城市橋梁超高頂升支撐系統(tǒng)空間仿真分析

林四新

（中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門(mén)分公司，福建 廈門(mén) 361003）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程持續(xù)發(fā)展，我國(guó)對(duì)交通設(shè)施要求逐漸提高，越來(lái)越多的既有公路橋梁已不能滿足新型交通規(guī)劃的發(fā)展需要。諸如，通航凈空增加、橋面沉降和更換橋梁支座等要求以致于橋梁使用功能無(wú)法滿足要求[1-2]。若對(duì)這些橋梁進(jìn)行拆除重建對(duì)交通的影響很大，且費(fèi)用高、工期長(zhǎng)。橋梁頂升技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)快捷、效果良好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)橋梁進(jìn)行改擴(kuò)建的首選方案[3-4]。近年來(lái)，橋梁頂升工程逐漸增多，施工技術(shù)也發(fā)展迅猛，但目前并沒(méi)有專門(mén)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)頂升過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)性能展開(kāi)研究，陳梁等（2016）[5]依托于藍(lán)煙鐵路公鐵立交項(xiàng)目所涉及的斜交連續(xù)梁頂升工程（最大頂升高度0.9 m），采用有限元軟件ANSYS對(duì)主橋頂升過(guò)程進(jìn)行仿真分析，成功為頂升施工監(jiān)控中控制參數(shù)的設(shè)置提供理論依據(jù)；陳舟等（2015）[6-7]以結(jié)構(gòu)形式為多跨連續(xù)梁橋的北江大橋?yàn)橐劳校ㄗ畲箜斏叨?.5 m），通過(guò)ANSYS軟件建立15號(hào)～22號(hào)墩連續(xù)梁模型，分析同步頂升過(guò)程中，落梁調(diào)整到位后梁體的受力情況，研究不同墩之間的頂升誤差對(duì)梁底應(yīng)力和支座反力的影響；周松等（2017）[8]為保證橫潦涇大橋（最大頂升高度1.58 m）頂升期間梁體應(yīng)力變化在安全范圍內(nèi)，采用有限元軟件建立支座處箱梁節(jié)段實(shí)體分析模型及三維變截面梁?jiǎn)卧Ｐ停治鲰斏陂g梁體受頂部位的局部應(yīng)力及頂升不同步引起的梁體應(yīng)力；王偉等（2017）[9]結(jié)合實(shí)際橋梁頂升改造工程（最大頂升高度4.1 m），對(duì)橋梁頂升改造設(shè)計(jì)的計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行探討，計(jì)算其頂升施工和正常運(yùn)營(yíng)階段箱梁上下緣應(yīng)力和裂縫寬度分布情況，分析單聯(lián)整體頂升高度偏差并提出頂升高度偏差控制范圍，分析下部結(jié)構(gòu)承載力，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)施工方案和加固的重點(diǎn)提出建議。橋梁頂升高度越高，頂升支撐循環(huán)越多，對(duì)支承體系的整體穩(wěn)定性的要求也更高。在頂升過(guò)程中，由于坡度變化，引起千斤頂與支撐系統(tǒng)無(wú)法垂直，且易產(chǎn)生縱向移位，因此如何保證頂升支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定是該工程的關(guān)鍵。蔣巖峰（2013）[10]依托于成都清水河橋調(diào)坡頂升工程（最大頂升高度2.45 m），基于頂升改造方案應(yīng)用Midas2012建立鋼支撐系統(tǒng)三維模型，計(jì)算分析其整體應(yīng)力和位移，研究各桿件的穩(wěn)定性；袁鑫等（2014）[11]以成都某高架橋?yàn)榘咐尘埃ㄗ畲箜斏叨?.42 m），考慮結(jié)構(gòu)的非線性特點(diǎn)，從頂升支撐結(jié)構(gòu)體系仿真計(jì)算方法角度出發(fā)，研究頂升支撐體系的空間力學(xué)狀態(tài)。眾多專家學(xué)者的研究已經(jīng)積累了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)，但涉及的頂升高度均小于10 m，超過(guò)10 m的國(guó)內(nèi)施工案例較少，束學(xué)智等（2016）[12]以頂升高度達(dá)到11.261 m的廈門(mén)市仙岳路頂升改造工程為例，主要介紹了頂升施工流程及關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)橋梁頂升支撐系統(tǒng)的受力狀態(tài)展開(kāi)研究。

