三跨連續梁橋內力調整頂升施工仿真分析與控制研究

王文志，陳思甜，鄧莎莎，楊洋（重慶交通大學，重慶 400074）

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三跨連續梁橋內力調整頂升施工仿真分析與控制研究

王文志，陳思甜，鄧莎莎，楊洋
（重慶交通大學，重慶 400074）

摘要：某三跨連續梁橋由于施工造成連續梁內力分布不合理，通過三維實體有限元仿真分析模擬在中間支座處施加向上變化的強迫位移，可以改變連續梁的內力分布，使之更為合理。根據該原理，對中間支座位置，采用千斤頂頂升梁體，使梁體向上產生對應于合理梁內力的位移值，然后在支座上加墊鋼板，即可完成三跨連續梁的內力調整。通過仿真分析，確定加墊鋼板厚度及安全狀況下最大頂升量，并根據連續梁橋頂升時的受力和變形特點提出加墊鋼板頂升施工控制的方法及原則。

關鍵詞：連續梁；仿真分析；頂升施工；位移監控

1　概述

某分離式立體交叉橋為三跨預應力混凝土T型梁，跨徑3×20m，每跨5片預應力T型梁，先簡支后連續，全橋實景見圖1。在預應力T型梁安裝施工過程中由于在吊梁就位前忘記安放兩邊橋臺處支座鋼墊板，待澆筑完墩頂連續段后再頂升兩邊橋臺處T型梁補墊37mm鋼板。

圖1　全橋實景圖

補墊后致使連續梁跨中截面底部拉應力增大，減少預應力富裕度。基于有限元仿真分析，在中間支座頂升加墊鋼板可以減少跨中截面底部拉應力，調整預應力連續梁內力、增加預應力富裕度，經專家開會研究一致認為此方法經濟、效果良好。為保證結構安全必須對頂升全過程進行位移、應力監控，以確保施工過程安全。

2　有限元仿真分析［1］

2.1有限元模型建立

采用有限元非線性分析軟件MSC.Marc建立單片T梁三維實體有限元仿真分析，模型如圖2所示，共2348個實體單元。

圖2　三維實體有限元模型

2.2兩邊橋臺頂升38mm應力分析

根據成橋現狀（兩邊橋臺處補墊37mm鋼板），對三跨單片連續T型梁進行有限元建模。在兩邊橋臺處對連續梁頂升38mm，計算得到頂升38mm后連續梁的應力狀況。邊支座頂升有限元計算模型如圖3所示，提取連續梁關鍵截面應力，如表1-表4。

圖3　邊支座頂升計算簡圖

表1　邊跨應力變化（MPa）

表2　中跨應力變化（MPa）

表3　中間支座段底部應力變化（MPa）

表4　中間支座段頂部應力變化（MPa）

兩邊橋臺頂升38mm，提取跨中心、墩中心及危險截面應力情況。兩邊橋臺頂升38mm后，中間支座段底部最大拉應力增量截面2.75m、應力-3.77MPa。兩邊橋臺頂升對中間支座段頂部產生壓力 ，壓應力遠遠小于C50的標準值，邊跨壓應力最小截面為12.1m、應力-3.08MPa，中跨壓應力最大應力截面8.1m、應力-2.98MPa，兩邊橋臺頂升38mm，連續梁底部未出現拉應力，未損害結構，此過程結構安全。中間支座段底部拉應力增加、頂部壓應力增加這與二期恒載、車輛活荷載的效應一致，對橋有利。邊跨最大增量為2.86MPa、中跨增量1.67MPa，中跨最大增量為3.48MPa、跨中增量3.11MPa，兩邊橋臺頂升后產生的拉應力減少梁體壓應力儲備，對橋產生不利影響，必須對中間支座處梁體抬升減少跨中截面拉應力。

