm2。

則C35混凝土局部承壓應(yīng)力為：9.4×1.64=15.42 MPa。

C50混凝土局部承壓應(yīng)力為：13.4×1.64=21.98 MPa。

實(shí)際工作時(shí)，千斤底座較寬，千斤頂頂部采用墊鋼板工作，故實(shí)際受力小于計(jì)算值，頂升時(shí)結(jié)構(gòu)安全。

4.2 頂梁工況下橫梁框架結(jié)構(gòu)計(jì)算

在頂梁工況下停運(yùn)狀態(tài)橫梁框架建模進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)前述計(jì)算，恒載作用下單端支反力為2 624.6 kN，將其均布作用于橫梁上，則線荷載為2 624.6/6=437.4 kN/m，受力示意如圖12所示，計(jì)算模型如圖13所示。

計(jì)算得到與千斤頂作用處橫梁最大彎矩M=143.4 kN·m,計(jì)算結(jié)果如圖14，圖15所示。

將模擬計(jì)算得出的千斤頂作用處橫梁最大彎矩M=143.4 kN·m，按TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)橫梁框架底板混凝土壓應(yīng)力、裂縫及鋼筋拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.3 1×30 m梁體臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算

梁體頂升8 mm，拆除支座并安裝臨時(shí)支撐后落梁至原設(shè)計(jì)標(biāo)高，擰緊線上松解體系后軌道運(yùn)營(yíng)，臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)如圖16所示。臨時(shí)支撐布置時(shí)，使其與原設(shè)計(jì)支座形心線對(duì)齊，減小恒載在偏心作用下對(duì)橋墩的附加荷載，如圖17所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，主力組合=自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+活載+基礎(chǔ)沉降，(1)設(shè)計(jì)豎向活載：采用B型車，車輛滿載荷載按軸重140 kN，車輛軸距如圖18所示。

根據(jù)GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范10.3.4條：

列車豎向活載應(yīng)包括列車豎向靜活載及列車動(dòng)力作用，應(yīng)為列車豎向靜活載乘以動(dòng)力系數(shù)(1+μ)。μ應(yīng)按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10002.1鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范規(guī)定的值乘以0.8。

根據(jù)TB 10002—2017鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范第4.3.7條：

沖擊系數(shù)1+μ=1+0.8×α×6/(30+L)，其中，L為橋梁跨度,m；α=0.32×(3-h)2；h為橋頂填土厚度小于0.5 m時(shí)，取0.5，沖擊系數(shù)計(jì)算如下：

a=0.32×(3-0.5)2=0.32×2.52=2。

在主力荷載組合下，梁體支反力計(jì)算如圖19所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大反力為3 223.8 kN。

將其作用于臨時(shí)支撐上，臨時(shí)支撐最大壓應(yīng)力為-78.78 MPa<[σ]=135 MPa，滿足TB 10091—2017鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4.4 運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋墩混凝土局部壓應(yīng)力驗(yàn)算

單側(cè)共設(shè)4個(gè)臨時(shí)支撐工作，單個(gè)臨時(shí)支撐受力為：3 223.8/4=805.95 kN。

根據(jù)TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第3.1.5條，混凝土局部承壓應(yīng)力提高系數(shù)β應(yīng)按下式計(jì)算：

其中，Ac為局部承壓面積，Ac=300×300=90 000 mm2；A為計(jì)算底面積，千斤頂按第3.1.5條(如圖20所示)計(jì)算。

其中，c為局部承壓面積Ac邊緣最小距離，此處取50 mm，則A=(300+50×2)×(300+50×2)=160 000 mm2。

則C35混凝土局部承壓應(yīng)力為9.4×1.33=12.53 MPa,C50混凝土局部承壓應(yīng)力為13.4×1.33=17.86 MPa。

如前計(jì)算，單個(gè)臨時(shí)支撐壓力為3 223.8/4=805.95 kN，局部承壓面積為90 000 mm2。

該應(yīng)力小于規(guī)范對(duì)梁體混凝土局部承壓應(yīng)力容許值，亦小于橋墩混凝土局部承壓應(yīng)力容許值，故臨時(shí)支撐時(shí)，混凝土局部抗壓滿足規(guī)范要求。

4.5 上部結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

1)根據(jù)TB 10002—2017鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，自重工況及運(yùn)營(yíng)工況抗傾覆計(jì)算示意如圖21，圖22所示，風(fēng)荷載W=K1K2K3W0，根據(jù)規(guī)范與設(shè)計(jì)圖紙，其中K1取1.3，K2取1.0，K3取1.0，W0取500 Pa，作用于聲屏障上。

