曲線橋梁爬移復(fù)位受力性能分析

吳 焱，吳佳佳

（1.山西省交通運(yùn)輸安全應(yīng)急保障技術(shù)中心（有限公司），山西太原 030006；2.山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

曲線橋梁美觀、適應(yīng)性好，廣泛應(yīng)用于高速公路橋梁和城市立交橋。部分橋梁由于曲率半徑小、長(zhǎng)聯(lián)多孔、溫度效應(yīng)、伸縮縫堵塞卡死等因素耦合，運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)了梁體橫向爬移等病害[1-2]，甚至導(dǎo)致外側(cè)擋塊擠壓破壞，嚴(yán)重影響橋梁安全運(yùn)營(yíng)。橋梁爬移復(fù)位普遍采用豎向頂升與水平頂推相結(jié)合，施工過(guò)程中如何避免橋梁二次損傷是技術(shù)人員面臨的首要難題。陳亮[3]等研究了立交橋梁體偏位成因分析并針對(duì)依托工程提出了維修加固措施。程海潛[4]等研究了橋梁整體頂升平移復(fù)位施工技術(shù)，驗(yàn)證了其工程可行性。本文開(kāi)展了曲線橋梁橫向爬移頂升復(fù)位過(guò)程中梁體的受力性能研究，提出適用于曲線橋梁梁體復(fù)位的合理施工方案。

2 曲線橋梁豎向頂升方法研究

某單箱單室梁橋，橋面總寬10.8 m，跨徑分布為4×20 m，橋墩編號(hào)為0～4 號(hào)墩，其中1～3 號(hào)墩為獨(dú)柱墩。橋梁關(guān)鍵測(cè)試斷面如圖1 所示。

圖1 橋梁關(guān)鍵斷面（單位：m）

2.1 曲率半徑對(duì)橋梁頂升受力性能影響

橋梁豎向頂升常用的方法有單墩頂升、多墩同步頂升、多墩非同步頂升。在保證對(duì)稱頂升的前提下，根據(jù)中間墩頂升高度的不同設(shè)計(jì)豎向頂升施工方案如表1。為研究曲率半徑變化對(duì)曲線橋梁豎向頂升施工時(shí)受力性能的影響，分別建立曲率半徑75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m 的橋梁有限元模型，如圖2，橋梁豎向頂升通過(guò)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移模擬。

表1 不同施工方案的豎向頂升高度 單位：mm

圖2 橋梁有限元模型

不同施工方案及曲率半徑對(duì)應(yīng)橋梁關(guān)鍵斷面底面的應(yīng)力（拉正壓負(fù)）如圖3。

圖3 各頂升施工方案關(guān)鍵斷面應(yīng)力

由圖3 可知，不同曲率半徑下橋梁采用同一種豎向頂升方案施工時(shí)應(yīng)力離散性較??；單墩頂升、多墩非同步頂升、多墩同步頂升施工時(shí)不同曲率半徑橋梁的應(yīng)力最大差異分別為3.8%、5.7%、10.0%，因此曲率半徑對(duì)橋梁豎向頂升施工的作用效應(yīng)影響有限；不同曲率半徑橋梁分別采用不同施工方案進(jìn)行豎向頂升施工，最大（小）應(yīng)力均為2 號(hào)、4 號(hào)截面，即豎向頂升施工時(shí)墩頂截面作用效應(yīng)最大，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)其應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

2.2 不同頂升方案對(duì)橋梁受力性能影響

選取曲率半徑1 000 m 的橋梁作為研究對(duì)象，進(jìn)一步研究采用不同豎向頂升施工方案時(shí)橋梁的受力性能，根據(jù)1 號(hào)墩（3 號(hào)墩）與2 號(hào)墩的頂升高度比值的不同，設(shè)計(jì)5 種頂升施工方案如表2。

