鐵路連續梁頂升法更換支座技術方案研究

孫明德 班新林 臧曉秋 曹志峰 董亮 劉文薦

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京100844

橋梁支座是連接橋梁上部結構與下部結構的重要部件［1-2］，其能將橋梁上部結構的反力和變形可靠地傳遞給橋梁下部結構。支座是各種荷載集中作用的部位，其性能關系到橋梁乃至整條線路的運營安全。由于環境腐蝕、材料磨損老化、施工安裝不當、運營荷載較大等原因［3-5］，在建設和運營階段出現了鐵路橋梁支座性能劣化問題。為確保鐵路行車安全，須對橋梁支座及其配套裝置出現的病害進行整治。

國內頂升橋梁更換支座時大多采用整聯同步頂升和橫橋向同步、縱橋向單墩或多墩頂升兩種方案［6-8］。整聯同步頂升不會在梁體產生次內力，但需要數量龐大的千斤頂；橫橋向同步、縱橋向單墩或多墩頂升在頂升時梁體會產生附加應力［9］，頂升后梁體應力須在容許范圍內。本文以一鐵路連續梁橋為例，采用橫橋向同步、縱橋向單墩頂升方案更換橋梁支座，頂升前對結構進行檢算，以確定是否滿足要求。

1 支座病害

1.1 工程概況

連續梁計算跨度為（48+80+48）m，邊支座中心線至梁端0.75 m，梁全長177.5 m。梁高沿縱向呈二次拋物線形變化，中支點梁高7.0 m，邊支點及跨中梁高均為4.3 m。箱梁截面采用單箱單室直腹板形式，頂板寬12.0 m，底板寬6.7 m。梁體混凝土采用C55，支座采用球型支座，每個橋墩上布置2個，如圖1所示。其中ZX表示縱向活動支座，HX表示橫向活動支座，DX表示多向活動支座，GD表示固定支座。

圖1 連續梁支座布置

1.2 病害現狀

拆除連續梁的墩梁固結后，發現3#墩右側（面向大里程方向）的縱向活動支座下座板局部異常變形，下座板橫橋向中部向下凹陷，兩側翹曲，支座板與灌漿料脫離，產生縫隙；下座板其他區域未發生明顯異常變形。支座的病害情況如圖2所示。

圖2 連續梁支座病害

1.3 支座病害原因分析

支座下座板異常變形的原因可能是初始變形異常或灌漿料強度不足引起的變形。根據現場調研排除初始變形。在現場檢測中發現產生較大變形的下座板下方的灌漿料強度較低。拆除臨時支撐后灌漿料受壓，灌漿料強度不足的一側，由于彈性模量較小在相同壓力作用下發生較大變形。

球型支座下座板的異常變形如果不進行整改，線路開通運營后其變形會繼續發展，造成支座其他部件損傷，進而影響橋梁的運營安全。為達到橋梁支座原設計要求，采用橫橋向同步頂升、縱橋向單墩頂升方案更換支座。

2 梁體頂升的受力分析

為確定更換支座時梁體的安全頂升高度，建立有限元模型（圖3）計算不同頂升高度下主梁應力情況。橋梁成橋后的應力分布狀態與施工過程有關，因此按實際施工過程及支座約束情況計算成橋應力，再與頂升時產生的應力進行疊加，確定主梁的安全頂升高度。

圖3 連續梁有限元模型

2.1 成橋狀態下梁體應力

成橋狀態下主梁頂板、底板應力分別見表1、表2。C55混凝土結構在彎曲受壓及偏心受壓時容許壓應力為18.5 MPa［10］，有箍筋和斜筋時容許主拉應力為2.97 MPa。由表1、表2可知：頂板內側出現拉應力、底板內外側均受壓；主梁的最大壓應力為-10.91 MPa，最大拉應力為1.04 MPa，成橋狀態下主梁的應力符合規范要求。

表1 主梁頂板應力 MPa

表2 主梁底板壓應力 MPa

2.2 頂升引起的梁體應力

在3#墩處施加豎向強迫位移（即頂升），頂升高度分別為5、10、15、20、25、30 mm，其他墩的支座按實際情況進行約束。不同頂升高度下主梁頂底板應力分布見圖4。可見，在3#墩處頂升時2#、3#墩兩側應力曲線變化幅度均較大，3#墩兩側應力略大于2#墩，說明頂升對3#墩相鄰兩側梁體應力影響較大。

