鋼桁梁橋加固頂升方案比選及受力分析

殷新鋒, 許方塔, 齊林, 林偉, 茍勇

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114;2.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 上海 200070;3.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 橋梁公司, 四川 成都 610041)

由于交通量和荷載等級不斷提升,舊橋的承載能力逐漸達(dá)到其設(shè)計范圍,已不能滿足交通需求,須進(jìn)行加固改造[1-2]。鋼桁梁橋的加固改造方法主要有體外預(yù)應(yīng)力加固、增大構(gòu)件截面加固和原位拓寬改建等[3-6]。在實施加固之前,如何使鋼桁梁橋處于最佳狀態(tài)至關(guān)重要。本文以某運河雙旋轉(zhuǎn)鋼桁梁橋頂升加固為例,建立有限元模型,分析不同位置頂升力作用下鋼桁梁橋的受力狀況,確定鋼桁梁橋在頂升過程中的最佳受力狀態(tài),為鋼桁梁橋加固做準(zhǔn)備。

1 工程概況

某雙翼平旋開啟式鋼桁梁鐵路橋,全長600 m,主跨單懸臂長160 m,旋轉(zhuǎn)合龍后主跨長320 m、邊跨長140 m,全橋?qū)?0 m。該橋位于主要航運通道,有火車通過時將兩岸沿運河方向位置的鋼桁梁橋旋轉(zhuǎn)至與運河通道垂直的方向,兩橋跨中合龍后方能使火車通過(見圖1)。

圖1 橋梁旋轉(zhuǎn)示意圖

全橋分為主塔底部旋轉(zhuǎn)構(gòu)件、橋梁主體構(gòu)造和端頭鎖定構(gòu)件三部分,由轉(zhuǎn)盤帶動全橋進(jìn)行轉(zhuǎn)體合龍。圖2為全橋三維模型,圖3～5為各構(gòu)件構(gòu)造。

圖2 全橋三維模型

圖3 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

圖5 鎖定構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖

該橋經(jīng)過20年的使用,受日益增長的交通壓力和整體性能下降的影響,已不能滿足承載力要求。

東西兩岸半橋需要整體頂升,一方面對轉(zhuǎn)動裝置中心軸混凝土結(jié)構(gòu)及主塔區(qū)域支座支撐點進(jìn)行升級加固,另一方面使現(xiàn)有橋梁在頂升完成后處于無應(yīng)力或低應(yīng)力狀態(tài),以便進(jìn)行各部位桿件焊接和升級加固。

本文以西岸半橋頂升為例,研究加固頂升方案和不同支點頂升力作用下橋梁線形、應(yīng)力與節(jié)點反力,確定最優(yōu)頂升方案。加固前西岸半橋總質(zhì)量約為4 500 t。在未合龍時,全橋全部質(zhì)量由主塔底部轉(zhuǎn)盤上的8個盆式支座支撐。采用YSD8000-30自鎖式千斤頂進(jìn)行液壓頂升,千斤頂量程為8 105 kN。

2 頂升方案

液壓頂升技術(shù)作為一種橋梁改造方法,在不改變原有橋梁結(jié)構(gòu)的情況下,通過頂升改變橋梁的位置,頂升過程具有特殊性、復(fù)雜性和風(fēng)險不確定性,如何控制頂升過程中的風(fēng)險至關(guān)重要[7-11]。

由于鋼桁梁橋在加固前兩端處于懸臂狀態(tài),各桿件應(yīng)力較大,須將兩端懸臂頂升至低應(yīng)力狀態(tài)后再進(jìn)行加固。該橋千斤頂放置位置見圖6、圖7。

圖6 橋面下緣千斤頂放置位置

圖7 橫向千斤頂放置位置

由于千斤頂數(shù)量有限,不能在A(a)～J(j)節(jié)點都布置千斤頂,在某節(jié)點頂升完成后布置支架,將千斤頂移至另一節(jié)點進(jìn)行頂升。頂升方案如下:方案一為從節(jié)點A(a)至節(jié)點E(e)、節(jié)點J(j)至節(jié)點F(f)依次頂升;方案二為從節(jié)點E(e)至節(jié)點A(a)、節(jié)點F(f)至節(jié)點J(j)依次頂升;方案三為按照C(c)→B(b)→A(a)→D(d)→E(e)、H(h)→I(i)→J(j)→G(g)→F(f)的順序依次頂升。通過有限元模擬計算不同頂升方案下全橋應(yīng)力,選擇最優(yōu)頂升方案。

3 有限元計算結(jié)果與分析

3.1 頂升前受力分析

頂升前,全橋處于兩端懸臂狀態(tài),由主塔底部轉(zhuǎn)盤處8個盆式支座支撐。采用有限元軟件建立圖8所示有限元模型,計算得到懸臂狀態(tài)下各節(jié)點撓度(見表1)、橋梁整體變形與應(yīng)力(見圖9、圖10)。由圖10可知:頂升前,全橋最大應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點E(e)附近,為112.5 MPa。

