青岛市辽阳路梁桥同步顶升施工仿真分析★

2023-01-28宋振浩马振芳

山西建筑 2023年2期

宋振浩，马振芳，陈俊，胡欣

（1.湖北楚天联发路桥养护有限公司，湖北武汉 430000； 2.武汉交通职业学院，湖北武汉 430065）

随着经济的快速发展，很多既有的城市桥梁无法满足日益增加的交通需求，同步顶升技术越来越多的应用到城市旧桥改扩建工程中。同步顶升技术是在桥梁结构受力分析的基础之上，结合桥梁本身的状况，利用多点同步顶升PLC液压控制系统，输入位移控制信号，输出油量控制信号，控制梁下的多组千斤顶按照设计要求完成桥梁的顶升［1-2］。这项施工技术与其他桥梁改造技术相比，表现出非常突出的优点：对周围的干扰少；不需征地拆迁或占用大量的施工场地；缩短施工周期；避免重复投资，具有良好的社会和经济效益，特别避免了对旧桥拆除的噪声、扬尘、固体废弃物污染［3-4］。然而目前对同步顶升技术的研究主要集中在顶升施工工艺和施工技术的探讨［5-9］，对城市桥梁同步顶升施工过程中受力状态的分析却并不多。在顶升过程中要避免对旧桥带来不利的影响，在顶升前先对旧桥进行顶升过程中的受力分析显得尤为重要。本文结合工程实例，运用MIDAS软件，并参照JTG 3362—2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［10］、GB 50017—2017钢结构设计规范［11］对城市高架桥梁整体同步顶升过程中的受力进行了分析，以确保桥梁在顶升施工过程中的安全。

1 工程概况

辽阳路（南京路—福州路）工程位于青岛市市北区辽阳路，桥梁主桥桥宽25 m，共8联，总长849 m。桥梁西接杭鞍高架路47号桥，向东跨过南京路、吴兴路、绍兴路后落地。本次需通过顶升实现体系转换的桥梁为原杭鞍46号、47号主线桥，其顶升段现场平面如图1所示。

图1 主线桥梁顶升段现场平面图

原杭鞍高架二期46号、47号桥，位于同一纵向轴线上，通过顶升需将桥梁纵坡i由顶升前的1.6%～3%下坡变为顶升后的2.76%上坡，桥梁顶升高度65.5 cm～579.8 cm，顶升前后位置关系如图2所示。

图2 顶升前后位置关系对照示意图

46号顶升桥梁跨径为（32+27）m，质量约2 880.4 t，47号跨径为（27+41+32）m，质量约4 408 t。上部结构均为预应力混凝土连续箱梁。下部结构范围171号～176号桥墩及基础，桥墩均采用八角形桥墩，基础采用扩大基础。46号、47号桥梁顶升概况见表1。

表1 46号、47号桥梁顶升概况表

2 有限元仿真分析

2.1 模型建立和单元划分

利用MIDAS/Civil V2020对32 m+27 m，27 m+41 m+32 m跨径连续箱梁桥进行建模计算。为了能准确反映结构整体的受力性能，采用梁格法进行建模计算分析，并考虑梁体截面的变化。结合实际施工状态，结构在建模时，将上部箱梁结构与分配梁进行刚性连接，并分别建立了中横梁、端横梁的结构模型。下面以46号桥为例，其计算模型如图3所示。

图3 46号桥计算模型

2.2 荷载条件及计算工况的选取

2.2.1 荷载条件

结合前期的调研和46号、47号桥梁结构的现状，在对模型进行加载时主要考虑四种荷载对桥梁顶升的影响，分别为：桥梁自重；混凝土收缩徐变；纵向预应力；横向预应力。

1）自重。

桥梁自重：箱梁混凝土为C55，按毛截面面积计算梁体纵向受力部分的自重，其中混凝土容重取26 kN/m3，弹性模量为3.55×104MPa。横梁以横向梁单元的方式自动计算。

桥面附属自重：防撞墙、桥面铺装按实际荷载以均布力的形式施加。

2）混凝土收缩徐变。

在施工过程中桥梁整体结构受力体系发生转换，混凝土徐变对结构产生的效应按照规范（JTG 3362—2018）第4.3.8，4.3.9条计算，收缩徐变引起的预应力损失按照规范（JTG 3362—2018）第6.2.7条计算。

3）纵向预应力。

纵向预应力采用s15.20钢绞线，弹性模量为1.95×105MPa。s15.20钢绞线锚下张拉控制应力1 340 MPa。

4）横向预应力。

横向预应力采用s15.20钢绞线，弹性模量为1.95×105MPa。s15.20钢绞线锚下张拉控制应力：173号墩横梁为1 180 MPa，176号墩横梁为1 280 MPa，中横梁为1 340 MPa。

2.2.2 计算工况的选取

为了确保46号、47号桥梁顶升施工的安全性，在建模计算前，分析了桥梁顶升过程中最可能出现的8种不利工况，加上正常顶升施工阶段，一共选取了9种工况，以验算梁体主要构件、分配梁的结构安全度，确保后续顶升施工的安全性。

正常顶升施工阶段是指不出现设备故障等不利情况下的桥梁整体同步顶升施工。在正常顶升过程中，按照施工设计将施工阶段的受力分析划分为3个施工阶段：阶段1：包括施加预应力、施加桥面附属荷载在内的全桥浇筑阶段；阶段2：考虑结构混凝土十年收缩与徐变；阶段3：施加顶升力、拆除旧支座。

不利工况是指在桥梁顶升施工过程中发生了顶升不同步或者千斤顶失效的情况。根据本工程项目的实际情况，确定了如下八种不利工况，其中46号桥对应171号和172号墩，47号桥对应173号和174号墩，171号、173号墩为交界墩，172号、174号墩为中墩：