圖4 不同頂升高度下主梁頂底板應力

2.3 考慮頂升成橋狀態下梁體應力

將未施加二期恒載時梁體應力和頂升過程中引起的梁體應力進行疊加，得到主梁頂底板的疊加應力，見圖5。可知：①在3#墩處頂升5～30 mm時，梁頂板外側最大壓應力為-11.1 MPa、最大拉應力為0.29 MPa；梁頂板內側最大壓應力為-10.08 MPa、最大拉應力為1.03 MPa，主梁頂板的應力符合規范要求。②在3#墩處頂升5～30 mm時，梁底板外側、內側均受壓，最大壓應力分別為-10.42、-9.80 MPa，主梁底板的應力符合規范要求。

圖5 未施加二期恒載時不同頂升高度下主梁頂底板疊加應力

施加二期恒載后不同頂升高度下主梁頂底板的疊加應力見圖6。可知：①在3#墩處頂升5～30 mm時，頂板外側最大壓應力為-10.50 MPa、最小壓應力為-0.29 MPa；頂板內側最大壓應力為-9.88 MPa、最大拉應力為1.02 MPa，主梁頂板的應力符合規范要求。②在3#墩處頂升5～30 mm時，底板外側、內側均受壓，最大壓應力分別為-8.72、-6.88 MPa，主梁底板的應力符合規范要求。

圖6 施加二期恒載后不同頂升高度下主梁頂底板疊加應力

根據頂升經驗，梁體頂升20 mm即可完成支座更換，同時設計中橋墩允許不均勻沉降值為±20 mm。由圖6可知，梁體頂升20 mm時最大壓應力為-10.67 MPa，最大拉應力為1.03 MPa，均滿足規范要求。因此，建議梁體頂升高度取20 mm。

2.4 梁體頂升的局部受力分析

在橋墩頂部布設液壓千斤頂16臺，每臺液壓千斤頂的頂升力為6 000 kN。根據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》［10］3.1.5條混凝土局部承壓應力提升系數公式，計算得出當千斤頂中心距梁體邊緣60 cm時，混凝土局部承壓應力提高系數β=4.2。其中：A為計算底面積；Ac為局部承壓面積；d/2為局部承壓面的圓心至構件邊緣的最小距離。

根據TB 10092—2017，C55混凝土在中心受壓情況下容許抗壓強度為14.8 MPa，β不應大于3，因此β取3，混凝土局部承壓應力為14.8×3=44.4 MPa。

二期恒載施加后，3#墩處的支反力為47 401.8 kN，所需承壓面積A=47 401.8/（16×44.4）=66 725.5 mm2。

在千斤頂上方鋪設2塊尺寸為260 mm（長）×260 mm（寬）×20 mm（厚）的鋼板即可滿足頂升承壓面積要求。

3 支座更換施工步驟

①施工準備，人員和機具進場、搭設橋墩施工平臺。②連續梁縱向限位，在連續梁梁端的梁縫處使用薄膜內澆筑自流平砂漿進行限位。③拆卸橋墩爬梯和防落梁擋塊。④在頂梁位置的連續梁箱梁內部安裝鋼支柱。⑤安裝千斤頂，每臺千斤頂頂部、底部各放置2塊尺寸為500 mm（長）×500 mm（寬）×20 mm（厚）的鋼板。⑥根據設計要求拆除扣件或放松扣件的扣壓力，并解除支座與梁體（墊石）間的螺栓連接。⑦千斤頂起頂，同一墩（臺）上的支座應同步頂升，支座頂升值間的最大偏差應小于1.0 mm。頂升20 mm時鎖定千斤頂，并安裝臨時支撐。⑧更換支座，鑿除和重新澆筑支座下方的灌漿料。⑨千斤頂回油落梁使支座承壓，梁體就位后擰緊支座與梁體（墊石）間的連接螺栓，拆除梁端砂漿限位、臨時支撐和千斤頂。⑩恢復軌道扣件，檢查軌道狀態。

為保證支座更換順利進行，須在梁底橫斷面對稱安裝位移計，保證在連續梁頂升過程中橫橋向的同步性和可控性。

4 結論

1）未施加二期恒載、在3#墩處頂升5～30 mm時，梁體最大拉應力為1.03 MPa、最大壓應力為-11.1 MPa，梁體應力滿足規范要求。

2）施加二期恒載后，在3#墩處頂升5～30 mm時，梁體最大拉應力為1.02 MPa，最大壓應力為-10.50 MPa，梁體應力滿足規范要求。

3）頂升高度為20 mm，頂升時在千斤頂上方鋪設鋼板，梁底混凝土局部承壓應力可滿足要求。