钢桁梁桥加固顶升方案比选及受力分析

殷新锋, 许方塔, 齐林, 林伟, 苟勇

(1.长沙理工大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410114;2.中铁上海设计院集团有限公司, 上海 200070;3.四川公路桥梁建设集团有限公司 桥梁公司, 四川 成都 610041)

由于交通量和荷载等级不断提升,旧桥的承载能力逐渐达到其设计范围,已不能满足交通需求,须进行加固改造[1-2]。钢桁梁桥的加固改造方法主要有体外预应力加固、增大构件截面加固和原位拓宽改建等[3-6]。在实施加固之前,如何使钢桁梁桥处于最佳状态至关重要。本文以某运河双旋转钢桁梁桥顶升加固为例,建立有限元模型,分析不同位置顶升力作用下钢桁梁桥的受力状况,确定钢桁梁桥在顶升过程中的最佳受力状态,为钢桁梁桥加固做准备。

1 工程概况

某双翼平旋开启式钢桁梁铁路桥,全长600 m,主跨单悬臂长160 m,旋转合龙后主跨长320 m、边跨长140 m,全桥宽10 m。该桥位于主要航运通道,有火车通过时将两岸沿运河方向位置的钢桁梁桥旋转至与运河通道垂直的方向,两桥跨中合龙后方能使火车通过(见图1)。

图1 桥梁旋转示意图

全桥分为主塔底部旋转构件、桥梁主体构造和端头锁定构件三部分,由转盘带动全桥进行转体合龙。图2为全桥三维模型,图3～5为各构件构造。

图2 全桥三维模型

图3 转盘结构图

图5 锁定构件结构图

该桥经过20年的使用,受日益增长的交通压力和整体性能下降的影响,已不能满足承载力要求。

东西两岸半桥需要整体顶升,一方面对转动装置中心轴混凝土结构及主塔区域支座支撑点进行升级加固,另一方面使现有桥梁在顶升完成后处于无应力或低应力状态,以便进行各部位杆件焊接和升级加固。

本文以西岸半桥顶升为例,研究加固顶升方案和不同支点顶升力作用下桥梁线形、应力与节点反力,确定最优顶升方案。加固前西岸半桥总质量约为4 500 t。在未合龙时,全桥全部质量由主塔底部转盘上的8个盆式支座支撑。采用YSD8000-30自锁式千斤顶进行液压顶升,千斤顶量程为8 105 kN。

2 顶升方案

液压顶升技术作为一种桥梁改造方法,在不改变原有桥梁结构的情况下,通过顶升改变桥梁的位置,顶升过程具有特殊性、复杂性和风险不确定性,如何控制顶升过程中的风险至关重要[7-11]。

由于钢桁梁桥在加固前两端处于悬臂状态,各杆件应力较大,须将两端悬臂顶升至低应力状态后再进行加固。该桥千斤顶放置位置见图6、图7。

图6 桥面下缘千斤顶放置位置

图7 横向千斤顶放置位置

由于千斤顶数量有限,不能在A(a)～J(j)节点都布置千斤顶,在某节点顶升完成后布置支架,将千斤顶移至另一节点进行顶升。顶升方案如下:方案一为从节点A(a)至节点E(e)、节点J(j)至节点F(f)依次顶升;方案二为从节点E(e)至节点A(a)、节点F(f)至节点J(j)依次顶升;方案三为按照C(c)→B(b)→A(a)→D(d)→E(e)、H(h)→I(i)→J(j)→G(g)→F(f)的顺序依次顶升。通过有限元模拟计算不同顶升方案下全桥应力,选择最优顶升方案。

3 有限元计算结果与分析

3.1 顶升前受力分析

顶升前,全桥处于两端悬臂状态,由主塔底部转盘处8个盆式支座支撑。采用有限元软件建立图8所示有限元模型,计算得到悬臂状态下各节点挠度(见表1)、桥梁整体变形与应力(见图9、图10)。由图10可知:顶升前,全桥最大应力出现在节点E(e)附近,为112.5 MPa。

