简支变连续梁桥支座更换顶升方案对比及受力分析★

白杜娟

(陕西凯达公路桥梁工程建设有限公司，陕西西安 710068)

随着我国基础建设规模的不断扩大，高速公路建设总里程亦不断增加，先简支后连续的预应力混凝土小箱梁桥得到大范围应用。该桥型除了具有良好的整体性、高刚度、高抗扭性、可靠的横向连接、良好的结构耐久性等特点外，还能够适当降低梁高。桥梁支座是桥梁上部结构和下部结构的具有连接功能的结构部件，支座失效将会导致连续梁的梁体内产生的内力重分布，不能满足结构正常的工作状态的受力要求，从而影响桥梁结构的安全性。通过对支座的破坏形式的分析，得出引起支座失效的主要原因如下:

1)支座原材料存在质量问题;2)超载车辆对支座的破坏;3)未控制好支座垫石施工时的质量;4)梁顶板和底板在受弯和温度作用下导致纵横向应力分布不均。

桥梁支座在桥梁结构受力体系中具有承上启下的重要作用，因此当支座发生病害导致支座失效时应当对桥梁支座进行更换，而更换支座应当不改变桥梁结构原有的受力状态。桥梁结构的性能受到支座更换方案的影响，故更换方案应该与桥型相适应。现今对于由多片小箱梁组成的先简支后连续桥梁这一种新型桥型的支座更换的研究匮乏。因此，本文通过对重庆九谷冲大桥的支座更换来研究两种不同方案对结构性能的影响，对比选出较为合适方案，为以后同类型桥梁支座顶升更换提供参考价值。

1 工程依托

九谷冲大桥位于重庆绕城高速南段，按左右幅设计，中心桩号为K100+141，右幅中心桩号为K100+326。桥梁全长249.52 m，跨径总长:240.00 m，跨径组合为:2×(4×30.0 m);单幅桥面采用16.75m 宽度，采用0.5m(护栏)+15.75m(行车道)+0.5 m(护栏)的横向布置。

上部结构:采用先简支后连续小箱梁;板式橡胶支座。

下部结构:桥墩为双桩柱式、基础为桩基，桥台为U型桥台、基础为扩大基础。

九谷冲大桥立面图布置图及施工现场分别见图1～图3。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

图2 九谷冲大桥立面

图3 九谷冲大桥桥面

2 支座更换顶升方案

根据九谷冲大桥定期检测报告，该桥支座病害主要表现为以下几种类型:

1)支座脱空;2)支座异常变形;3)支座开裂;4)支座老化;5)箱梁底面不平整;6)支座上部局部呈现出深度压痕。支座上述病害已经严重影响了桥梁结构的承载能力极限状态和正常使用极限状态，通过评审会专家论证一致同意采用全桥更换支座的处理方案。根据支座顶升数量和顶升方式的不同，九谷冲大桥支座更换主要分为支座更换整体顶升和支座更换局部顶升两种方案。

2.1 支座更换整体顶升方案

一般而言，支座更换整体顶升施工流程如下:首先将桥梁整体顶升到达设计高度，箱梁的顶升行程以2 mm作一个行程运行，逐级逐渐顶升，相邻墩台之间行程差控制在不超过4 mm的范围内(经过计算分析，当相邻墩台间行程差超过5 mm时，这将会导致小箱梁的主梁在桥墩顶部位置开裂的现象)。箱梁顶升达到8 mm高度处(高度8mm是旧支座拆除新支座安装的最小高度);取出支座，搭设临时固定支架;安装更换新支座;在所有的支座安装完成后，拆除所有的临时固定支架;落架梁体:更换新支座，然后，梁体以与顶升梁相反的顺序连续下落。

九谷冲大桥支座更换整体顶升方案具体分为顶梁阶段与落梁阶段，其具体操作流程如下:

顶梁阶段:

1)4号墩顶升到达8 mm高度处，3号墩顶升到达4 mm高度处，将4号台已损坏支座拆除;

2)在4号墩位置临时固定支撑，3号墩顶升到达8 mm高度处，2号墩顶升到达4 mm高度处，将3号墩已损坏支座拆除。

3)在3号墩位置设置临时固定支撑，2号墩顶升到达8 mm高度处，1号墩顶升到达4 mm高度处，将2号墩已损坏支座拆除。

4)在2号墩位置设置临时固定支撑，1号墩顶升到达8 mm高度处，0号台顶升到达8 mm高度处，对1号墩、0号台已损坏支座拆除，并依此对所有桥梁墩台进行新支座的安装。

落梁阶段:

1)0号台直接降落8 mm至支座完全受力，1号墩先降落4 mm;

2)1号墩再降落4 mm至支座完全受力，2号墩先降落4 mm;

3)2号墩再降落4 mm至支座完全受力，3号墩先降落4 mm;

