大坡度寬斷面橋梁同步頂升全過程有限元分析

馬廣哲

摘? 要：橋梁頂升工程是指通過使用液壓或機(jī)械設(shè)備將橋梁升到一定高度，以便進(jìn)行維修、加固或更換橋梁部件的工程。以哈爾濱東三環(huán)某既有橋梁為例，應(yīng)用Midas-Civil有限元仿真模擬軟件，在施工前，通過對(duì)橋梁頂升全過程的仿真模擬分析，提前對(duì)危險(xiǎn)應(yīng)力進(jìn)行干預(yù)。該項(xiàng)目共6個(gè)工況，分析表明，在前3個(gè)工況的分析中，應(yīng)力均未超限，但在工況4下箱梁底板的拉應(yīng)力達(dá)到σmax=10.6 MPa>[σ]=3.0 MPa，超過相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。為此，在保證設(shè)計(jì)意圖的前提下，對(duì)設(shè)計(jì)給定的某幾個(gè)點(diǎn)位的頂升高度進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整后的拉應(yīng)力降至σmax=2.9 MPa<[σ]=3.0 MPa，滿足規(guī)范的要求，且在隨后2個(gè)工況下的施工中，均未再出現(xiàn)超出相關(guān)規(guī)范要求的應(yīng)力值。

關(guān)鍵詞：橋梁頂升工程；模擬；有限元分析；應(yīng)力；頂升高度

中圖分類號(hào)：U445.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）05-0048-04

Abstract： Bridge jacking project refers to the project of using hydraulic or mechanical equipment to raise the bridge to a certain height for maintenance， reinforcement or replacement of bridge parts. Taking an existing bridge in the East Third Ring Road of Harbin as an example， this paper applies the finite element simulation software Midas-Civil to intervene the dangerous stress in advance through the simulation analysis of the whole process of bridge jacking before construction. The project has six working conditions， and the analysis shows that in the first three working conditions， the stress does not exceed the limit， but under condition 4， the tensile stress of the bottom plate of the box girder reaches σmax=10.6 MPa > [σ] = 3.0 MPa， which exceeds the provisions of the relevant specifications. For this reason， on the premise of ensuring the design intention， the jacking height of some points given by the design is fine-tuned， and the adjusted tensile stress is reduced to σmax=2.9 MPa < [σ] = 3.0 MPa， which meets the requirements of the code， and the stress value that exceeds the requirements of the relevant code does not appear in the construction under the following two working conditions.

Keywords： bridge jacking engineering; simulation; finite element analysis; stress; jacking height

既有橋梁頂升改造是眾學(xué)者的一個(gè)研究熱點(diǎn)，潘文學(xué)等[1]系統(tǒng)地介紹了雙幅橋梁交替同步頂升工藝在施工過程中的方案選擇與確定、工作原理、工藝流程和施工操作方法等，為今后同類型工程提供技術(shù)參考經(jīng)驗(yàn)。李國(guó)雄[2]以某城市橋梁為例，在闡述橋梁概況及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜合板梁頂升法和蓋梁頂升法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出保留橋面鋪裝，頂升蓋梁并接高立柱后再頂升板梁、調(diào)換支座的施工方案。趙煥民[3]給出了連續(xù)梁整聯(lián)頂升復(fù)雜限位系統(tǒng)研究，具體給出橋臺(tái)、有抱梁柱處橋墩、無抱梁柱處橋墩的限位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)與簡(jiǎn)要的安裝敘述，并對(duì)限位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算。羅露露[4]以該工程為依托，研究混凝土連續(xù)箱梁在頂升過程中支撐體系的受力特征，運(yùn)用有限元分析軟件Midas Civil建立該橋的數(shù)值分析模型，模擬梁體頂升過程中鋼支撐受力模式，分析了4種工況下鋼支撐的整體受力性能和穩(wěn)定性能。劉美景等[5]基于某鐵路橋梁頂升施工圓形混凝土墩柱支座更換工程，提出了2種新型鋼抱箍連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析；利用ABAQUS軟件建立了2種節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確有限元模型，對(duì)鋼抱箍節(jié)點(diǎn)受力性能開展數(shù)值模擬分析，確保了2種新型節(jié)點(diǎn)的安全性。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鮮有學(xué)者對(duì)橋梁同步頂升的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬并給出全面分析，下面將就某一既有橋梁的頂升前、頂升中以及成橋后的橋梁整體受力狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)出現(xiàn)危險(xiǎn)拉應(yīng)力時(shí)做出的設(shè)計(jì)調(diào)整進(jìn)行了介紹，確保了施工的安全性。

