曲線橋梁爬移復(fù)位受力性能分析

吳 焱，吳佳佳

（1.山西省交通運(yùn)輸安全應(yīng)急保障技術(shù)中心（有限公司），山西太原 030006；2.山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

1 概述

曲線橋梁美觀、適應(yīng)性好，廣泛應(yīng)用于高速公路橋梁和城市立交橋。部分橋梁由于曲率半徑小、長聯(lián)多孔、溫度效應(yīng)、伸縮縫堵塞卡死等因素耦合，運(yùn)營中出現(xiàn)了梁體橫向爬移等病害[1-2]，甚至導(dǎo)致外側(cè)擋塊擠壓破壞，嚴(yán)重影響橋梁安全運(yùn)營。橋梁爬移復(fù)位普遍采用豎向頂升與水平頂推相結(jié)合，施工過程中如何避免橋梁二次損傷是技術(shù)人員面臨的首要難題。陳亮[3]等研究了立交橋梁體偏位成因分析并針對依托工程提出了維修加固措施。程海潛[4]等研究了橋梁整體頂升平移復(fù)位施工技術(shù)，驗(yàn)證了其工程可行性。本文開展了曲線橋梁橫向爬移頂升復(fù)位過程中梁體的受力性能研究，提出適用于曲線橋梁梁體復(fù)位的合理施工方案。

2 曲線橋梁豎向頂升方法研究

某單箱單室梁橋，橋面總寬10.8 m，跨徑分布為4×20 m，橋墩編號為0～4 號墩，其中1～3 號墩為獨(dú)柱墩。橋梁關(guān)鍵測試斷面如圖1 所示。

圖1 橋梁關(guān)鍵斷面（單位：m）

2.1 曲率半徑對橋梁頂升受力性能影響

橋梁豎向頂升常用的方法有單墩頂升、多墩同步頂升、多墩非同步頂升。在保證對稱頂升的前提下，根據(jù)中間墩頂升高度的不同設(shè)計(jì)豎向頂升施工方案如表1。為研究曲率半徑變化對曲線橋梁豎向頂升施工時(shí)受力性能的影響，分別建立曲率半徑75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m 的橋梁有限元模型，如圖2，橋梁豎向頂升通過節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移模擬。

表1 不同施工方案的豎向頂升高度 單位：mm

圖2 橋梁有限元模型

不同施工方案及曲率半徑對應(yīng)橋梁關(guān)鍵斷面底面的應(yīng)力（拉正壓負(fù)）如圖3。

圖3 各頂升施工方案關(guān)鍵斷面應(yīng)力

由圖3 可知，不同曲率半徑下橋梁采用同一種豎向頂升方案施工時(shí)應(yīng)力離散性較小；單墩頂升、多墩非同步頂升、多墩同步頂升施工時(shí)不同曲率半徑橋梁的應(yīng)力最大差異分別為3.8%、5.7%、10.0%，因此曲率半徑對橋梁豎向頂升施工的作用效應(yīng)影響有限；不同曲率半徑橋梁分別采用不同施工方案進(jìn)行豎向頂升施工，最大（小）應(yīng)力均為2 號、4 號截面，即豎向頂升施工時(shí)墩頂截面作用效應(yīng)最大，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)其應(yīng)變監(jiān)測。

2.2 不同頂升方案對橋梁受力性能影響

選取曲率半徑1 000 m 的橋梁作為研究對象，進(jìn)一步研究采用不同豎向頂升施工方案時(shí)橋梁的受力性能，根據(jù)1 號墩（3 號墩）與2 號墩的頂升高度比值的不同，設(shè)計(jì)5 種頂升施工方案如表2。