4)3号墩再降落4 mm至支座完全受力，4号墩直接降落8 mm至支座完全受力。

2.2 支座更换局部顶升方案

支座更换局部顶升方案与支座更换整体顶升方案施工过程不同:局部顶升方案是指将支座顶升至设计高程之后更换支座，并且在更换完成后落座，并依此在其他支座上执行相同的操作，并不需要全桥顶升到位后同时执行对支座的。箱梁的局部顶升和落架梁体的行程与整体顶升行程一致(按2 mm的单元行程运行，逐级控制顶升，控制相邻墩台间行程差异差不超过4 mm)。

关于局部顶升方案的具体施工顺序设置为:

1)将4号墩主梁顶升到达8 mm高度，3号墩顶升到达4 mm高度，将4号墩支座更换完成后降落4 mm高度;

2)3号墩再次从4 mm高度顶升达到8 mm高度，2号墩顶升达到4 mm高度，将3号墩的支座更换完成后降落4 mm高度，同时4号台再次降落4 mm高度;

3)2号墩再次从4 mm高度顶升达到8 mm高度，1号墩顶升达到4 mm高度，将2号墩的支座更换完成后降落4 mm高度，同时3号台再次降落4 mm高度;

4)1号墩再次从4 mm高度顶升达到8 mm高度，0号台主梁直接顶升达到8 mm高度，将1号墩及0号台支座更换完成后全部降落8 mm高度，最终完成全联支座更换。

3 有限元仿真模拟

本文运用有限元软件MIDAS/Civil建立关于全联整体空间的有限元模型(如图4所示)，通过预先设定每个施工阶段进行数值模拟及仿真分析。采用梁格法对桥梁上部结构进行建模，按照实际的工程概况对有限元模型的纵坡、横坡以及边界条件进行设置。模型中不考虑0号桥台的不均匀沉降，同时支座通过弹性连接的方式进行模拟。按照支座顶升方案，九谷冲大桥支座更换整体顶升和支座更换局部顶升分别建立八个施工阶段，其详细施工步骤如表1所示。

图4 M IDAS/Civil有限元模型图

表1 施工阶段划分

4 计算分析

通过运用MIDAS/Civil建立的有限元模型中对各个施工阶段进行数值模拟，分别得出关于整体顶升方案与局部顶升方案的各墩台顶剪力值(如表2，表3所示)。

表2 关于整体顶升方案中各墩(台)顶剪力 kN

表3 关于局部顶升方案中各墩(台)顶剪力 kN

为了更加直观地表示九谷冲大桥整体顶升方案与局部顶升方案对应的结构受力变化情况，将0号～4号桥墩/台处随施工阶段的进行受力变化幅度最大梁片对应墩顶剪力、跨中弯矩以及墩顶弯矩值与CS0初始状态比值如图5～图7所示。

图5 墩顶剪力变化幅值

图6 跨中弯矩变化幅值

图7 墩顶弯矩变化幅值

根据表2，表3以及图5～图7可知:

1)整体顶升方案与局部顶升方案均会对小箱梁墩顶和跨中处弯矩产生较大影响，而对墩顶剪力影响程度较小。

2)对于支座更换整体顶升方案，在CS7中的1号墩墩顶处的墩顶剪力最大，相较于顶升前提高了0.22%;墩顶处的墩顶弯矩变化幅值最大发生在3号墩，为2.93%;变化幅值最大，提高了6.98%。

3)对于支座更换局部顶升方案，在CS5中的2号墩墩顶处的墩顶剪力最大，相较于顶升前提高了0.40%;3号墩墩顶处的墩顶弯矩最大，相较于顶升前提高了6.10%;第二跨梁片跨中弯矩最大，相较于顶升前提高了11.55%。

通过上述分析可以得出各个墩台的支座顶升最大限值设为8 mm是合理的，同时整体顶升方案在墩顶剪力、跨中弯矩和墩顶弯矩变化幅值方面相比局部顶升受力更合理。

5 结语

为了选择简支变连续梁桥支座更换顶升合理方案并且研究顶升施工过程结构受力状况，本文以九谷冲大桥4×30.0 m支座顶升更换为工程依托，详细介绍了支座更换整体顶升方案和支座更换局部顶升方案，基于有限元软件MIDAS/Civil建立关于全联整体空间的有限元模型对顶升过程墩顶剪力、跨中弯矩和墩顶弯矩等进行了对比分析。研究结果表明:

1)各墩台支座顶升最大行程宜取8 mm，此时能够满足支座更换的空间要求和结构受力要求;

2)从结构受力角度分析，在两种顶升方案中，整体顶升方案的墩顶弯矩、剪力及跨中弯矩方面变化小于局部顶升方案，通过比较发现整体顶升方案更具有优势。

3)虽然在两种方案中小箱梁的墩顶及跨中弯矩在顶升过程中增加较多，但只要控制载荷不超过桥梁的顶升限值，该桥并不会出现裂缝，该桥结构上是安全的。

九谷冲大桥支座更换整体顶升方案的顺利实施可为同类型桥梁顺利更换支座提供参考意义。