2.3中間支座縱向依次頂升12mm應力分析

根據施工設計建立有限元模型，模擬縱向單點逐墩頂升12mm施工過程，計算得到先左中間支座頂升后應力增量、兩中間支座頂升后應力增量和最后應力累計增量。中間支座頂升計算模型如圖4，提取連續梁關鍵截面應力，如表5-表8。

圖4　中間支座頂升計算簡圖

中間支座處依次頂升12mm過程中，在截面10.95m處產生最大拉應力，拉應力為5.86MPa，此截面附加預應力為8.13MPa，因此中間支座依次頂升12mm施工對全梁安全。中間頂升使邊跨、中跨產生壓應力，邊跨最大壓應力增量截面15.5m、應力-2.11MPa中跨最大壓力增量截面8.1m，應力-0.40MPa，邊跨跨中應力增量由原來1.68MPa變到0.48MPa、中跨跨中應力增量由原來3.11MPa變到2.75MPa，在中間支座處頂升12mm加墊10mm鋼板能有效地改善梁內力分布。

3　頂升施工過程控制

表5　邊跨應力變化（MPa）

表6　中跨應力變化（MPa）

表7　中間支座段底部應力變化（MPa）

表8　中間支座段頂部應力變化（MPa）

表9　頂升位移（mm）

3.1頂升施工方案［2］

目前梁橋有兩種頂升方式：（1）整體頂升；（2）局部頂升。整體頂升方式指的是多墩同步頂升施工方式，此方式費用較高、設備投入較多和施工難度較大。局部頂升方式指的是單墩同步頂升施工方式，此方案利用超薄千斤頂頂升主梁加墊鋼板，其施工費用低、速度快、施工難度低。根據現場的條件采用縱向單點逐墩、橫行同步頂升加墊鋼板施工方法。該方法以蓋梁為反力基礎，把5個型號100t千斤頂交叉置于蓋梁上，千斤頂、臨時支撐布置如圖5、圖6所示。

圖5　千斤頂布置圖

圖6　臨時支撐布置圖

3.2頂升施工步驟［3］

施工場地封閉→材料設備進場→搭建施工平臺→支座周圍混凝土打磨→布頂→監控裝置安裝→試頂→設定一次頂程→同步頂升→達到頂程→安裝臨時支撐→重復下一次設定頂程→頂升到預定高度→固定臨時支撐→加墊鋼板→拆除臨時支撐→卸頂。

3.3頂升施工要點

（1）反力基礎。利用蓋梁作為反力基礎，對蓋梁頂部找平，千斤頂交叉布置蓋梁兩側，千斤頂與梁間設置鋼墊板。（2）千斤頂選用［4］。千斤頂頂起重量是梁體及附屬結構物總重量的2倍以上，最低高度要小于蓋梁頂部到梁底部距離，極限頂升高度要大于14mm。（3）試頂。正式頂升前試頂0.05mm，保持2分鐘觀察各支撐、主體結構情況，發現異常及時處理。（4）同步頂升。5個千斤頂各安排一個工作人員，聽同一個人指揮，分級頂升，5片梁頂升量差不超過5mm。（5）臨時支撐。準備不同厚度鋼墊塊，每頂完一級先進行臨時支墊，臨時支墊須抄緊。（6）打磨。加墊鋼板前應打磨橡膠支座周圍混凝土，防止加墊鋼板時帶入混凝土渣加大加墊難度。（7）卸頂。5個千斤頂同時同步緩慢卸頂。（8）結構觀察。在全程監控中要密切觀察蓋梁、與千斤頂接觸處面、橋面、濕接縫、橫隔板及主梁情況，發現異常及時停止頂升。

3.4施工過程位移監控

在梁體頂升過程中，為了保證梁橋結構安全性，對頂升過程進行頂升位移監控，確保5片梁同步頂升、頂升量不超過其允許的最大值及卸頂后梁支座處頂升的高度符合要求。在中間支座底部安裝精密位移傳感器［5］，采用先進的動靜態應變無線多功能測試系統采集數據，對起頂、加墊鋼板及卸頂全過程進行監控。最大頂升位移、落梁后位移見表9。位移傳感器布置如圖7、圖8。限于篇幅，只列出右幅1#墩頂升曲線圖，見圖9。

