連續(xù)梁橋在頂升施工條件下的數(shù)值模擬分析

徐健 張尚偉

摘 要：頂升條件下的連續(xù)梁橋受力體系復(fù)雜，選用合理的頂升工況可以減少同步頂升的橋墩及千斤頂數(shù)量、減少相關(guān)設(shè)備的使用，本文從力學(xué)分析計(jì)算的角度，以具體工程實(shí)例為背景，采用MADIS CIVIL有限元軟件建立了實(shí)體橋梁有限元計(jì)算模型，得出了不同頂升工況下連續(xù)梁橋的相關(guān)力學(xué)特性，并對(duì)不同頂升位移量條件下梁體的應(yīng)力、反力、位移的分布規(guī)律進(jìn)行了分析，以達(dá)到指導(dǎo)同類橋梁施工的目的。

關(guān)鍵詞：頂升;連續(xù)梁;力學(xué);受力特性

0 引言

頂升施工是目前橋梁更換支座所采取的主要施工方法，該施工方法應(yīng)用較為廣泛，已經(jīng)在各式橋梁的支座更換中得到了應(yīng)用于發(fā)展。頂升施工無需破壞橋梁結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響小，甚至可不中斷交通直接頂升施工。頂升施工方法中，最關(guān)鍵的是頂升量的選取，需要對(duì)橋梁的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究其應(yīng)力、反力、位移的分布規(guī)律，在不破壞橋梁主體結(jié)構(gòu)的前提下以便得出合理的頂升量值，從而選擇合理的頂升施工工藝。

1 工程概況

某跨線橋，六跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，跨徑布置為（42+54+54+54+54+42）m，設(shè)計(jì)荷載為汽-超20級(jí)，全寬16.5 m。該橋梁已運(yùn)營近30年，已經(jīng)有一定的病害產(chǎn)生，特別是橋梁支座系統(tǒng)，均已不同程度的損壞，且存在一定的橫向位移，需要對(duì)其支座系統(tǒng)進(jìn)行全面更換。

2 有限元計(jì)算模型的建立

采用MIDAS Civil有限元軟件建立支座更換計(jì)算模型，以主梁、橫隔板，現(xiàn)澆濕接縫為三維梁?jiǎn)卧?，? 163個(gè)單元，支座單元為受壓?jiǎn)卧?，?2個(gè)單元。在有限元計(jì)算中，重點(diǎn)模擬頂升工況對(duì)梁體的影響，并考慮了支座的彈性壓縮。

主體結(jié)構(gòu)按照平面桿系理論進(jìn)行建模，并經(jīng)過一定的簡(jiǎn)化，形成結(jié)構(gòu)離散模型。

3 有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

為了分析結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)受力性能，主要計(jì)算了承載能力極限狀態(tài)下，T梁在頂升作用下的抗彎承載力和T梁上下緣的應(yīng)力包絡(luò)圖。

3.1 計(jì)算結(jié)果

（1）抗彎承載能力計(jì)算。正常使用極限狀態(tài)下， T梁結(jié)構(gòu)最大正彎矩出現(xiàn)在跨中位置，彎矩值大小為17 652 kN.m，而結(jié)構(gòu)抗力大小為22 685 kN.m，高于計(jì)算彎矩值;T梁結(jié)構(gòu)最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支座位置，彎矩值大小為7 167.3 kN.m，而結(jié)構(gòu)抗力大小為12 089.6 kN.m，高于計(jì)算彎矩值，由此可以判定T梁結(jié)構(gòu)安全。（2）應(yīng)力計(jì)算。在縱向單點(diǎn)逐墩頂升，頂升量為20 mm狀態(tài)下， T梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在跨中位置，T梁上緣應(yīng)力大小為12.96 MPa，T梁下緣應(yīng)力大小為13.46 MPa，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大包絡(luò)值為23.1 MPa，T梁上下緣均高于計(jì)算應(yīng)力值，由此可以判定T梁結(jié)構(gòu)安全。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）正常使用極限狀態(tài)下，跨中截面的正彎矩值和支點(diǎn)截面的負(fù)彎矩值均較大。（2）頂升作用下，主要計(jì)算控制指標(biāo)為T梁上緣和下緣的最大應(yīng)力，在荷載作用下，連續(xù)梁跨中截面與支座截面為最不利位置，如果最不利位置的最大應(yīng)力均滿足要求，即T梁上緣和下緣的最大應(yīng)力滿足要求可以近似判定T梁結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