不利工况一：交界墩相对其他桥墩产生1 cm的下降；不利工况二：中墩相对其他桥墩产生1 cm的下降；不利工况三：交界墩一个中千斤顶失效，其余正常运作；不利工况四：交界墩一个次中千斤顶失效，其余正常运作；不利工况五：交界墩一个边千斤顶失效，其余正常运作；不利工况六：中墩一个中千斤顶失效，其余正常运作；不利工况七：中墩一个次中千斤顶失效，其余正常运作；不利工况八：中墩一个边千斤顶失效，其余正常运作。

2.3 应力控制标准

2.3.1 预应力混凝土结构应力控制标准

46号、47号桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁结构，应按预应力混凝土受弯构件控制，构件应满足规范（JTG 3362—2018）第7.2.8条对预应力混凝土受弯构件的相关要求。

2.3.2 钢结构应力控制

顶升过程中的分配梁采用Q355钢，应满足GB 50017—2017钢结构设计规范中第4.4.1的要求。

2.4 有限元分析

2.4.1 46号桥梁顶升有限元分析

1）正常顶升施工阶段计算分析。

正常顶升施工阶段中第一阶段和第二阶段仅对原有桥梁进行处理，并未改变桥梁支承体系，故这两个阶段仅需计算主梁在不同受力状态下的应力分布情况。第三个阶段为拆除原有支座，加千斤顶（千斤顶固定在分配梁上），由千斤顶代替桥梁原有支承体系对桥梁进行顶升，在进行受力分析的时候，除了考虑主梁的受力情况，还需考虑横梁及分配梁的受力情况。具体建模计算分析如下：

a.阶段1：包括施加预应力、施加桥面附属荷载在内的全桥浇筑阶段，主梁结构上缘和下缘的应力分布见图4。

图4主梁应力图(一)

通过应力分析，主梁在这个阶段产生的最大压应力8.7 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，最大拉应力0.6 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa，均满足规范（JTG 3362—2018）对预应力混凝土受弯构件的相关要求。

b.阶段2：在荷载中考虑10 a混凝土的收缩与徐变对结构的影响，主梁上缘、下缘的应力分布如图5所示。

图5主梁应力图(二)

通过分析，主梁在这个阶段产生的最大拉应力0.6 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa，最大压应力7.9 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，满足规范（JTG 3362—2018）对预应力混凝土受弯构件的相关要求。

c.阶段3：施加顶升力、拆除旧支座。主梁、横梁、分配梁结构上、下缘的拉、压应力分布图如图6～图8所示；分配梁的剪应力分布图和挠度变形图如图9，图10所示。

图6主梁应力图(三)

图7分配梁应力图(一)

图8 横梁应力图

图10 分配梁挠度变形图

通过分析，主梁在这个阶段产生的最大拉应力2.4 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa；最大压应力8.7 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，满足规范（JTG 3362—2018）对预应力混凝土受弯构件的相关要求。

图9分配梁剪应力图(二)

分配梁在这个阶段产生的最大拉应力126.4 MPa，最大压应力为111.4 MPa，均小于295 MPa；最大剪应力为84.9 MPa＜170 MPa，满足规范（GB 50017—2017）的要求。最大挠度变形为3.5 mm。

横梁在这个阶段产生的最大拉应力3.0 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa，最大压应力10.0 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，满足规范（JTG 3362—2018）对预应力混凝土受弯构件的相关要求。

2）各不利工况下顶升过程计算分析。

46号桥的八种不利工况均按照上述1）中所列正常施工阶段3（顶升阶段）进行受力分析，对主梁、横梁的上、下缘应力，分配梁的上、下缘应力、剪应力进行了分析。为节约篇幅，本文不在列出每个工况的应力图。各工况下最大的应力计算结果如图11所示，图11中加圆点的水平直线为按照2.3应力控制标准计算出的极限值。其中主梁和横梁的最大拉应力极限值为3.2 MPa，最大压应力的极限值为24.85 MPa，分配梁的最大拉、压应力极限值为295 MPa，最大剪应力的极限值170 MPa。

图11 46号桥梁八种不利工况下的最大应力分布图

根据图11可知，八种不利工况的最大应力值如表2所示。将其与规范计算的极限值进行对比分析可见：主梁、横梁的最大拉应力和最大压应力均小于规范计算的极限值，满足规范（JTG 3362—2018）对预应力混凝土受弯构件的相关要求。分配梁的最大拉压应力及剪应力均小于规范计算的极限值，满足规范（GB 50017—2017）对钢结构的相关要求。

表2 46号桥八种不利工况下计算应力最大值MPa

2.4.2 47号桥梁有限元分析

47号桥有限元分析过程与46号桥完全一样，故不再一一列出各种工况下主梁、横梁及分配梁的应力图，仅提取每种工况下主梁、横梁及分配梁的最大应力值，绘成最大应力分布图，并与规范极限值（加圆点的水平直线）进行对比。其中横梁不出现拉应力，各构件的极限应力值与46号桥梁相同。

47号桥在九种工况的最大应力值如表3所示，最大应力分布图见图12，对图12进行统计分析，将其与规范计算的极限值进行对比分析可知：主梁、横梁的最大拉应力和最大压应力均小于规范计算的极限值，满足规范（JTG 3362—2018）对预应力混凝土受弯构件的相关要求。分配梁的最大拉压应力均小于规范计算的极限值，满足规范（GB 50017—2017）对钢结构的相关要求；但其最大剪应力在不利工况一时为172.1 MPa，不利工况二时为182.1 MPa，不利工况八时为177.6 MPa，均值稍大于规范极限值。