大坡度寬斷面橋梁同步頂升全過程有限元分析

馬廣哲

摘? 要：橋梁頂升工程是指通過使用液壓或機械設備將橋梁升到一定高度，以便進行維修、加固或更換橋梁部件的工程。以哈爾濱東三環某既有橋梁為例，應用Midas-Civil有限元仿真模擬軟件，在施工前，通過對橋梁頂升全過程的仿真模擬分析，提前對危險應力進行干預。該項目共6個工況，分析表明，在前3個工況的分析中，應力均未超限，但在工況4下箱梁底板的拉應力達到σmax=10.6 MPa>[σ]=3.0 MPa，超過相關規范的規定。為此，在保證設計意圖的前提下，對設計給定的某幾個點位的頂升高度進行微調，調整后的拉應力降至σmax=2.9 MPa<[σ]=3.0 MPa，滿足規范的要求，且在隨后2個工況下的施工中，均未再出現超出相關規范要求的應力值。

關鍵詞：橋梁頂升工程；模擬；有限元分析；應力；頂升高度

中圖分類號：U445.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0048-04

Abstract： Bridge jacking project refers to the project of using hydraulic or mechanical equipment to raise the bridge to a certain height for maintenance， reinforcement or replacement of bridge parts. Taking an existing bridge in the East Third Ring Road of Harbin as an example， this paper applies the finite element simulation software Midas-Civil to intervene the dangerous stress in advance through the simulation analysis of the whole process of bridge jacking before construction. The project has six working conditions， and the analysis shows that in the first three working conditions， the stress does not exceed the limit， but under condition 4， the tensile stress of the bottom plate of the box girder reaches σmax=10.6 MPa > [σ] = 3.0 MPa， which exceeds the provisions of the relevant specifications. For this reason， on the premise of ensuring the design intention， the jacking height of some points given by the design is fine-tuned， and the adjusted tensile stress is reduced to σmax=2.9 MPa < [σ] = 3.0 MPa， which meets the requirements of the code， and the stress value that exceeds the requirements of the relevant code does not appear in the construction under the following two working conditions.

Keywords： bridge jacking engineering; simulation; finite element analysis; stress; jacking height

既有橋梁頂升改造是眾學者的一個研究熱點，潘文學等[1]系統地介紹了雙幅橋梁交替同步頂升工藝在施工過程中的方案選擇與確定、工作原理、工藝流程和施工操作方法等，為今后同類型工程提供技術參考經驗。李國雄[2]以某城市橋梁為例，在闡述橋梁概況及結構的基礎上，綜合板梁頂升法和蓋梁頂升法的技術優勢，提出保留橋面鋪裝，頂升蓋梁并接高立柱后再頂升板梁、調換支座的施工方案。趙煥民[3]給出了連續梁整聯頂升復雜限位系統研究，具體給出橋臺、有抱梁柱處橋墩、無抱梁柱處橋墩的限位系統的設計技術參數與簡要的安裝敘述，并對限位系統結構進行了有限元模擬計算。羅露露[4]以該工程為依托，研究混凝土連續箱梁在頂升過程中支撐體系的受力特征，運用有限元分析軟件Midas Civil建立該橋的數值分析模型，模擬梁體頂升過程中鋼支撐受力模式，分析了4種工況下鋼支撐的整體受力性能和穩定性能。劉美景等[5]基于某鐵路橋梁頂升施工圓形混凝土墩柱支座更換工程，提出了2種新型鋼抱箍連接節點，并對其設計原則和設計參數進行了分析；利用ABAQUS軟件建立了2種節點的準確有限元模型，對鋼抱箍節點受力性能開展數值模擬分析，確保了2種新型節點的安全性。

通過以上分析可以發現，鮮有學者對橋梁同步頂升的全過程進行數值模擬并給出全面分析，下面將就某一既有橋梁的頂升前、頂升中以及成橋后的橋梁整體受力狀態進行分析，并對出現危險拉應力時做出的設計調整進行了介紹，確保了施工的安全性。

1? 工程介紹

1.1? 項目簡介

項目源自哈爾濱東三環某既有橋梁，橋梁跨越的化工路（K39+965.867-K42+359.136段）是位于哈爾濱市東部的一條主干路，是哈爾濱市三環路的一部分。頂升橋梁工程南起先鋒路北側400 m處，跨越向化街和鐵路專用線后落地。橋梁起點樁號為K40+392.5，終點樁號為K40+812.5，橋梁全長420 m。全橋均采用30 m簡支轉連續預應力混凝土小箱梁結構，每跨7片梁，單幅橋面寬度23 m，道路中心線為直線，改造前最大縱坡3.65%，最小縱坡3.5%。橋梁標準橋面布置為：2×（0.5 m防撞欄+22.0 m行車道+0.5 m防撞欄）+1.0 m中央分隔帶=47 m，為雙向十二車道。根據伸縮縫布置情況，分為三跨一聯和四跨一聯2種型式。

1.2? 頂升設計總體改造方案

本方案僅對該項目的南側引橋進行分析，南側引橋為4×30 m的簡支轉連續小箱梁，頂升方式為全橋同步頂升，橋梁設計頂升值及墩臺編號等相關參數如圖1所示。在頂升過程中，小箱梁不做處理保留原有結構加以利用，PM291為原有橋臺結構，在頂升前需要拆除并建議新的橋墩，而PM292～PM295無需拆除只需將橋墩接高即可。

