連續梁橋在頂升施工條件下的數值模擬分析

徐健 張尚偉

摘 要：頂升條件下的連續梁橋受力體系復雜，選用合理的頂升工況可以減少同步頂升的橋墩及千斤頂數量、減少相關設備的使用，本文從力學分析計算的角度，以具體工程實例為背景，采用MADIS CIVIL有限元軟件建立了實體橋梁有限元計算模型，得出了不同頂升工況下連續梁橋的相關力學特性，并對不同頂升位移量條件下梁體的應力、反力、位移的分布規律進行了分析，以達到指導同類橋梁施工的目的。

關鍵詞：頂升;連續梁;力學;受力特性

0 引言

頂升施工是目前橋梁更換支座所采取的主要施工方法，該施工方法應用較為廣泛，已經在各式橋梁的支座更換中得到了應用于發展。頂升施工無需破壞橋梁結構，對橋梁結構影響小，甚至可不中斷交通直接頂升施工。頂升施工方法中，最關鍵的是頂升量的選取，需要對橋梁的相關力學性能進行分析，研究其應力、反力、位移的分布規律，在不破壞橋梁主體結構的前提下以便得出合理的頂升量值，從而選擇合理的頂升施工工藝。

1 工程概況

某跨線橋，六跨預應力混凝土連續T梁橋，跨徑布置為（42+54+54+54+54+42）m，設計荷載為汽-超20級，全寬16.5 m。該橋梁已運營近30年，已經有一定的病害產生，特別是橋梁支座系統，均已不同程度的損壞，且存在一定的橫向位移，需要對其支座系統進行全面更換。

2 有限元計算模型的建立

采用MIDAS Civil有限元軟件建立支座更換計算模型，以主梁、橫隔板，現澆濕接縫為三維梁單元，共1 163個單元，支座單元為受壓單元，共42個單元。在有限元計算中，重點模擬頂升工況對梁體的影響，并考慮了支座的彈性壓縮。

主體結構按照平面桿系理論進行建模，并經過一定的簡化，形成結構離散模型。

3 有限元模型計算結構分析

為了分析結構的相關力學受力性能，主要計算了承載能力極限狀態下，T梁在頂升作用下的抗彎承載力和T梁上下緣的應力包絡圖。

3.1 計算結果

（1）抗彎承載能力計算。正常使用極限狀態下， T梁結構最大正彎矩出現在跨中位置，彎矩值大小為17 652 kN.m，而結構抗力大小為22 685 kN.m，高于計算彎矩值;T梁結構最大負彎矩出現在支座位置，彎矩值大小為7 167.3 kN.m，而結構抗力大小為12 089.6 kN.m，高于計算彎矩值，由此可以判定T梁結構安全。（2）應力計算。在縱向單點逐墩頂升，頂升量為20 mm狀態下， T梁結構最大應力同樣出現在跨中位置，T梁上緣應力大小為12.96 MPa，T梁下緣應力大小為13.46 MPa，而結構應力最大包絡值為23.1 MPa，T梁上下緣均高于計算應力值，由此可以判定T梁結構安全。

3.2 計算結果分析

（1）正常使用極限狀態下，跨中截面的正彎矩值和支點截面的負彎矩值均較大。（2）頂升作用下，主要計算控制指標為T梁上緣和下緣的最大應力，在荷載作用下，連續梁跨中截面與支座截面為最不利位置，如果最不利位置的最大應力均滿足要求，即T梁上緣和下緣的最大應力滿足要求可以近似判定T梁結構承載能力滿足要求。

4 不同頂升工況下的T梁力學特性分析

（1）工況一：支座橫向同步頂升、縱向單點逐墩頂升，頂升量為20 mm。

在該工況下，頂升前主梁上最大拉應力為2.05 MPa，最大壓應力為9.6 MPa。

根據計算結果，可以看出，按工況一條件頂升20 mm高度時：1）在第三排支座位置，即全跨的中點位置處，T梁頂升后產生的拉應力與壓應力都為最大，最大拉應力變化為4.06 MPa，變化增長率達到98%，最大壓應力變化為11.3 MPa，變化增長率達到17.7%，跨中位置為最不利位置。2）頂升工況一條件下，T梁結構其它位置處的應力變化相對較小，例如頂升第二排支座，頂升處的上下緣應力增量為大，而第一排支座，下緣應力增量則較小。相鄰墩頂上下緣應力增量變化規律較為相似，隔跨墩頂上下緣應力增量幾乎可以忽略不計。

（2）工況二：支座橫向同步頂升、縱向多支點逐墩頂升，頂升量為20 mm。

在全部支點同時頂升20 mm的工況條件下，橋面板的局部拉應力增量較大，為了保證更換支座過程中的安全，需對全部支點同時頂升的方案作出優化，為保證結構上下緣應力在結構抗力范圍內，按以下四種工況進行應力及位移的計算。

1）第一排支座頂20 mm，第二排支座頂10 mm;2）第一排支座頂10 mm，第二排支座頂20 mm，第三排支座頂10 mm;

3）第二排支座頂10 mm，第三排支座頂20 mm，第四排支座頂10 mm;4）第一排支座頂10 mm，第三排支座頂20 mm，第五排支座頂10 mm。

計算得出四種狀態的最大拉應力與最大壓應力如表1所示。

混凝土強度值是判定頂升能否進行的基礎指標，表中混凝土應力值均小于混凝土的強度設計值，由此可以判定在進行支座更換時，主梁結構是安全的。第2條件主梁撓度最大，計算最大撓度為2.28 cm;第4條件主梁撓度最小，計算最大撓度為1.01 cm;

根據表1可以判定，應按第一排、第三排、第五排的隔跨規律進行頂升施工。

5 結論

（1）以實際工程為例，對主梁結構的相關承載力和應力進行了分析，根據相關分析可以看出，跨中截面為最不利位置，應作為重點控制，控制的相關指標為T梁上下緣應力;

（2）分析了逐墩頂升20 mm工況下上部結構的應力狀況，并對頂升方案進行了優化，在全跨的中點位置處，T梁頂升后產生的拉應力與壓應力為最大，而其它位置處的應力變化相對較小，隔跨墩頂上下緣應力增量幾乎可以忽略不計。

（3）采用了多種頂升方法，從中選取了最優化的隔跨頂升施工方法，即采用第一排、第三排、第五排的隔跨施工可以最大程度保證結構安全。

參考文獻：

[1]萬飛.簡支轉連續梁橋支座安裝與更換技術試驗研究[D].重慶交通大學，2009.

[2]陳永勇.京滬鐵路小汶河大橋應急加固技術[J].國防交通工程與技術，2012（5）：49-52.

[3]樊娟.不斷交情況下更換橋梁橡膠支座[J].交通世界，2012（14）：215-216.

[4]樊葉華.基于不中斷交通的橋梁支座更換技術研究[J].現代交通技術，2011，8（4）：43-45.