曲线桥梁爬移复位受力性能分析

吴 焱，吴佳佳

（1.山西省交通运输安全应急保障技术中心（有限公司），山西太原 030006；2.山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

曲线桥梁美观、适应性好，广泛应用于高速公路桥梁和城市立交桥。部分桥梁由于曲率半径小、长联多孔、温度效应、伸缩缝堵塞卡死等因素耦合，运营中出现了梁体横向爬移等病害[1-2]，甚至导致外侧挡块挤压破坏，严重影响桥梁安全运营。桥梁爬移复位普遍采用竖向顶升与水平顶推相结合，施工过程中如何避免桥梁二次损伤是技术人员面临的首要难题。陈亮[3]等研究了立交桥梁体偏位成因分析并针对依托工程提出了维修加固措施。程海潜[4]等研究了桥梁整体顶升平移复位施工技术，验证了其工程可行性。本文开展了曲线桥梁横向爬移顶升复位过程中梁体的受力性能研究，提出适用于曲线桥梁梁体复位的合理施工方案。

2 曲线桥梁竖向顶升方法研究

某单箱单室梁桥，桥面总宽10.8 m，跨径分布为4×20 m，桥墩编号为0～4 号墩，其中1～3 号墩为独柱墩。桥梁关键测试断面如图1 所示。

图1 桥梁关键断面（单位：m）

2.1 曲率半径对桥梁顶升受力性能影响

桥梁竖向顶升常用的方法有单墩顶升、多墩同步顶升、多墩非同步顶升。在保证对称顶升的前提下，根据中间墩顶升高度的不同设计竖向顶升施工方案如表1。为研究曲率半径变化对曲线桥梁竖向顶升施工时受力性能的影响，分别建立曲率半径75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m 的桥梁有限元模型，如图2，桥梁竖向顶升通过节点强制位移模拟。

表1 不同施工方案的竖向顶升高度 单位：mm

图2 桥梁有限元模型

不同施工方案及曲率半径对应桥梁关键断面底面的应力（拉正压负）如图3。

图3 各顶升施工方案关键断面应力

由图3 可知，不同曲率半径下桥梁采用同一种竖向顶升方案施工时应力离散性较小；单墩顶升、多墩非同步顶升、多墩同步顶升施工时不同曲率半径桥梁的应力最大差异分别为3.8%、5.7%、10.0%，因此曲率半径对桥梁竖向顶升施工的作用效应影响有限；不同曲率半径桥梁分别采用不同施工方案进行竖向顶升施工，最大（小）应力均为2 号、4 号截面，即竖向顶升施工时墩顶截面作用效应最大，施工过程中应加强其应变监测。

2.2 不同顶升方案对桥梁受力性能影响

选取曲率半径1 000 m 的桥梁作为研究对象，进一步研究采用不同竖向顶升施工方案时桥梁的受力性能，根据1 号墩（3 号墩）与2 号墩的顶升高度比值的不同，设计5 种顶升施工方案如表2。

表2 不同施工方案的竖向顶升高度 单位：mm

分别建立有限元模型对各施工方案进行分析，桥梁关键断面底面应力见图4。结果表明，采用方案一施工，桥梁纵向全长范围内梁体应力均最大，因此不建议采用单墩顶升；多墩顶升施工时方案四产生的梁体应力最小，最大压应力为0.36 MPa，且桥梁全长范围内梁底均为压应力；方案三与方案五次之，最大压应力分别为0.72 MPa 和0.86 MPa；方案二产生的应力较大，最大压应力为1.11 MPa。因此，采用方案四施工梁体作用效应最小，有利于保证施工安全。

图4 各竖向顶升施工方案的梁体应力对比

3 曲线桥梁水平顶推方法研究

分别采用单墩径向顶推（1号墩）、整体径向顶推、整体垂直弦向顶推的施工方式，将曲率半径75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m 的桥梁向曲线外侧顶推5 mm，绘制水平顶推施工时桥梁曲线外侧底面的应力如图5。需要说明的是，梁体水平方向的截面特性对称，即水平顶推施工曲线内外侧截面的应力绝对值是相等的，因此可取绝对值作为施工的最大拉应力。