4×30 m簡支變連續小箱梁頂升施工過程為：①拆除橋面附屬結構→②安裝臨時限位及支撐結構，箱梁頂板加固→③更換板式橡膠支座為球鉸滑動支座→④試頂升成功后，控制頂升荷載為計算值的50%，切斷橋墩→⑤等角速度頂升至設計高度，頂升期間需要根據縱向變位調整橋梁縱向位移，并確保橋墩的垂直度。4×30 m聯橋梁原來為單坡結構，調坡后變為U型變坡橋梁，施工中應加強監測，目的不僅是為了確保墩頂梁底混凝土的拉應力不超規范要求，更要保證成橋線形的順暢。

2? 頂升施工過程仿真分析

2.1? 模型簡介

應用Midas-Civil有限元建模軟件進行建模，在建模過程中，箱梁結構、橫隔板、虛擬橫梁均采用梁單元建模。結構自重通過調整密度使總重量與施工圖中工程量一致，未考慮橋梁結構橫坡，僅考慮橋梁結構的縱向3.65%的上坡。偏于安全考慮，建模中未考慮厚度為10 cm的C50防水混凝土橋面鋪裝對橋梁承載能力的有利作用，但其自重按照面荷載施加于箱梁結構的梁單元上。考慮預應力束的建模，預應力束包含腹板束、底板束、頂板束，鋼束均為5Φs15.2公稱抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線，錨下控制應力為0.75fpk=1 395 MPa，根據以往施工經驗，考慮了24%預應力損失后的錨下應力為1 060 MPa。

2.2? 檢算工況

根據擬定的4×30 m箱梁頂升施工方案，按照下述6個主要工況對施工過程中箱梁的應力進行檢算。

工況1：老橋拆除橋面附屬結構，箱梁在自持狀態下的應力。

工況2：橋臺處支點向跨中偏置6 m狀態下的應力。

工況3：橋臺支點內偏6 m，每片箱梁頂板設3×120=360 kN碳纖維板預應力。

工況4：內偏6 m支承，按照設計值頂升狀態下的應力。

工況5：內偏6 m支承，調整頂升值，使得箱梁應力不超限。

工況6：成橋狀態支承下，調整頂升值后，箱梁結構的應力。

2.3? 仿真模擬結果

通過仿真模擬計算可以得到每個工況下頂底板的拉壓應力值見表1。可知，在工況4“內偏6 m支承，按照設計值頂升狀態下的應力”下，小箱梁底板的最大應力值高達σmax=10.6 MPa>[σ]=3.0 MPa，超過了相關標準規范的限值，在工況5對頂升值進行調整后，使得箱梁的應力達到了相關規范標準的要求，并在工況6成橋以后，經過模擬所得的應力值也不超限。詳細分析如下。

工況4：內偏6 m支承，按照設計值頂升狀態下的應力。由圖2可知，箱梁頂板中ftmax=1.6 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.0 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，箱梁底板中ftmax=10.6 N/mm2>1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.2 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，超限應力發生在圖2（b）所示位置。

工況5：內偏6 m支承，調整頂升值，使得箱梁應力不超限。頂升值調整情況見表2。對調整后的應力進行分析，由圖3可知，箱梁頂板中ftmax=1.6 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=10.9 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，箱梁底板中ftmax=2.9 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.2 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，調整后的應力值符合相關規范要求。

工況6：成橋狀態支承下，調整頂升值后，箱梁結構的應力。對調整頂升值后的成橋狀態進行仿真模擬分析，由圖4可知，分析表明在箱梁頂板中可以得到ftmax=0.63 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=10.49 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，箱梁底板中可以得到ftmax=2.92 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=6.64 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，相關應力計算結果均滿足規范要求。

3? 結論

本文對哈爾濱東三環某一大坡度寬斷面的既有橋梁進行了全過程仿真模擬分析，主要得到以下結論。

1）正式頂升前，對橋梁進行拆除附屬結構處理、橋臺處支點向跨中偏置處理以及設碳纖維板處理后橋梁結構的受力狀態良好，最大拉壓應力分別為ftmax=2.2 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，fcmax=15.6 N/mm2<0.7[fck]=22.7 N/mm2，滿足相關規范要求。

2）在按照設計值頂升以后，在頂升點位之上出現了危險拉應力ftmax=10.6 N/mm2>1.15[ftk]=3.0 N/mm2，超過了相關規范允許的限值，經過對設計頂升值微調之后最大拉應力降至ftmax=2.9 N/mm2<1.15[ftk]=3.0 N/mm2，在理論上達到了施工規范要求。

3）在進行橋梁頂升值微調時，對PM292、PM293、PM294三個中間墩位頂升點進行了微調，禁止對兩端接口進行微調避免梁體對接不上，且微調時應盡量多點位微調，避免只對1個點位微調從而造成梁體出現明顯的凹陷或凸鼓。

參考文獻：

[1] 潘文學，潘震.多跨簡支連續組合箱梁橋整體交替同步頂升施工及應用研究[J].建筑監督檢測與造價，2022，15（5）：47-52，68.

[2] 李國雄.橋梁整體頂升施工技術應用探析[J].交通世界，2022（35）：142-144.

[3] 趙煥民.大坡度寬斷面連續梁整聯頂升復雜限位系統研究[J].科技創新與應用，2023，13（3）：161-164.

[4] 羅露露.橋梁頂升過程中鋼支撐體系受力性能分析[J].山西建筑，2023，49（10）：175-179.

[5] 劉美景，康雪成，范圣剛，等.橋梁頂升施工中鋼抱箍節點受力性能分析[J].建筑鋼結構進展，2022，24（10）：89-97.