高速鐵路簡支箱梁千斤頂頂升布置可靠性數值分析

高速鐵路建造技術國家工程實驗室 湖南長沙 410075；中鐵九局集團第三建設有限公司 廣州佛山 528000

摘要：本文依托某高鐵特大橋工程為研究對象，為不改變原橋梁結構受力狀態更換破損支座，采用有限元計算軟件（ANSYS）參數化（APDL）建模進行仿真模擬、分析、計算進行比選，從而制定出更安全、更可靠的施工方案，為今后同類型橋梁頂升更換支座提供參考。

關鍵詞：高速鐵路;簡支箱梁;整體同步;頂升支座;數值分析

橋梁整體同步頂升技術對既有橋梁支座進行改造，對高速鐵路的交通及環境影響較小，可產生良好的社會以及經濟效益。但是橋梁頂升施工難度、風險較大，因此精準合理的結構數值分析是施工方案和施工工藝的保證。

本文依托某高鐵特大橋工程通過數值模擬求解出高鐵橋梁支座更換時的千斤頂選擇和布置方案以及更換過程中結構內力和支座反力及撓度的變化規律，為高鐵橋梁支座更換同步頂升監控提供控制理論數據。同時對類似工程提供指導及參考。

1.有建立限元模型

高鐵橋梁結構的主要組成部分包括： 31.5m 預應力箱梁、鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層等，相應的計算模型如下圖：

根據某設計確定箱梁界面形式，橋梁及上部軌道結構的材料均采用線彈性本構關系;橋梁、支承層、道床板均采用Solid65實體單元模擬，各單元之間通過共節點連接;預應力筋采用Link8 單元模擬;鋼軌采用Beam188單元模擬;扣件采用Combin14和Combin39單元模擬。橋梁固定端上方的底座板與梁體之間的剪力槽通過耦合節點之間的三個方向自由度進行精確模擬，并通過對約束處施加強制位移來模擬實際頂升過程。

2.橋梁千斤頂布置數值分析

2.1千斤頂選擇

（1）橋梁-軌道重量計算

某橋梁（簡支梁）雙塊式無砟軌道設備重量為3.489～4.035（t/線/m）、本設計為方便施工將直、曲線合并設計，采用的橋面二期恒載為：整體式聲屏障按158kN/m;欄桿、插板式聲屏障按136kN/m計算。

（2）千斤頂數量計算

由于墩頂作業空間小，頂升作業是在橋梁運行空窗期，橋上不允許列車通行，故千斤頂主要承受橋梁-軌道結構自重和二期恒載之和。綜合考慮各種不利因素的影響，可計入1.2倍以上的增大系數比較適合。

通過計算可知，千斤頂需要頂升的總重量為：1323.8×1.2=1588.56T≈1600T;

千斤頂噸位：1600T÷4=400T（理論選4個千斤頂即可）

綜上，因本工程采用了12臺千斤頂（200t），可提供2400T的頂升力，安全儲備系數達到了1.72，遠遠滿足施工需求。

2.2千斤頂布置

臨時支撐及千斤頂布置圖如圖所示。臨時支撐采用鋼墊塊臨時支撐，由槽鋼焊接而成。

本工程采用12臺200T液壓自鎖千斤頂，千斤頂的安裝采用汽車吊機+手拉葫蘆結合方式安放至設計位置。由于墩頂作業空間小，設備數量多、體積大，故千斤頂采用對稱布置的原則，首先在墩頂應力分布鋼板上將千斤頂及臨時支撐的擺放位置放線標記，有利于實際施工布置。具體布置方式采用直線布置或品字形布置，如下圖。

2.3千斤頂布置數值計算分析

本次支座更換過程將在同一橋墩上的四個盆式橡膠支座附近采用直線式和品字形布置千斤頂，數值仿真將在每個支座附近分別沿直線和品字形施加約束來模擬千斤頂直線式的布置。在采用千斤頂直線式和品字形布置完成后，此時將由千斤頂承擔在橋梁-軌道結構自重作用下的支座反力，通過ANSYS有限元軟件分析結構在自重作用下的受力情況，來判斷千斤頂布置方式的合理性。