擊球的力量是指用拍擊球時(shí)給球的作用力大小，擊球力量的大小主要體現(xiàn)物體運(yùn)行的速度上。一個(gè)就是羽毛球面向球拍的飛行速度，另一個(gè)就是擊球者通過(guò)身體協(xié)調(diào)配合做出合理的蹬轉(zhuǎn)引拍揮拍鞭打動(dòng)作。而鞭打動(dòng)作的前期就是前臂的后回環(huán)引拍動(dòng)作。這里由于是以肩為軸所以要獲得高速要求肩關(guān)節(jié)要充分放松減少自身阻力。后期就是前臂向斜上鞭打到手腕閃動(dòng)動(dòng)作。這里是速度最快的部分需要手腕有好的爆發(fā)力才能快速閃動(dòng)賦予球較快的反彈速度。練習(xí)方法：相似動(dòng)作摸似練習(xí)法，如羽毛球擲高、擲遠(yuǎn)、擲準(zhǔn)，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)到的揮拍技術(shù)做出轉(zhuǎn)身鞭甩動(dòng)作有目的性地將羽毛球擲出，以此體驗(yàn)不同的動(dòng)作軌跡產(chǎn)生不同的效果。

2)自重工況下：

30 m跨內(nèi)橫向風(fēng)力為：H風(fēng)=1.3×1×1×500×8×30=156 000 Pa=156 kN。

M傾風(fēng)=156×5.8=904.8 kN·m。

綜上，M傾總=904.8 kN·m。

根據(jù)前述計(jì)算，恒載作用下支反力為2 624.6×2=5 249.2 kN。

M抗=5 249.2×0.345=1 811.0 kN·m。

M抗/M傾=3 133.8/904.8=2.0>1.3，則抗傾覆滿足規(guī)范要求。

3)運(yùn)營(yíng)工況下：

僅考慮四個(gè)臨時(shí)支撐受力，聲屏障按8 m高度計(jì)算，軌頂距梁頂按50 cm計(jì)算。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，單側(cè)軌道距臨時(shí)支撐0.6 m，上部結(jié)構(gòu)中心距臨時(shí)支撐0.6 m。

30 m橋跨總豎向靜活載為140×8=1 120 kN(按原設(shè)計(jì)圖紙軸重軸距圖計(jì)算)，則：M抗1=1 120×0.6=672 kN·m。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，列車橫向搖擺力作用于軌頂面，按相鄰兩節(jié)車四個(gè)軸重的15%計(jì)算。

H搖擺=140×4×0.15=84 kN。

M傾搖=84×(1.8+0.5)=193.2 kN·m。

則30 m跨內(nèi)橫向風(fēng)力為：

H風(fēng)=1.3×1×1×500×8×30=156 000 Pa=156 kN。

M傾風(fēng)=156×5.8=904.8 kN·m。

綜上，M傾總=M傾搖+M傾風(fēng)=193.2+904.8=1 098 kN·m。

根據(jù)前述計(jì)算，恒載作用下支反力為2 624.6×2=5 249.2 kN。

M抗2=5 249.2×0.6=3 149.5 kN·m，M抗總=M抗1+M抗2=672+3 149.5=3 821.5 kN·m。

有車時(shí)：M抗總/M傾總=3 821.5/1 098=3.48>1.3，則抗傾覆滿足要求。

無(wú)車時(shí)：M抗2/M傾風(fēng)=3 149.5/904.8=3.48>1.3，則抗傾覆滿足要求。

5 結(jié)論

針對(duì)城市軌道交通在不中斷交通的條件下采用同步頂升更換或修復(fù)支座，頂升8 mm施工更換或修復(fù)支座是安全可靠的。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施安排在夜間列車停運(yùn)時(shí)進(jìn)行，在頂升施工全過(guò)程，頂梁前軌道及接觸軌扣件放松、頂梁、落梁、 軌道扣件固定、軌道車壓道實(shí)施過(guò)程中未發(fā)生軌道梁、聲屏障破壞、混凝土開(kāi)裂等現(xiàn)象。

1)軌道交通的梁體頂升前需對(duì)線上結(jié)構(gòu)剛性體系松解，經(jīng)檢算，在松解部分軌道螺栓(擰松范圍為伸縮縫兩側(cè)25個(gè)固定位置)的前提下，軌道受力滿足規(guī)范要求。

2)聲屏障在梁體頂升過(guò)程中的影響：若松開(kāi)聲屏障螺栓，梁體頂升時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力沒(méi)有影響；若未松開(kāi)螺栓，結(jié)構(gòu)受力在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力遠(yuǎn)小于規(guī)范限值。

3)梁體頂升工況下，橋墩、上部結(jié)構(gòu)梁體局部應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4)為確保不中斷交通，需在臨時(shí)支撐體系下行車運(yùn)營(yíng)，通過(guò)受力檢算分析，在運(yùn)營(yíng)狀況下，上部結(jié)構(gòu)梁體局部應(yīng)力及抗傾覆均滿足規(guī)范要求。