基于此，本文通過(guò)分析廈門(mén)市仙岳路高架橋超高頂升施工，總結(jié)橋梁交替式頂升支撐系統(tǒng)方案，并借助有限元程序Midas/Civil建立28#和29#橋墩鋼支撐的空間有限元模型，在考慮3種不同工況下的支撐系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算鋼筒、橫梁等主要構(gòu)件應(yīng)力及結(jié)構(gòu)位移，總結(jié)出一些對(duì)今后橋梁頂升工程支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值的結(jié)論。

1 工程概況

1.1 工程背景

仙岳路位于廈門(mén)本島的中部，自西向東貫穿整個(gè)廈門(mén)島，全長(zhǎng)10.1 km，與南北走向的成功大道共同構(gòu)成廈門(mén)市快速網(wǎng)的主骨架。為滿足仙岳路西段高架橋和金尚路跨線橋相連，需將仙岳路西段高架橋下坡落地段（L4聯(lián)）的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造處理。L4聯(lián)改造前后縱坡分別為-4.53%和2.74%，平面及立面均位于直線段上。考慮既有跨線橋建成時(shí)間較短，經(jīng)方案論證后決定通過(guò)頂升技術(shù)改造既有橋梁結(jié)構(gòu)。由于頂升前后縱斷面存在較大差別，新橋面比現(xiàn)狀橋面高3.522～11.261 m，為目前國(guó)內(nèi)橋梁頂升的第一高度，在工程實(shí)踐中實(shí)為罕見(jiàn)，理論研究也多為空白，無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循。頂升改造前后示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 L4聯(lián)混凝土箱梁橋頂升改造示意圖

1.2 頂升概況

L4聯(lián)采用交替式頂升施工技術(shù)，即在梁體頂升過(guò)程中處于兩組千斤頂交替支撐的狀態(tài)，兩組千斤頂主動(dòng)交替支撐時(shí)，梁體位移均處于可控狀態(tài)，有效消除各支撐點(diǎn)之間不均勻壓縮量而引發(fā)的高差問(wèn)題。L4聯(lián)共布置千斤頂96臺(tái)（千斤頂分組示意見(jiàn)圖2），總頂力9 600 t，千斤頂?shù)陌踩禂?shù)1.91。L4聯(lián)頂升詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

圖2 L4聯(lián)橋千斤頂分組示意圖

表1 L4聯(lián)橋頂升參數(shù)一覽表

1.3 頂升支撐系統(tǒng)方案

1.3.1 鋼支撐設(shè)計(jì)

該工程頂升支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)，兩組頂升鋼支撐均與每層橫梁進(jìn)行焊接，兩組頂升鋼支撐實(shí)現(xiàn)強(qiáng)約束聯(lián)動(dòng)。L4聯(lián)在承臺(tái)上布置16根支撐，中間墩相鄰兩排支撐通過(guò)型鋼連接形成格構(gòu)形式；兩側(cè)墩（臺(tái)）設(shè)置三角穩(wěn)定支撐，增加整體剛度。29#橋墩鋼支撐設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 29#橋墩鋼支撐設(shè)計(jì)示意圖

1.3.2 鋼支撐安裝

鋼支撐構(gòu)件通過(guò)工程制造加工后再運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)就位吊裝，安裝工藝流程如圖4所示。

2 有限元模型

為保證多跨混凝土連續(xù)箱梁橋的頂升安全，借助Midas/Civil模擬該橋在頂升過(guò)程中28#和29#橋墩的鋼支撐受力模式。根據(jù)頂升方案，28#和29#橋墩頂升高度偏保守分別以11.5 m和13 m計(jì)算，因此，2個(gè)橋墩鋼支撐系統(tǒng)分別按高度11.5 m和13 m考慮。

圖4 鋼支撐安裝工藝流程圖

2.1 數(shù)值模型

在數(shù)值模型中，28#和29#橋墩的鋼支撐均采用Q235鋼材，鋼筒直徑609 mm，壁厚16 mm。28#橋墩鋼支撐從下往上順橋向、橫橋向第1道、第2道橫梁設(shè)計(jì)4根90×6 mm的方鋼，第3道、第4道橫梁設(shè)計(jì)4根140×6 mm的方鋼，水平面上由垂直于方鋼的L75×8綴條相連，豎直面上由與方鋼斜交的L75×8綴條相連。橫梁間順橋向、橫橋向剪刀撐采用槽鋼 [20 a（內(nèi)外側(cè)設(shè)置），之間用L75×8的角鋼作為綴條相連（剪刀撐作為構(gòu)造措施，不計(jì)入計(jì)算）。整體結(jié)構(gòu)三維圖如圖5所示。29#橋墩鋼支撐橫橋向每道橫梁設(shè)計(jì)4根150×8mm的方鋼，兩道橫梁豎向間距為1 m；穩(wěn)定鋼筒與頂升鋼筒之間用[16 a槽鋼作為水平撐和斜撐。整體結(jié)構(gòu)三維圖如圖6所示。