图5 不同曲率半径桥梁顶推施工的梁体应力

由图5 可知，不同曲率半径桥梁采用同一种施工方案顶推复位施工时梁体的总体受力趋势基本一致；单墩顶推施工应力最大，最大应力位于顶推墩，为3.45 MPa，且梁体其他部位的应力均大于其他两种施工方案，应力集中明显；整体垂直弦向顶推与整体径向顶推施工最大应力均位于跨中，分别为0.65 MPa、0.20 MPa，墩顶应力较小；整体垂直弦向顶推施工应力最小，安全风险最低。

综上，单墩顶推施工作业周期长，且作用效应较大，安全风险高，因此不建议采用；整体垂直弦向顶推与整体径向顶推施工作业周期短，安全风险低，且整体垂直弦向顶推作用效应最小，为优选施工方案；为掌握施工过程中梁体实际受力情况，精准控制施工进度，应加强跨中应力及墩顶位移监测。

进一步绘制整体垂直弦向顶推与整体径向顶推施工跨中截面应力随曲率半径的变化曲线如图6，可以发现，梁体的跨中截面应力随曲率半径的增大而减小，曲率半径大于300 m 时，两种施工方案的应力趋于平稳，且基本一致，最大应力差仅为0.2 MPa。因此，曲率半径大于300 m 时，整体径向顶推也可作为推荐施工方案。

图6 水平顶推施工关键断面应力随曲率半径的变化

4 复位实施

a）施工准备 存在影响结构安全的病害时应先对病害进行处理后方可进行梁体复位施工。梁体复位施工应解除伸缩缝等桥梁纵向连接，清除伸缩缝及梁端间混凝土弃渣；并在挡块与主梁之间塞木板或钢板，作为限位控制装置。

b）顶升设备安装 千斤顶安放位置应打磨平整，并加垫20 mm 厚钢板，以避免局部应力集中。为保证顶升过程中的梁体安全，应在顶升点安装位移监测装置；根据工程实际情况选取关键断面全过程监测梁体应变，掌握施工过程中梁体受力性能。

c）整体顶升 首先进行试顶加载，顶至主梁脱空2～5 mm 时停止，稳定5～10 min 并进行观察，无任何异常后方可开始整体顶升。所有千斤顶按设计的行程同步缓慢分级顶升，梁体每上升5 mm 为一级，梁体升高不得超过10 mm。顶升到预定高度后，锁定千斤顶保护环。

d）更换顶推临时支座 在梁体顶升至预定高度后，取出旧支座，在垫石顶面粘贴临时镜面不锈钢板，安装聚四氟乙烯滑板支座，安装时应将四氟板滑动面朝下。

e）卸载落梁 解除千斤顶保护环，与分级加载的顺序相反分级卸载。落梁过程与顶升过程控制要求相同，要求同步、缓慢分级卸载。

f）顶推复位设备安装 在端横梁、现浇中横梁及盖梁上，安装反力架。考虑到盖梁顶横坡影响，反力架底部加垫楔形钢板找平。千斤顶安装时着力方向应与设计顶推方向一致。并根据顶升设备安装步骤安装位移、压力等监控设备。

g）梁体顶推复位 所有千斤顶缓慢分级顶进，千斤顶必须按设计的行程同步顶进，应控制复位速度在1 mm/min 左右。

h）更换永久支座 与更换临时支座步骤相同，应注意及时拆除垫石顶镜面不锈钢钢板。

i）新增或修复挡块 桥梁顶升复位后，对桥梁原有限位设施进行修复。根据工程实际情况可考虑新增、修复挡块等限位措施，挡块内侧应安装抗震橡胶垫块。

j）梁体顶升复位施工应严格实施过程监控，梁体如有异常必须立即停止施工，查找原因，消除隐患后方可继续顶升梁体。

5 结论

通过有限元分析了曲线桥梁顶升复位梁体的受力性能，结论如下：

a）曲率半径对桥梁竖向顶升的受力性能影响有限；不同曲率半径桥梁水平顶推复位施工时梁体的总体受力趋势基本一致，梁体应力随曲率半径的增大而减小。

b）竖向顶升施工，次边墩与中墩的顶升量为7 mm、10 mm 时应力最小，为优选顶升方案，施工过程应加强连续墩处的应力及位移监测。

c）水平顶推复位施工，整体垂直弦向顶推最大应力位于跨中，施工应力最小，为优选方案，施工过程中应加强跨中应力及两端位移监测。曲率半径大于300 m时，整体径向顶推与整体垂直弦向顶推施工应力相差不大，可作为推荐方案。

d）提出曲线桥梁复位实施步骤及技术要点。