表2 不同施工方案的豎向頂升高度 單位：mm

分別建立有限元模型對各施工方案進(jìn)行分析，橋梁關(guān)鍵斷面底面應(yīng)力見圖4。結(jié)果表明，采用方案一施工，橋梁縱向全長范圍內(nèi)梁體應(yīng)力均最大，因此不建議采用單墩頂升；多墩頂升施工時(shí)方案四產(chǎn)生的梁體應(yīng)力最小，最大壓應(yīng)力為0.36 MPa，且橋梁全長范圍內(nèi)梁底均為壓應(yīng)力；方案三與方案五次之，最大壓應(yīng)力分別為0.72 MPa 和0.86 MPa；方案二產(chǎn)生的應(yīng)力較大，最大壓應(yīng)力為1.11 MPa。因此，采用方案四施工梁體作用效應(yīng)最小，有利于保證施工安全。

圖4 各豎向頂升施工方案的梁體應(yīng)力對比

3 曲線橋梁水平頂推方法研究

分別采用單墩徑向頂推（1號墩）、整體徑向頂推、整體垂直弦向頂推的施工方式，將曲率半徑75 m、100 m、200 m、300 m、500 m、1 000 m 的橋梁向曲線外側(cè)頂推5 mm，繪制水平頂推施工時(shí)橋梁曲線外側(cè)底面的應(yīng)力如圖5。需要說明的是，梁體水平方向的截面特性對稱，即水平頂推施工曲線內(nèi)外側(cè)截面的應(yīng)力絕對值是相等的，因此可取絕對值作為施工的最大拉應(yīng)力。

圖5 不同曲率半徑橋梁頂推施工的梁體應(yīng)力

由圖5 可知，不同曲率半徑橋梁采用同一種施工方案頂推復(fù)位施工時(shí)梁體的總體受力趨勢基本一致；單墩頂推施工應(yīng)力最大，最大應(yīng)力位于頂推墩，為3.45 MPa，且梁體其他部位的應(yīng)力均大于其他兩種施工方案，應(yīng)力集中明顯；整體垂直弦向頂推與整體徑向頂推施工最大應(yīng)力均位于跨中，分別為0.65 MPa、0.20 MPa，墩頂應(yīng)力較小；整體垂直弦向頂推施工應(yīng)力最小，安全風(fēng)險(xiǎn)最低。

綜上，單墩頂推施工作業(yè)周期長，且作用效應(yīng)較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，因此不建議采用；整體垂直弦向頂推與整體徑向頂推施工作業(yè)周期短，安全風(fēng)險(xiǎn)低，且整體垂直弦向頂推作用效應(yīng)最小，為優(yōu)選施工方案；為掌握施工過程中梁體實(shí)際受力情況，精準(zhǔn)控制施工進(jìn)度，應(yīng)加強(qiáng)跨中應(yīng)力及墩頂位移監(jiān)測。

進(jìn)一步繪制整體垂直弦向頂推與整體徑向頂推施工跨中截面應(yīng)力隨曲率半徑的變化曲線如圖6，可以發(fā)現(xiàn)，梁體的跨中截面應(yīng)力隨曲率半徑的增大而減小，曲率半徑大于300 m 時(shí)，兩種施工方案的應(yīng)力趨于平穩(wěn)，且基本一致，最大應(yīng)力差僅為0.2 MPa。因此，曲率半徑大于300 m 時(shí)，整體徑向頂推也可作為推薦施工方案。

圖6 水平頂推施工關(guān)鍵斷面應(yīng)力隨曲率半徑的變化

4 復(fù)位實(shí)施

a）施工準(zhǔn)備 存在影響結(jié)構(gòu)安全的病害時(shí)應(yīng)先對病害進(jìn)行處理后方可進(jìn)行梁體復(fù)位施工。梁體復(fù)位施工應(yīng)解除伸縮縫等橋梁縱向連接，清除伸縮縫及梁端間混凝土棄渣；并在擋塊與主梁之間塞木板或鋼板，作為限位控制裝置。