表2 不同施工方案的豎向頂升高度 單位：mm

分別建立有限元模型對(duì)各施工方案進(jìn)行分析，橋梁關(guān)鍵斷面底面應(yīng)力見(jiàn)圖4。結(jié)果表明，采用方案一施工，橋梁縱向全長(zhǎng)范圍內(nèi)梁體應(yīng)力均最大，因此不建議采用單墩頂升；多墩頂升施工時(shí)方案四產(chǎn)生的梁體應(yīng)力最小，最大壓應(yīng)力為0.36 MPa，且橋梁全長(zhǎng)范圍內(nèi)梁底均為壓應(yīng)力；方案三與方案五次之，最大壓應(yīng)力分別為0.72 MPa 和0.86 MPa；方案二產(chǎn)生的應(yīng)力較大，最大壓應(yīng)力為1.11 MPa。因此，采用方案四施工梁體作用效應(yīng)最小，有利于保證施工安全。

圖4 各豎向頂升施工方案的梁體應(yīng)力對(duì)比

3 曲線橋梁水平頂推方法研究

分別采用單墩徑向頂推（1號(hào)墩）、整體徑向頂推、整體垂直弦向頂推的施工方式，將曲率半徑75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m 的橋梁向曲線外側(cè)頂推5 mm，繪制水平頂推施工時(shí)橋梁曲線外側(cè)底面的應(yīng)力如圖5。需要說(shuō)明的是，梁體水平方向的截面特性對(duì)稱，即水平頂推施工曲線內(nèi)外側(cè)截面的應(yīng)力絕對(duì)值是相等的，因此可取絕對(duì)值作為施工的最大拉應(yīng)力。

圖5 不同曲率半徑橋梁頂推施工的梁體應(yīng)力

由圖5 可知，不同曲率半徑橋梁采用同一種施工方案頂推復(fù)位施工時(shí)梁體的總體受力趨勢(shì)基本一致；單墩頂推施工應(yīng)力最大，最大應(yīng)力位于頂推墩，為3.45 MPa，且梁體其他部位的應(yīng)力均大于其他兩種施工方案，應(yīng)力集中明顯；整體垂直弦向頂推與整體徑向頂推施工最大應(yīng)力均位于跨中，分別為0.65 MPa、0.20 MPa，墩頂應(yīng)力較??；整體垂直弦向頂推施工應(yīng)力最小，安全風(fēng)險(xiǎn)最低。

綜上，單墩頂推施工作業(yè)周期長(zhǎng)，且作用效應(yīng)較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，因此不建議采用；整體垂直弦向頂推與整體徑向頂推施工作業(yè)周期短，安全風(fēng)險(xiǎn)低，且整體垂直弦向頂推作用效應(yīng)最小，為優(yōu)選施工方案；為掌握施工過(guò)程中梁體實(shí)際受力情況，精準(zhǔn)控制施工進(jìn)度，應(yīng)加強(qiáng)跨中應(yīng)力及墩頂位移監(jiān)測(cè)。

進(jìn)一步繪制整體垂直弦向頂推與整體徑向頂推施工跨中截面應(yīng)力隨曲率半徑的變化曲線如圖6，可以發(fā)現(xiàn)，梁體的跨中截面應(yīng)力隨曲率半徑的增大而減小，曲率半徑大于300 m 時(shí)，兩種施工方案的應(yīng)力趨于平穩(wěn)，且基本一致，最大應(yīng)力差僅為0.2 MPa。因此，曲率半徑大于300 m 時(shí)，整體徑向頂推也可作為推薦施工方案。

圖6 水平頂推施工關(guān)鍵斷面應(yīng)力隨曲率半徑的變化

4 復(fù)位實(shí)施

a）施工準(zhǔn)備 存在影響結(jié)構(gòu)安全的病害時(shí)應(yīng)先對(duì)病害進(jìn)行處理后方可進(jìn)行梁體復(fù)位施工。梁體復(fù)位施工應(yīng)解除伸縮縫等橋梁縱向連接，清除伸縮縫及梁端間混凝土棄渣；并在擋塊與主梁之間塞木板或鋼板，作為限位控制裝置。