圖5 28#橋墩支撐系統(tǒng)整體模型圖

圖6 29#橋墩支撐系統(tǒng)整體模型圖

2.2 模擬工況

為了清晰分析鋼支撐的可靠性，將28#和29#橋墩鋼支撐各分3個(gè)工況進(jìn)行模擬。

2.2.1 28#橋墩支撐系統(tǒng)

（1）工況1：模擬靠近外側(cè)的8個(gè)主鋼支撐單柱承受豎向荷載1 000 kN，順橋向橫向荷載30 kN，橫橋向橫向荷載10 kN。

（2）工況2：在工況1的基礎(chǔ)上，考慮換撐后，將靠近外側(cè)的8個(gè)主鋼支撐替換成內(nèi)側(cè)。

（3）工況3：在工況2的基礎(chǔ)上，考慮1個(gè)頂升點(diǎn)失效，其中1組千斤頂分配的梁體上部荷載由另外3個(gè)頂升鋼筒承受（另一組正常運(yùn)轉(zhuǎn)）；此處3個(gè)鋼筒豎向荷載1 333.3 kN，順橋向橫向荷載40 kN，橫橋向橫向荷載13.3 kN。

2.2.2 29#橋墩支撐系統(tǒng)

（1）工況1：模擬頂升的8個(gè)主鋼筒單柱承受豎向荷載1 000 kN，順橋向橫向荷載30 kN（朝向穩(wěn)定鋼筒），橫橋向橫向荷載10 kN。

（2）工況2：在工況1的基礎(chǔ)上，將順橋向橫向荷載背離穩(wěn)定鋼筒。

（3）工況3：在工況1基礎(chǔ)上，考慮1組中1個(gè)頂升點(diǎn)失效（另一組正常運(yùn)轉(zhuǎn)），剩下3個(gè)鋼筒位于同一穩(wěn)定鋼筒體系內(nèi)，頂升主鋼筒單柱承受豎向荷載1 333.3 kN，順橋向橫向荷載40 kN（朝向穩(wěn)定鋼筒），橫橋向橫向荷載13.3 kN。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 整體靜力分析

3.1.1 不同工況下28#橋墩支撐系統(tǒng)整體靜力分析

三種模擬工況下，28#橋墩支撐系統(tǒng)頂升及非頂升鋼筒的最大應(yīng)力、4道方鋼及角鋼的最大應(yīng)力、鋼支撐結(jié)構(gòu)的最大位移如表2所列。

從表2可以看出，單獨(dú)考慮結(jié)構(gòu)在自重情況下頂升鋼筒的最大壓應(yīng)力為44.1 MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)其中1個(gè)頂升點(diǎn)失效時(shí)，頂升鋼筒最大壓應(yīng)力為58.8 MPa，增大約1.33倍；三種工況下非頂升鋼筒的變化幅度相對(duì)較小；橫梁各構(gòu)件中第1、2道方鋼受力更為敏感，工況1下最大壓應(yīng)力

105.8 MPa，工況3下最大壓應(yīng)力175.1 MPa，變化幅度約65.5%。總體上鋼筒、方鋼及角鋼的最大應(yīng)力均小于1.3×140=182（MPa），滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]要求。由表2還可以看出，28#橋墩支撐系統(tǒng)三種工況下結(jié)構(gòu)位移波動(dòng)較小，變化幅度約0.12～0.14。其中單獨(dú)考慮結(jié)構(gòu)自重情況下鋼筒及橫梁應(yīng)力情況、結(jié)構(gòu)位移圖見(jiàn)圖7所示。

表2 不同工況下28#橋墩支撐系統(tǒng)受力情況一覽表

圖7 工況1下28#橋墩支撐系統(tǒng)受力情況示意圖

3.1.2 不同工況下29#橋墩支撐系統(tǒng)整體靜力分析

三種模擬工況下，29#橋墩支撐系統(tǒng)頂升及非頂升鋼筒的最大應(yīng)力、方鋼、水平槽鋼和斜向槽鋼的最大應(yīng)力、鋼支撐結(jié)構(gòu)的最大位移如表3所列。