b）頂升設(shè)備安裝 千斤頂安放位置應(yīng)打磨平整，并加墊20 mm 厚鋼板，以避免局部應(yīng)力集中。為保證頂升過程中的梁體安全，應(yīng)在頂升點(diǎn)安裝位移監(jiān)測裝置；根據(jù)工程實(shí)際情況選取關(guān)鍵斷面全過程監(jiān)測梁體應(yīng)變，掌握施工過程中梁體受力性能。

c）整體頂升 首先進(jìn)行試頂加載，頂至主梁脫空2～5 mm 時(shí)停止，穩(wěn)定5～10 min 并進(jìn)行觀察，無任何異常后方可開始整體頂升。所有千斤頂按設(shè)計(jì)的行程同步緩慢分級頂升，梁體每上升5 mm 為一級，梁體升高不得超過10 mm。頂升到預(yù)定高度后，鎖定千斤頂保護(hù)環(huán)。

d）更換頂推臨時(shí)支座 在梁體頂升至預(yù)定高度后，取出舊支座，在墊石頂面粘貼臨時(shí)鏡面不銹鋼板，安裝聚四氟乙烯滑板支座，安裝時(shí)應(yīng)將四氟板滑動面朝下。

e）卸載落梁 解除千斤頂保護(hù)環(huán)，與分級加載的順序相反分級卸載。落梁過程與頂升過程控制要求相同，要求同步、緩慢分級卸載。

f）頂推復(fù)位設(shè)備安裝 在端橫梁、現(xiàn)澆中橫梁及蓋梁上，安裝反力架。考慮到蓋梁頂橫坡影響，反力架底部加墊楔形鋼板找平。千斤頂安裝時(shí)著力方向應(yīng)與設(shè)計(jì)頂推方向一致。并根據(jù)頂升設(shè)備安裝步驟安裝位移、壓力等監(jiān)控設(shè)備。

g）梁體頂推復(fù)位 所有千斤頂緩慢分級頂進(jìn)，千斤頂必須按設(shè)計(jì)的行程同步頂進(jìn)，應(yīng)控制復(fù)位速度在1 mm/min 左右。

h）更換永久支座 與更換臨時(shí)支座步驟相同，應(yīng)注意及時(shí)拆除墊石頂鏡面不銹鋼鋼板。

i）新增或修復(fù)擋塊 橋梁頂升復(fù)位后，對橋梁原有限位設(shè)施進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)工程實(shí)際情況可考慮新增、修復(fù)擋塊等限位措施，擋塊內(nèi)側(cè)應(yīng)安裝抗震橡膠墊塊。

j）梁體頂升復(fù)位施工應(yīng)嚴(yán)格實(shí)施過程監(jiān)控，梁體如有異常必須立即停止施工，查找原因，消除隱患后方可繼續(xù)頂升梁體。

5 結(jié)論

通過有限元分析了曲線橋梁頂升復(fù)位梁體的受力性能，結(jié)論如下：

a）曲率半徑對橋梁豎向頂升的受力性能影響有限；不同曲率半徑橋梁水平頂推復(fù)位施工時(shí)梁體的總體受力趨勢基本一致，梁體應(yīng)力隨曲率半徑的增大而減小。

b）豎向頂升施工，次邊墩與中墩的頂升量為7 mm、10 mm 時(shí)應(yīng)力最小，為優(yōu)選頂升方案，施工過程應(yīng)加強(qiáng)連續(xù)墩處的應(yīng)力及位移監(jiān)測。

c）水平頂推復(fù)位施工，整體垂直弦向頂推最大應(yīng)力位于跨中，施工應(yīng)力最小，為優(yōu)選方案，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)跨中應(yīng)力及兩端位移監(jiān)測。曲率半徑大于300 m時(shí)，整體徑向頂推與整體垂直弦向頂推施工應(yīng)力相差不大，可作為推薦方案。

d）提出曲線橋梁復(fù)位實(shí)施步驟及技術(shù)要點(diǎn)。