1? 工程介紹

1.1? 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目源自哈爾濱東三環(huán)某既有橋梁，橋梁跨越的化工路（K39+965.867-K42+359.136段）是位于哈爾濱市東部的一條主干路，是哈爾濱市三環(huán)路的一部分。頂升橋梁工程南起先鋒路北側(cè)400 m處，跨越向化街和鐵路專用線后落地。橋梁起點(diǎn)樁號(hào)為K40+392.5，終點(diǎn)樁號(hào)為K40+812.5，橋梁全長(zhǎng)420 m。全橋均采用30 m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，每跨7片梁，單幅橋面寬度23 m，道路中心線為直線，改造前最大縱坡3.65%，最小縱坡3.5%。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橋面布置為：2×（0.5 m防撞欄+22.0 m行車道+0.5 m防撞欄）+1.0 m中央分隔帶=47 m，為雙向十二車道。根據(jù)伸縮縫布置情況，分為三跨一聯(lián)和四跨一聯(lián)2種型式。

1.2? 頂升設(shè)計(jì)總體改造方案

本方案僅對(duì)該項(xiàng)目的南側(cè)引橋進(jìn)行分析，南側(cè)引橋?yàn)?×30 m的簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)小箱梁，頂升方式為全橋同步頂升，橋梁設(shè)計(jì)頂升值及墩臺(tái)編號(hào)等相關(guān)參數(shù)如圖1所示。在頂升過程中，小箱梁不做處理保留原有結(jié)構(gòu)加以利用，PM291為原有橋臺(tái)結(jié)構(gòu)，在頂升前需要拆除并建議新的橋墩，而PM292～PM295無需拆除只需將橋墩接高即可。

4×30 m簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁頂升施工過程為：①拆除橋面附屬結(jié)構(gòu)→②安裝臨時(shí)限位及支撐結(jié)構(gòu)，箱梁頂板加固→③更換板式橡膠支座為球鉸滑動(dòng)支座→④試頂升成功后，控制頂升荷載為計(jì)算值的50%，切斷橋墩→⑤等角速度頂升至設(shè)計(jì)高度，頂升期間需要根據(jù)縱向變位調(diào)整橋梁縱向位移，并確保橋墩的垂直度。4×30 m聯(lián)橋梁原來為單坡結(jié)構(gòu)，調(diào)坡后變?yōu)閁型變坡橋梁，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，目的不僅是為了確保墩頂梁底混凝土的拉應(yīng)力不超規(guī)范要求，更要保證成橋線形的順暢。

2? 頂升施工過程仿真分析

2.1? 模型簡(jiǎn)介

應(yīng)用Midas-Civil有限元建模軟件進(jìn)行建模，在建模過程中，箱梁結(jié)構(gòu)、橫隔板、虛擬橫梁均采用梁?jiǎn)卧?。結(jié)構(gòu)自重通過調(diào)整密度使總重量與施工圖中工程量一致，未考慮橋梁結(jié)構(gòu)橫坡，僅考慮橋梁結(jié)構(gòu)的縱向3.65%的上坡。偏于安全考慮，建模中未考慮厚度為10 cm的C50防水混凝土橋面鋪裝對(duì)橋梁承載能力的有利作用，但其自重按照面荷載施加于箱梁結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧稀？紤]預(yù)應(yīng)力束的建模，預(yù)應(yīng)力束包含腹板束、底板束、頂板束，鋼束均為5Φs15.2公稱抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，錨下控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 MPa，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，考慮了24%預(yù)應(yīng)力損失后的錨下應(yīng)力為1 060 MPa。