圖7　位移傳感器布置圖

圖8　位移傳感器現場安裝

圖9　右幅1#墩頂升過程曲線圖

表10　頂升應力實測值、理論校驗（MPa）

此次頂升位移基本在14mm左右，有兩處頂升位移到18mm，因此在頂升過程中加強對全橋監控，未出現異常情況，所有次頂升過程平穩安全。卸頂落梁后，梁頂升高度在9.41～10.39mm，與加墊鋼板厚度基本一致，達到頂升要求。右幅1#墩頂升監控共采集2873組數據，在停止頂升加墊鋼板期間采集2400組數據，在作曲線圖時共取了439組數據（未取加墊鋼板期間采集的數據）。此頂升過程安全平穩，5片梁基本同步頂升，上下不超過5mm，達到施工要求。

3.5施工過程應力監控

應力監控的目的是通過監控連續梁頂升后應力增量的大小，直接了解結構的實際工作狀況。通過與理論值進行對比分析，來判斷頂升效果。在中間3片梁、離中間支座30cm的梁底部安裝應變傳感器，采用先進的動靜態應變無線多功能測試系統采集應變數據，由采集的應變數據算出該測點的應力。應變傳感器布置如圖10、圖11。

對頂升全過程進行應力監控，得到頂升不同階段應力值。提取頂升12mm、卸頂穩定后3片梁的應力增量，實測值與理論值基本一致，此頂升加墊鋼板施工效果明顯，調整了連續梁內力。

圖10　應變傳感器布置圖

圖11　應變傳感器現場安裝

4　結語

（1）以有限元分析的數據為理論基礎，提出中間支座加墊鋼板以調整三跨連續梁橋內力的方法。

（2）頂升過程采用了精密位移傳感器、動靜態應變無線多功能測試系統控制頂升量，使頂升過程安全平穩。

（3）此連續梁橋采用縱向單點逐墩、橫行同步頂升加墊鋼板施工方法頂升過程平穩安全，造價節省，達到了連續梁橋內力調整的目的可為類似工程提供參考。

參考文獻：

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［3］盧偉榮，劉世忠，張瑞杰.連續梁橋更換支座頂升施工控制［J］.公路，2012（6）：80-86.

［4］何任遠，張軍雷.大跨度預應力混凝土連續梁頂升施工監控［J］.科技資訊，2010（19）：80-81.

［5］倪大治.計算機控制同步頂升在橋梁支座更換中的應用［J］.山西建筑，2010，36（17）：331-333.

責任編輯：孫蘇，李紅

中圖分類號：U445.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）07-0039-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.039

收稿日期：2016-05-13

作者簡介：王文志（1990-）男，湖南衡陽人，研士研究生，主要從事橋梁檢測加固工作。

Simulation Analysis and Control Study of Jacking Construction for Internal Force Adjustment of Three-span Continuous Brigde

Abstract：A three-span continuous bridge has unreasonable distribution of internal force for defective construction.With three-dimensional entity finite element analysis simulation，imposed displacement upward changing is given at the central support，which can alter the distribution of internal force of the continuous bridge and make it more reasonable.According to the planning，a jack is applied to hoist the beam，making the beam move upward and generate the displacement value reasonable to its internal force，and then a steel plate is placed at the support，thus，the internal force adjustment of a three-span continuous bridge is accomplished.Through simulation analysis，the steel plate thickness and the maximum safe jacking volume can be determined，and the methods and principles of jacking construction control of the steel plate are presented in accordance with the stress and deformation features of the continuous bridge when jacked.

Keywords：continuous beam；simulation analysis；jacking construction；displacement monitoring