橋梁大高度頂升施工有限元模擬與理論分析

王傳偉

(菏澤市建筑工程施工圖審查中心,山東 菏澤 274000)

交通擁堵是各個國家常見的問題,特別是在城市地區(qū),隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,道路上的車輛數(shù)量明顯增加。因此,為了解決交通擁堵問題,城市中建立了高架橋。部分高架橋建立時間已久,若進行拆除重建,就會造成經(jīng)濟損失和產(chǎn)生大量的二氧化碳排放。因此,需要對原有橋梁進行頂升[1-3],與新建橋梁進行對接實現(xiàn)車輛的通行,減輕交通擁堵。

目前,對于橋梁頂升的研究中,韓振勇[4]對天津市獅子林橋采用液壓同步頂升的方法進行了設(shè)計與分析,通過對頂升過程中的同步監(jiān)測,得到了可以將同步頂升方案應(yīng)用到舊橋的提升中。王守強等[5]對2聯(lián)大坡度橋梁進行了頂升計算與位移監(jiān)測,得到了垂直最大位移誤差不能超過0.88%,可以保證橋梁頂升過程中的安全,提出了一些保證措施。李明亮[6]對橋梁頂升過程中所需的墊塊進行了研究,墊塊的穩(wěn)定性對橋梁頂升的安全具有直接的影響,提出了隨動支撐墊塊,并以實際工程進行了驗證,明顯提高橋梁頂升的安全系數(shù)。研究人員對橋梁頂升的誤差和控制重點進行了分析,確定了橋梁頂升過程中需要對水平和豎向位移進行監(jiān)測,獲得最大位移誤差允許值為2 mm[7-8]。馬麟[9]采用Midas/Civil軟件對不同頂升工況進行分析,得到了在頂升過程中,應(yīng)減小對橋體的擾動,盡量控制頂升誤差在同一個位置上,可以提升橋梁頂升的安全。陳梁等[10]對采用ANSYS軟件對頂升過程進行有限元分析,為橋梁頂升施工監(jiān)控過程中的參數(shù)控制提供了理論依據(jù)。

本文對青島市遼陽路大坡度和超高度橋梁的頂升進行了研究,采用ANSYS軟件對鋼支撐進行了有限元分析,針對同步頂升工況下鋼支撐和橋梁的受力和變形,建立橋梁頂升有限元模型,提出了橋梁頂升施工的安全保證措施,為實際橋梁超高度頂升提供了借鑒依據(jù)。

1 工程概況

頂升段橋梁為4室預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁橋,如圖1(a)所示,橋?qū)?4.5 m,頂升長度為100(27+41+32) m,重量約為5 868.6 t,整體頂升高度為121.8 cm～579.8 cm,需要將頂升前的坡度0.64%變?yōu)轫斏蟮?.76%,如圖1(b)所示。頂升段橋梁一共有4個橋墩,分別為173—176,其中173號頂升高度為121.8 cm,174號為245.3 cm,175號為433.3 cm,176號為579.8 cm。

2 橋梁頂升施工方案

2.1 頂升技術(shù)原理

采用PLC同步頂升設(shè)備進行本項目施工,PLC液壓同步控制系統(tǒng)就是利用計算機技術(shù),通過計算機工控軟件來控制液壓泵站及其配置的液壓元件,通過計算機指令來控制液壓千斤頂,然后通過位移及力傳感器把液壓千斤壓力變化及頂升的距離反饋至計算機屏幕上,便于操作人員了解有關(guān)情況和及時調(diào)整。采用“整體同步頂升、分步到位”的頂升順序,首先以173號橋墩為中心進行等角度整體同步頂升,使174號橋墩先到達(dá)頂升高度,然后再以174號橋墩為中心頂升,使175號橋墩到達(dá)頂升高度,最終完成頂升。對原有支座進行鑿除,重新澆筑混凝土進行施工養(yǎng)護,達(dá)到設(shè)計強度之后,可進行降落千斤頂并拆除。

2.2 液壓千斤頂布置方案

為了保證頂升過程中的安全,在每個頂升液壓千斤頂旁安裝一個跟隨千斤頂,如圖2所示,千斤頂均倒裝在鋼支撐上,千斤頂選用帶機械鎖式液壓千斤頂,量程為300 t,頂部球頭轉(zhuǎn)角最大為5°,可以消除接觸面的偏角,確保千斤頂始終垂直支撐橋梁。千斤頂直接作用在分配梁上,可以避免頂升過程中集中力導(dǎo)致橋梁局部混凝土壓碎破壞的發(fā)生。頂升過程中一共使用36臺頂升液壓千斤頂和36臺跟隨千斤頂,橋梁總重約為5 868.6 t,液壓千斤頂可提供最大頂升力為10 800 t,接近頂升重量的2倍,安全系數(shù)滿足要求。