2.2? 檢算工況

根據(jù)擬定的4×30 m箱梁頂升施工方案，按照下述6個(gè)主要工況對(duì)施工過程中箱梁的應(yīng)力進(jìn)行檢算。

工況1：老橋拆除橋面附屬結(jié)構(gòu)，箱梁在自持狀態(tài)下的應(yīng)力。

工況2：橋臺(tái)處支點(diǎn)向跨中偏置6 m狀態(tài)下的應(yīng)力。

工況3：橋臺(tái)支點(diǎn)內(nèi)偏6 m，每片箱梁頂板設(shè)3×120=360 kN碳纖維板預(yù)應(yīng)力。

工況4：內(nèi)偏6 m支承，按照設(shè)計(jì)值頂升狀態(tài)下的應(yīng)力。

工況5：內(nèi)偏6 m支承，調(diào)整頂升值，使得箱梁應(yīng)力不超限。

工況6：成橋狀態(tài)支承下，調(diào)整頂升值后，箱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

2.3? 仿真模擬結(jié)果

通過仿真模擬計(jì)算可以得到每個(gè)工況下頂?shù)装宓睦瓑簯?yīng)力值見表1?？芍诠r4“內(nèi)偏6 m支承，按照設(shè)計(jì)值頂升狀態(tài)下的應(yīng)力”下，小箱梁底板的最大應(yīng)力值高達(dá)σmax=10.6 MPa>[σ]=3.0 MPa，超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限值，在工況5對(duì)頂升值進(jìn)行調(diào)整后，使得箱梁的應(yīng)力達(dá)到了相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，并在工況6成橋以后，經(jīng)過模擬所得的應(yīng)力值也不超限。詳細(xì)分析如下。

工況4：內(nèi)偏6 m支承，按照設(shè)計(jì)值頂升狀態(tài)下的應(yīng)力。由圖2可知，箱梁頂板中ftmax=1.6 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.0 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，箱梁底板中ftmax=10.6 N/mm2>1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.2 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，超限應(yīng)力發(fā)生在圖2（b）所示位置。

工況5：內(nèi)偏6 m支承，調(diào)整頂升值，使得箱梁應(yīng)力不超限。頂升值調(diào)整情況見表2。對(duì)調(diào)整后的應(yīng)力進(jìn)行分析，由圖3可知，箱梁頂板中ftmax=1.6 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=10.9 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，箱梁底板中ftmax=2.9 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.2 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，調(diào)整后的應(yīng)力值符合相關(guān)規(guī)范要求。

工況6：成橋狀態(tài)支承下，調(diào)整頂升值后，箱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。對(duì)調(diào)整頂升值后的成橋狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬分析，由圖4可知，分析表明在箱梁頂板中可以得到ftmax=0.63 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=10.49 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，箱梁底板中可以得到ftmax=2.92 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=6.64 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，相關(guān)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3? 結(jié)論

本文對(duì)哈爾濱東三環(huán)某一大坡度寬斷面的既有橋梁進(jìn)行了全過程仿真模擬分析，主要得到以下結(jié)論。

1）正式頂升前，對(duì)橋梁進(jìn)行拆除附屬結(jié)構(gòu)處理、橋臺(tái)處支點(diǎn)向跨中偏置處理以及設(shè)碳纖維板處理后橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)良好，最大拉壓應(yīng)力分別為ftmax=2.2 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.6 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2）在按照設(shè)計(jì)值頂升以后，在頂升點(diǎn)位之上出現(xiàn)了危險(xiǎn)拉應(yīng)力ftmax=10.6 N/mm2>1.15[ftk]=3.0 N/mm2，超過了相關(guān)規(guī)范允許的限值，經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)頂升值微調(diào)之后最大拉應(yīng)力降至ftmax=2.9 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，在理論上達(dá)到了施工規(guī)范要求。

3）在進(jìn)行橋梁頂升值微調(diào)時(shí)，對(duì)PM292、PM293、PM294三個(gè)中間墩位頂升點(diǎn)進(jìn)行了微調(diào)，禁止對(duì)兩端接口進(jìn)行微調(diào)避免梁體對(duì)接不上，且微調(diào)時(shí)應(yīng)盡量多點(diǎn)位微調(diào)，避免只對(duì)1個(gè)點(diǎn)位微調(diào)從而造成梁體出現(xiàn)明顯的凹陷或凸鼓。

參考文獻(xiàn)：

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