1.直線式布置自重作用下主梁結果分析

本次模擬采用三跨簡支梁，可將中間跨簡支梁結構作為分析對象，對結構的應力、位移、支反力的計算結果進行分析。

（1）應力分析

由應力云圖與梁底順橋向及橫向應力圖可知，最大拉應力僅出現在支座位置邊緣，個別區域大于C50混凝土軸心極限抗拉強度3.10MPa，出現這一現象的主要原因是在數值模擬過程中支座處約束條件的失真和應力集中造成的，由于實際中配置了縱向橫向鋼筋，本次模擬進行了未配置鋼筋，所以不會對實際造成危險。對于跨中位置，梁底最大拉應力約為0.2MPa，小于3.10MPa，最大壓應力約為3.3MPa，小于軸心極限抗壓強度33.5MPa。最大第一主拉應力約為0.5MPa，也小于3.10MPa。梁頂主要承受壓應力，均小于33.5MPa，第一主拉應力約為0.75MPa，同樣小于3.10MPa。

（2）位移分析

根據位移云圖可知，在支座位置由于約束作用，基本不發生位移，自重作用下最大撓度出現在跨中位置，在直線布置千斤頂時豎向最大位移達到了約3.5mm。

（3）支反力分析

在自重作用下，各排支座數據如上表所示，由于本次采用等截面箱梁，本次模型的總重量包括整體梁重和二期恒載（軌道結構），經計算在1300T左右。

總重量=（6711+6852）÷10=1356.3T;通過支反力推算出質量大約在1356.3T左右，基本符合。

2.品字形布置自重作用下主梁結果分析

對部分區域節點施加約束，模擬品字形千斤頂布置。

（1）應力分析

由應力云圖與梁底順橋向及橫向應力圖可知，最大拉應力僅出現在支座位置邊緣，個別區域大于C50混凝土軸心極限抗拉強度3.10MPa，出現這一現象的主要原因是在數值模擬過程中支座處約束條件的失真和應力集中造成的，由于實際中配置了縱向橫向鋼筋，本次模擬進行了未配置鋼筋，所以不會對實際造成危險。對于跨中位置，梁底均處于受壓狀態，由于預應力的存在，最小壓應力約為0.3MPa，最大壓應力約為2.75MPa，小于軸心極限抗壓強度33.5MPa。最大第一主拉應力約為0.5MPa，也小于3.10MPa。梁頂主要承受壓應力，均小于33.5MPa，第一主拉應力約為0. 5MPa，同樣小于3.10MPa。

（2）位移分析

根據位移云圖可知，在支座位置由于約束作用，基本不發生位移，自重作用下最大撓度出現在跨中位置，在直線布置千斤頂時豎向最大位移達到了約1.4mm。

（3）支反力分析

在自重作用下，與直線式布置一致。

3結語

通過對兩種千斤頂布置方式在自重情況下的模擬計算，結構主要承受壓應力，其中直線式布置，拉應力主要出現在支點位置及跨中底面，不考慮約束條件的失真和應力集中導致的支座處應力奇異，梁底順橋向最大拉應力為0.2MPa，最大壓應力約為3.3MPa，最大第一主拉應力約為0.75MPa，最大豎向位移3.5mm;

品字形布置，拉應力主要出現在支點位置及跨中底面，同樣不考慮約束條件的失真和應力集中導致的支座處應力奇異，最大壓應力約2.75MPa，最大豎向位移約1.5mm。

綜上分析，最終采用千斤頂品字形布置方案進行施工，順利完成橋梁頂升更換支座施工，工后各項監測指標均滿足相關規范要求。

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作者簡介：

王東利（1970-），男，河北圍場縣人，本科，高級工程師，研究方向為橋梁工程。

基金項目：

中國中鐵股份有限公司科技研究開發計劃項目（重大專項課題，編號：2020-專項-02）