由表3可知，頂升鋼筒不出現(xiàn)拉應(yīng)力，僅考慮結(jié)構(gòu)自重情況的最大壓應(yīng)力40.6 MPa，當(dāng)模擬頂升的其中1個(gè)鋼筒失效時(shí)，頂升鋼筒最大壓應(yīng)力為54.1 MPa，增大幅度約33.2%；在三種工況下非頂升鋼筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，壓應(yīng)力為34.4 MPa，拉應(yīng)力為20.3 MPa。橫梁斜向槽鋼在工況1下未出現(xiàn)拉應(yīng)力，在工況2及工況3下未出現(xiàn)壓應(yīng)力；當(dāng)1個(gè)主鋼筒失效時(shí)，方鋼的拉應(yīng)力最大達(dá)158.7 MPa，相比工況1增大了47%。由表3還可以看出，當(dāng)順橋向橫向荷載背離穩(wěn)定鋼筒時(shí)，29#橋墩支撐結(jié)構(gòu)位移最大，順橋向位移7.8 mm，橫橋向位移1.3 mm，豎向位移-2.1 mm，空間的最大位移為8.0 mm。

3.2 屈曲分析

3.2.1 不同工況下28#橋墩支撐系統(tǒng)屈曲分析

三種工況下，28#橋墩支撐結(jié)構(gòu)前二階的失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示，整體穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表4所列。

表3 不同工況下29#橋墩支撐系統(tǒng)受力情況一覽表

圖8 28#橋墩支撐結(jié)構(gòu)前二階失穩(wěn)模態(tài)云圖

表4 28#橋墩支撐結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定系數(shù)一覽表

從圖8和表4可以看出，三種工況下28#橋墩支撐結(jié)構(gòu)的最小穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)在工況3的一階失穩(wěn)模態(tài)，最小值為38.9；最大穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)在工況1的二階失穩(wěn)模態(tài)，最大值為48.8，且橋墩支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式均從順橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)。

3.2.2 不同工況下29#橋墩支撐系統(tǒng)屈曲分析

三種工況下29#橋墩支撐結(jié)構(gòu)前二階的失穩(wěn)模態(tài)如圖9所示。整體穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表5所列。

由圖9和表5可知，29#橋墩支撐結(jié)構(gòu)工況2二階失穩(wěn)模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)最大，最大穩(wěn)定系數(shù)為84.2，工況3一階失穩(wěn)模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)最小，最小穩(wěn)定系數(shù)為62.7。工況1和工況2下，橋墩支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式由順橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槝蛳蚍磳?duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)；當(dāng)模擬頂升的其中1個(gè)鋼筒失效時(shí)，橋墩支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式則從順橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M橋向反對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)。

表5 29#橋墩支撐結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定系數(shù)一覽表

4 結(jié)論

本文以廈門(mén)市仙岳路高架橋超高頂升工程為背景，借助MIDAS/Civil有限元軟件建立三維數(shù)值模型，研究橋墩支撐結(jié)構(gòu)在頂升過(guò)程中的安全性，主要得出以下結(jié)論：

（1）28#橋墩鋼支撐非頂升鋼筒較頂升鋼筒的應(yīng)力變化敏感度小，變化幅度不超過(guò)20%；頂升點(diǎn)失效引起的第1、2道方鋼應(yīng)力變化較第3、4道方鋼敏感，由105.8 MPa增大至175.1 MPa，增大幅度約為65.5%，是第3、4道方鋼應(yīng)力變化的3.1倍；順橋向結(jié)構(gòu)位移是橫橋向的3倍左右，頂升點(diǎn)失效引起的支撐結(jié)構(gòu)空間最大位移為7.4 mm，是正常工況下的1.14倍；支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式均從順橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)，最小穩(wěn)定系數(shù)為38.9。

圖9 29#橋墩支撐結(jié)構(gòu)前二階失穩(wěn)模態(tài)云圖

（2）29#橋墩鋼支撐頂升鋼筒未出現(xiàn)拉應(yīng)力，頂升鋼筒和非頂升鋼筒的應(yīng)力變化與28#橋墩鋼支撐相似；當(dāng)其中1個(gè)鋼筒失效時(shí)，方鋼的最大拉、壓應(yīng)力分別為158.7 MPa和114.6 MPa，相較于正常工況，變化幅度約為10.6%～47.2%；當(dāng)順橋向橫向荷載背離穩(wěn)定鋼筒時(shí)，結(jié)構(gòu)位移最大，順橋向和空間位移是正常工況或頂升點(diǎn)失效情況下的3.1～7.8倍；頂升點(diǎn)失效引起支撐結(jié)構(gòu)從順橋向正對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M橋向反對(duì)稱向面內(nèi)失穩(wěn)，最小穩(wěn)定系數(shù)為62.7。

廈門(mén)市仙岳路高架橋頂升工程的成功實(shí)踐表明，在目前國(guó)內(nèi)無(wú)橋梁頂升規(guī)范的前提下，本文研究結(jié)果可為今后橋梁頂升工程的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。