下部支撐體系由支撐鋼筒、交叉支撐以及水平連接桿等組成。每個墩柱頂升支撐的主體采用精加工φ609×16 mm圓鋼管作為支撐桿。水平連接桿采用方鋼管,交叉支撐采用C16a槽鋼,現(xiàn)場布置圖如圖3所示。

3 有限元模擬分析

3.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS軟件進行有限元建模分析,鋼支撐選用Beam188單元、橋梁和分配梁選用Solid185單元進行有限元模擬,詳細(xì)模型如圖4所示。

3.2 橋梁受力分析

從圖5橋梁在頂升過程中的應(yīng)力圖可以看出,在頂升過程中橋梁最大應(yīng)力發(fā)生在靠近175號橋墩兩側(cè)區(qū)域,橋面最大拉應(yīng)力為0.68 MPa,橋底面最大拉應(yīng)力為0.18 MPa,在頂升過程中橋梁整體受力均勻,但并未發(fā)生局部混凝土壓碎現(xiàn)象。

根據(jù)GB 50010—2015混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的鋼筋混凝土板抗沖切承載力應(yīng)符合式(1)規(guī)定:

F1≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0

(1)

取單位厚度進行驗算,保護層厚度取50 mm。

h0=1 000-50=950 mm

(2)

(3)

考慮到橋梁使用時間久遠(yuǎn),混凝土強度根據(jù)實際中回彈儀測出的強度,取平均值進行驗算,混凝土強度平均值為55 MPa。ft=1.96 N/mm2,σpc,m取最小值1.0 N/mm2。

μm=(600+950+800+950)×2=6 600 mm

(4)

(5)

(6)

根據(jù)規(guī)范中要求,η取η1和η2中最小的值,故取1.0。

F1≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0=(0.7×0.983×1.96+0.25×1)×1.0×6 600×950=1 002.4 t

(7)

由于橋梁板底部兩側(cè)鋼墊塊受力比較大,故取同步頂升時邊緣鋼墊塊進行抗沖切驗算,邊緣鋼墊塊受力最大為269.5 t<1 002.4 t,綜上,橋梁底板在同步頂升過程中滿足抗沖切要求。

3.3 分配梁受力分析

通過提取分配梁底部支座反力,如圖6所示,得到千斤頂受到的力最大為269.5 t,兩側(cè)千斤頂受到的力數(shù)值均大于中間千斤頂,且近似為對稱分布,千斤頂在橋梁頂升過程中可提供最大300 t的豎向力,未超出使用范圍。從圖7分配梁應(yīng)力云圖可以得到,分配梁受拉區(qū)位置靠兩端處,最大拉應(yīng)力為139 MPa,最大剪應(yīng)力62.2 MPa,最大豎向位移為3.653 mm,分配梁按鋼結(jié)構(gòu)梁的最大許用撓度計算,在撓度變形允許范圍內(nèi)。

為了保證分配梁達(dá)到頂升至最高位置時不出現(xiàn)破壞,就必須使分配梁的最大正應(yīng)力要低于材料的許用壓應(yīng)力值。用符號[δj]來表示,鋼材的許用壓應(yīng)力與許用拉應(yīng)力的關(guān)系:

[δj]=1.5～2.5[δs]/n

(8)

其中,δs為鋼材屈服強度;n為安全系數(shù),按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的要求,Q345安全系數(shù)取2.0,這里僅求鋼材最小許用壓應(yīng)力:

[δj]min=2.5×172.5=431.3 MPa

(9)

F=A×[δj]min=3 829.5 kN

(10)

因此,為保證分配梁在頂升至最高時不發(fā)生破壞,建議在實際頂升過程中分配梁承受最大豎向荷載不超過3 829.5 kN。

3.4 鋼支撐靜力分析

為了保證鋼支撐在頂升過程中的安全,需要對鋼支撐的強度和剛度進行分析,由于頂升橋段位于青島市,因此還需考慮風(fēng)荷載的影響。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的規(guī)定,青島基本風(fēng)壓值:10年一遇0.45 kN/m2;50年一遇0.60 kN/m2;100年一遇0.70 kN/m2。本文取百年一遇的風(fēng)壓值0.70 kN/m2作為驗算鋼支撐強度的外部荷載,頂升過程中下部鋼支撐受橋梁的豎向壓力和風(fēng)荷載共同作用,對鋼支撐進行靜力分析,限于篇幅有限,僅列舉了173號和176號鋼支撐應(yīng)力云圖,如圖8所示。