表1 懸臂狀態(tài)下各節(jié)點的撓度

圖8 有限元模型

圖9 懸臂狀態(tài)下橋梁變形計算結(jié)果(單位:mm)

圖10 懸臂狀態(tài)下橋梁應(yīng)力計算結(jié)果(單位:MPa)

根據(jù)3種頂升方案模擬全橋應(yīng)力,最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖11所示的4個位置。

圖11 最大應(yīng)力點

3.2 方案一下受力分析

按照方案一進(jìn)行頂升,先將A(a)和I(i)節(jié)點頂升至支座水平面,再依次將各節(jié)點頂升至支座水平面。頂升過程中各節(jié)點撓度見圖12,最大應(yīng)力點處應(yīng)力變化見圖13,節(jié)點反力見表2。

表2 頂升方案一下各頂升階段的節(jié)點反力

圖12 頂升方案一下各節(jié)點撓度

圖13 頂升方案一下各頂升階段的應(yīng)力

由圖12可知:按方案一進(jìn)行頂升,兩頂升節(jié)點間最大跨中撓度為-4.2 cm。

由圖13可知:按方案一進(jìn)行頂升,頂升B、I時3號點的應(yīng)力最大,為-112.9 MPa。

由表2可知:按方案一進(jìn)行頂升,最大節(jié)點反力出現(xiàn)在頂升C、H的過程中,節(jié)點H的反力最大,為3 885 kN。

3.3 方案二下受力分析

按照頂升方案二進(jìn)行頂升,依次將靠近支座的頂升節(jié)點頂升至支座水平面。頂升過程中各節(jié)點撓度見圖14,最大應(yīng)力點處應(yīng)力變化見圖15,節(jié)點反力見表3。

表3 頂升方案二下各頂升階段的節(jié)點反力

圖14 頂升方案二下各節(jié)點撓度

圖15 頂升方案二下各頂升階段的應(yīng)力

從圖14可以看出:按方案二進(jìn)行頂升,懸臂端最大撓度分別為-21.3 cm、-16.0 cm、-10.9 cm、-5.2 cm、-1.2 cm。

由圖15可知:按方案二進(jìn)行頂升,頂升A、J時2號點的應(yīng)力最大,為96.7 MPa。

由表3可知:按方案二進(jìn)行頂升,頂升過程中最大節(jié)點反力出現(xiàn)在頂升E、F的過程中,節(jié)點E的反力最大,為6 756 kN。

3.4 方案三下受力分析

按方案三進(jìn)行頂升,先將節(jié)點C、H頂升至支座水平面,接著向懸臂端頂升,然后向支座方向頂升。頂升過程中各節(jié)點撓度見圖16,最大應(yīng)力點處應(yīng)力變化見圖17,節(jié)點反力見表4。

表4 頂升方案三下各頂升階段的節(jié)點反力

圖16 頂升方案三下各節(jié)點撓度

圖17 頂升方案三下各頂升階段的應(yīng)力

由圖16可知:按方案三進(jìn)行頂升,最大懸臂端撓度為-4.5 cm,兩頂升節(jié)點間最大跨中撓度為-1.3 cm。

由圖17可知:按方案三進(jìn)行頂升,頂升A、J時3號點的應(yīng)力最大,為90.3 MPa。

由表4可知:按方案三進(jìn)行頂升,頂升過程中最大節(jié)點反力出現(xiàn)在頂升C、H的過程中,節(jié)點C的反力最大,為6 078 kN。

3.5 頂升方案確定

綜上,采用方案三進(jìn)行頂升,最大應(yīng)力點的應(yīng)力比方案一、方案二下的小,最安全;最大節(jié)點反力約為千斤頂量程的75%<80%,滿足要求。方案三為最優(yōu)頂升方案。

4 結(jié)論

本文以鋼桁梁橋為例,模擬計算不同頂升方案下鋼桁梁橋的受力狀況。方案一采用從懸臂端頭向主塔支座方向依次頂升的方法,頂升過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為-112.9 MPa,出現(xiàn)在頂升B、I時3號點;最大反力為3 885 kN,出現(xiàn)在頂升C、H時節(jié)點H。方案二采用從主塔支座向懸臂端頭方向依次頂升的方法,頂升過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為96.7 MPa,出現(xiàn)在頂升A、J時2號點;最大反力為6 756 kN,出現(xiàn)在頂升E、F時節(jié)點E。方案三采用先從懸臂中間向懸臂端頭方向頂升,再向主塔支座方向頂升的方法,頂升過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為90.3 MPa,出現(xiàn)在頂升A、J時3號點;最大反力為6 078 kN,出現(xiàn)在頂升C、H時節(jié)點C。采用方案三頂升時,整體應(yīng)力比方案一、方案二下的小,且最大節(jié)點反力滿足施工要求,方案三為最優(yōu)頂升方案。