表1 悬臂状态下各节点的挠度

图8 有限元模型

图9 悬臂状态下桥梁变形计算结果(单位:mm)

图10 悬臂状态下桥梁应力计算结果(单位:MPa)

根据3种顶升方案模拟全桥应力,最大应力出现在图11所示的4个位置。

图11 最大应力点

3.2 方案一下受力分析

按照方案一进行顶升,先将A(a)和I(i)节点顶升至支座水平面,再依次将各节点顶升至支座水平面。顶升过程中各节点挠度见图12,最大应力点处应力变化见图13,节点反力见表2。

表2 顶升方案一下各顶升阶段的节点反力

图12 顶升方案一下各节点挠度

图13 顶升方案一下各顶升阶段的应力

由图12可知:按方案一进行顶升,两顶升节点间最大跨中挠度为-4.2 cm。

由图13可知:按方案一进行顶升,顶升B、I时3号点的应力最大,为-112.9 MPa。

由表2可知:按方案一进行顶升,最大节点反力出现在顶升C、H的过程中,节点H的反力最大,为3 885 kN。

3.3 方案二下受力分析

按照顶升方案二进行顶升,依次将靠近支座的顶升节点顶升至支座水平面。顶升过程中各节点挠度见图14,最大应力点处应力变化见图15,节点反力见表3。

表3 顶升方案二下各顶升阶段的节点反力

图14 顶升方案二下各节点挠度

图15 顶升方案二下各顶升阶段的应力

从图14可以看出:按方案二进行顶升,悬臂端最大挠度分别为-21.3 cm、-16.0 cm、-10.9 cm、-5.2 cm、-1.2 cm。

由图15可知:按方案二进行顶升,顶升A、J时2号点的应力最大,为96.7 MPa。

由表3可知:按方案二进行顶升,顶升过程中最大节点反力出现在顶升E、F的过程中,节点E的反力最大,为6 756 kN。

3.4 方案三下受力分析

按方案三进行顶升,先将节点C、H顶升至支座水平面,接着向悬臂端顶升,然后向支座方向顶升。顶升过程中各节点挠度见图16,最大应力点处应力变化见图17,节点反力见表4。

表4 顶升方案三下各顶升阶段的节点反力

图16 顶升方案三下各节点挠度

图17 顶升方案三下各顶升阶段的应力

由图16可知:按方案三进行顶升,最大悬臂端挠度为-4.5 cm,两顶升节点间最大跨中挠度为-1.3 cm。

由图17可知:按方案三进行顶升,顶升A、J时3号点的应力最大,为90.3 MPa。

由表4可知:按方案三进行顶升,顶升过程中最大节点反力出现在顶升C、H的过程中,节点C的反力最大,为6 078 kN。

3.5 顶升方案确定

综上,采用方案三进行顶升,最大应力点的应力比方案一、方案二下的小,最安全;最大节点反力约为千斤顶量程的75%<80%,满足要求。方案三为最优顶升方案。

4 结论

本文以钢桁梁桥为例,模拟计算不同顶升方案下钢桁梁桥的受力状况。方案一采用从悬臂端头向主塔支座方向依次顶升的方法,顶升过程中产生的最大应力为-112.9 MPa,出现在顶升B、I时3号点;最大反力为3 885 kN,出现在顶升C、H时节点H。方案二采用从主塔支座向悬臂端头方向依次顶升的方法,顶升过程中产生的最大应力为96.7 MPa,出现在顶升A、J时2号点;最大反力为6 756 kN,出现在顶升E、F时节点E。方案三采用先从悬臂中间向悬臂端头方向顶升,再向主塔支座方向顶升的方法,顶升过程中产生的最大应力为90.3 MPa,出现在顶升A、J时3号点;最大反力为6 078 kN,出现在顶升C、H时节点C。采用方案三顶升时,整体应力比方案一、方案二下的小,且最大节点反力满足施工要求,方案三为最优顶升方案。