橋梁頂升中的鋼支撐采用的是Q345,屈服強度為345 MPa,因此Q345的安全系數(shù)n取1.6,則鋼材的許用拉應(yīng)力與屈服強度的關(guān)系為:

[δ]=δs/n

(11)

其中,[δ]為鋼材許用拉應(yīng)力;δs為屈服強度,由公式(11)得鋼材許用拉應(yīng)力215.6 MPa。當(dāng)桿內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點時,桿內(nèi)將發(fā)生明顯的塑性變形,過度的塑性變形和破壞是工程中所不允許的。因此,為了保證桿件在工作時不出現(xiàn)上述兩種情況,就必須使桿件最大拉應(yīng)力小于材料的許用壓應(yīng)力值。用符號δj來表示,鋼材的許用壓應(yīng)力與許用拉應(yīng)力的關(guān)系為:

[δj]=1.5～2.5[δ]

(12)

[δj]為鋼材許用壓應(yīng)力,由公式(12)得鋼材最小許用壓應(yīng)力為323.4 MPa。在頂升過程中,176號鋼支撐受力最大,因此最大壓應(yīng)力發(fā)生在176號鋼支撐,且最大壓應(yīng)力值為176 MPa<[δj]min=323.4 MPa,因此,各個鋼支撐的強度均滿足要求。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,高度50 m以下的鋼桿傾斜度應(yīng)小于10/1 000,因此本文鋼支撐最大允許位移為57 mm。鋼支撐的豎向最大位移發(fā)生在176號鋼支撐,且最大位移值為27.7 mm<57 mm,因此,鋼支撐的剛度滿足要求。綜上,鋼支撐的剛度和強度均滿足要求。

3.5 橋梁頂升抗滑移驗算

由于千斤頂在頂升橋梁過程中會使分配梁與千斤頂之間產(chǎn)生一個傾斜角,分配梁與千斤頂之間可能會發(fā)生側(cè)向滑動。因此,需要對千斤頂與分配梁之間的摩擦力與側(cè)向力進行驗算,如圖9所示,將橋梁和分配梁視為一個整體,選取頂升過程中坡度最大工況進行驗算。

對頂升段橋梁頂升最高的一端(176號墩)進行側(cè)向滑移驗算,其中F=784.1 t,F1為下滑力:

F1=F×sin3

(13)

f=μ×F×cos3

(14)

由式(13)可得橋梁頂升過程中產(chǎn)生的下滑力41.04 t,千斤頂與分配梁之間的靜摩擦系數(shù)取0.15,由式(14)可得最大靜摩擦力為117.45 t,最大靜摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下滑力,因此,滿足橋梁頂升過程中防止滑移的要求。

4 結(jié)論

通過使用ANSYS軟件建立橋梁頂升有限元模型,分析了本文所選擇的分配梁和鋼支撐的受力與變形,并對液壓千斤頂在頂升過程中的最不利位置進行了抗滑移驗算,提出了保證施工安全的措施。

1)通過對鋼支撐剛度、強度的研究與分析,得到鋼支撐最大壓應(yīng)力和位移均發(fā)生在176號鋼支撐,且最大壓應(yīng)力值為176 MPa,最大位移值為27.7 mm,均在允許范圍內(nèi)。因此鋼支撐的強度和剛度均滿足要求,且液壓千斤頂所提供的豎向支撐力遠(yuǎn)大于橋梁的自重,為了提高橋梁整體穩(wěn)定性,千斤頂應(yīng)保持勻速頂升。

2)通過對46號橋梁中頂升最高的一端進行抗滑移驗算,得到橋梁頂升過程中產(chǎn)生的下滑力為41.04 t,遠(yuǎn)小于最大靜摩擦力117.45 t。因此,滿足橋梁頂升過程中防止滑移的要求。

3)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在頂升過程中橋面和底部混凝土受到最大拉應(yīng)力為0.68 MPa,為了避免混凝土出現(xiàn)局部壓碎和開裂現(xiàn)象,應(yīng)保證千斤頂均勻頂升,且分配梁最大應(yīng)力發(fā)生在兩端位置處,在頂升過程中應(yīng)時刻檢測分配梁的應(yīng)力變化,防止兩端出現(xiàn)開裂或受到彎矩過大發(fā)生彎折。