b）頂升設(shè)備安裝 千斤頂安放位置應(yīng)打磨平整，并加墊20 mm 厚鋼板，以避免局部應(yīng)力集中。為保證頂升過(guò)程中的梁體安全，應(yīng)在頂升點(diǎn)安裝位移監(jiān)測(cè)裝置；根據(jù)工程實(shí)際情況選取關(guān)鍵斷面全過(guò)程監(jiān)測(cè)梁體應(yīng)變，掌握施工過(guò)程中梁體受力性能。

c）整體頂升 首先進(jìn)行試頂加載，頂至主梁脫空2～5 mm 時(shí)停止，穩(wěn)定5～10 min 并進(jìn)行觀察，無(wú)任何異常后方可開(kāi)始整體頂升。所有千斤頂按設(shè)計(jì)的行程同步緩慢分級(jí)頂升，梁體每上升5 mm 為一級(jí)，梁體升高不得超過(guò)10 mm。頂升到預(yù)定高度后，鎖定千斤頂保護(hù)環(huán)。

d）更換頂推臨時(shí)支座 在梁體頂升至預(yù)定高度后，取出舊支座，在墊石頂面粘貼臨時(shí)鏡面不銹鋼板，安裝聚四氟乙烯滑板支座，安裝時(shí)應(yīng)將四氟板滑動(dòng)面朝下。

e）卸載落梁 解除千斤頂保護(hù)環(huán)，與分級(jí)加載的順序相反分級(jí)卸載。落梁過(guò)程與頂升過(guò)程控制要求相同，要求同步、緩慢分級(jí)卸載。

f）頂推復(fù)位設(shè)備安裝 在端橫梁、現(xiàn)澆中橫梁及蓋梁上，安裝反力架?？紤]到蓋梁頂橫坡影響，反力架底部加墊楔形鋼板找平。千斤頂安裝時(shí)著力方向應(yīng)與設(shè)計(jì)頂推方向一致。并根據(jù)頂升設(shè)備安裝步驟安裝位移、壓力等監(jiān)控設(shè)備。

g）梁體頂推復(fù)位 所有千斤頂緩慢分級(jí)頂進(jìn)，千斤頂必須按設(shè)計(jì)的行程同步頂進(jìn)，應(yīng)控制復(fù)位速度在1 mm/min 左右。

h）更換永久支座 與更換臨時(shí)支座步驟相同，應(yīng)注意及時(shí)拆除墊石頂鏡面不銹鋼鋼板。

i）新增或修復(fù)擋塊 橋梁頂升復(fù)位后，對(duì)橋梁原有限位設(shè)施進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)工程實(shí)際情況可考慮新增、修復(fù)擋塊等限位措施，擋塊內(nèi)側(cè)應(yīng)安裝抗震橡膠墊塊。

j）梁體頂升復(fù)位施工應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施過(guò)程監(jiān)控，梁體如有異常必須立即停止施工，查找原因，消除隱患后方可繼續(xù)頂升梁體。

5 結(jié)論

通過(guò)有限元分析了曲線橋梁頂升復(fù)位梁體的受力性能，結(jié)論如下：

a）曲率半徑對(duì)橋梁豎向頂升的受力性能影響有限；不同曲率半徑橋梁水平頂推復(fù)位施工時(shí)梁體的總體受力趨勢(shì)基本一致，梁體應(yīng)力隨曲率半徑的增大而減小。

b）豎向頂升施工，次邊墩與中墩的頂升量為7 mm、10 mm 時(shí)應(yīng)力最小，為優(yōu)選頂升方案，施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)連續(xù)墩處的應(yīng)力及位移監(jiān)測(cè)。

c）水平頂推復(fù)位施工，整體垂直弦向頂推最大應(yīng)力位于跨中，施工應(yīng)力最小，為優(yōu)選方案，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)跨中應(yīng)力及兩端位移監(jiān)測(cè)。曲率半徑大于300 m時(shí)，整體徑向頂推與整體垂直弦向頂推施工應(yīng)力相差不大，可作為推薦方案。

d）提出曲線橋梁復(fù)位實(shí)施步驟及技術(shù)要點(diǎn)。