4 不同頂升工況下的T梁力學(xué)特性分析

（1）工況一：支座橫向同步頂升、縱向單點(diǎn)逐墩頂升，頂升量為20 mm。

在該工況下，頂升前主梁上最大拉應(yīng)力為2.05 MPa，最大壓應(yīng)力為9.6 MPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出，按工況一條件頂升20 mm高度時(shí)：1）在第三排支座位置，即全跨的中點(diǎn)位置處，T梁頂升后產(chǎn)生的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力都為最大，最大拉應(yīng)力變化為4.06 MPa，變化增長率達(dá)到98%，最大壓應(yīng)力變化為11.3 MPa，變化增長率達(dá)到17.7%，跨中位置為最不利位置。2）頂升工況一條件下，T梁結(jié)構(gòu)其它位置處的應(yīng)力變化相對(duì)較小，例如頂升第二排支座，頂升處的上下緣應(yīng)力增量為大，而第一排支座，下緣應(yīng)力增量則較小。相鄰墩頂上下緣應(yīng)力增量變化規(guī)律較為相似，隔跨墩頂上下緣應(yīng)力增量幾乎可以忽略不計(jì)。

（2）工況二：支座橫向同步頂升、縱向多支點(diǎn)逐墩頂升，頂升量為20 mm。

在全部支點(diǎn)同時(shí)頂升20 mm的工況條件下，橋面板的局部拉應(yīng)力增量較大，為了保證更換支座過程中的安全，需對(duì)全部支點(diǎn)同時(shí)頂升的方案作出優(yōu)化，為保證結(jié)構(gòu)上下緣應(yīng)力在結(jié)構(gòu)抗力范圍內(nèi)，按以下四種工況進(jìn)行應(yīng)力及位移的計(jì)算。

1）第一排支座頂20 mm，第二排支座頂10 mm;2）第一排支座頂10 mm，第二排支座頂20 mm，第三排支座頂10 mm;

3）第二排支座頂10 mm，第三排支座頂20 mm，第四排支座頂10 mm;4）第一排支座頂10 mm，第三排支座頂20 mm，第五排支座頂10 mm。

計(jì)算得出四種狀態(tài)的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力如表1所示。

混凝土強(qiáng)度值是判定頂升能否進(jìn)行的基礎(chǔ)指標(biāo)，表中混凝土應(yīng)力值均小于混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由此可以判定在進(jìn)行支座更換時(shí)，主梁結(jié)構(gòu)是安全的。第2條件主梁撓度最大，計(jì)算最大撓度為2.28 cm;第4條件主梁撓度最小，計(jì)算最大撓度為1.01 cm;

根據(jù)表1可以判定，應(yīng)按第一排、第三排、第五排的隔跨規(guī)律進(jìn)行頂升施工。

5 結(jié)論

（1）以實(shí)際工程為例，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)承載力和應(yīng)力進(jìn)行了分析，根據(jù)相關(guān)分析可以看出，跨中截面為最不利位置，應(yīng)作為重點(diǎn)控制，控制的相關(guān)指標(biāo)為T梁上下緣應(yīng)力;

（2）分析了逐墩頂升20 mm工況下上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，并對(duì)頂升方案進(jìn)行了優(yōu)化，在全跨的中點(diǎn)位置處，T梁頂升后產(chǎn)生的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力為最大，而其它位置處的應(yīng)力變化相對(duì)較小，隔跨墩頂上下緣應(yīng)力增量幾乎可以忽略不計(jì)。

（3）采用了多種頂升方法，從中選取了最優(yōu)化的隔跨頂升施工方法，即采用第一排、第三排、第五排的隔跨施工可以最大程度保證結(jié)構(gòu)安全。

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