混凝土橋更換支座施工中結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析

陳 葉， 李燁明， 王 博， 李義強(qiáng)

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.天津港股份有限公司，天津 300461； 3.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043)

橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，直接影響著橋梁的使用壽命和結(jié)構(gòu)安全[1]。橋梁支座位于橋梁和墊石之間，將橋梁上部主體所承受的荷載和變形傳遞到墩臺(tái)上，減少混凝土結(jié)構(gòu)因荷載、溫度變化引起的脹縮變形，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不受損傷。

在橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于受到列車活載、施工缺陷、后期養(yǎng)護(hù)不到位等多種因素影響，橋梁支座出現(xiàn)了剪切變形過(guò)大、疲勞裂紋、支座脫空、錯(cuò)位、老化銹蝕等許多常見(jiàn)病害，引起橋跨結(jié)構(gòu)受力及動(dòng)力性能的顯著變化，影響運(yùn)營(yíng)安全。病害嚴(yán)重的支座需進(jìn)行更換，通過(guò)更換支座能夠達(dá)到消除支座病害的目的。

更換支座時(shí)利用同步頂升技術(shù)，可以盡量減少交通中斷時(shí)間，縮短工期。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹了PLC同步頂升位移施工技術(shù)，并利用有限元法進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)算梁體混凝土結(jié)構(gòu)受力性能，保證橋梁的安全施工及正常運(yùn)行。

1 工程概況

某鐵路橋全橋共84孔(見(jiàn)圖1)，橋跨布置為55～32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁+(48+3×64+48)m連續(xù)鋼桁梁橋+(24～32)m預(yù)應(yīng)力混凝土梁，橋梁全長(zhǎng)2 895.83 m。其中預(yù)應(yīng)力混凝土梁支座為盆式橡膠支座，橋墩為板式墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，橋梁設(shè)置有防落梁裝置。

圖1 某鐵路橋橋型布置圖

2 更換支座關(guān)鍵技術(shù)

2.1 頂升方案

本文支座更換頂升時(shí)采用的同步頂升系統(tǒng)是以PLC控制器為主控系統(tǒng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)、檢測(cè)傳感器調(diào)整各臺(tái)頂升千斤頂壓力，保持頂升過(guò)程中頂升力的平衡，控制千斤頂頂程，保持千斤頂平移的同步性，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)同步頂升位移，是一種力和位移綜合控制的頂升系統(tǒng)和方法[2]。

針對(duì)該鐵路混凝土橋的構(gòu)造特點(diǎn)，采用縱向逐墩、橫向同步的方式對(duì)梁體進(jìn)行頂升。頂升過(guò)程中對(duì)位移和頂升力兩方面進(jìn)行控制，以確保梁體結(jié)構(gòu)的安全。正式頂升之前須試頂升，測(cè)定各千斤頂頂力值、支座反力是否與設(shè)計(jì)值相符，消除整個(gè)頂升系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及非彈性變形，卸載后認(rèn)真檢查千斤頂位置上下結(jié)構(gòu)物是否有變形[3]。

梁底與支撐墊石之間的操作空間有限，采用以往單個(gè)千斤頂頂升的方案不適用。采用群頂?shù)攘斏┕ぃ髑Ы镯旐斏偤拖喈?dāng)于支座反力。為了降低支座處頂升對(duì)線路標(biāo)高的影響，并充分考慮每跨兩片梁之間協(xié)調(diào)變形，本工程采取對(duì)同一墩頂4片梁體同步頂升方案，采取限位措施防止梁體位移。結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)荷載總重和頂升安全儲(chǔ)備系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)采用50 t千斤頂布置在順橋向支座兩側(cè)墊石上各3個(gè)，以保證在有限空間內(nèi)支座順利取出。為保證墊石及梁體局部受力安全，在千斤頂頂?shù)酌娣胖?00 mm×400 mm×25 mm厚的鋼板加橡膠墊片。千斤頂布置如圖2所示。

圖2 千斤頂布置圖(單位：cm)

具體施工步驟為：拆改施工影響范圍內(nèi)的附屬設(shè)施→利用墩頂圍欄準(zhǔn)備施工作業(yè)平臺(tái)→鑿除支座受力影響范圍外支承墊石、拆改限位架→布置千斤頂→布置同步頂升系統(tǒng)→布置監(jiān)控設(shè)施→布置縱向及橫向臨時(shí)限位設(shè)施→預(yù)頂升→排除故障對(duì)原軌道高程、間距等進(jìn)行測(cè)量，窗口期解除軌道聯(lián)結(jié)→正式頂升→設(shè)置臨時(shí)支撐→落梁至臨時(shí)支撐→拆除舊支座→安裝新支座并錨固螺套→同步頂升落梁→安裝梁體雙向橫向臨時(shí)限位裝置→運(yùn)營(yíng)前恢復(fù)軌道聯(lián)結(jié)，檢查軌道高程、軌距等→支座表面防腐處治→現(xiàn)場(chǎng)清理。

2.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)考慮到梁體原有坡度以及單墩同步頂升時(shí)產(chǎn)生的坡度，為防止梁體同步頂升過(guò)程中出現(xiàn)梁體自高向低的位移，在低端的梁縫處設(shè)置縱向限位裝置。同時(shí)為防止梁體頂升過(guò)程中出現(xiàn)橫橋向位移，在墩帽上梁體兩側(cè)加裝4套橫向限位架。為保證及檢驗(yàn)同步頂升的準(zhǔn)確，加強(qiáng)頂升過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，在梁體兩側(cè)加裝位移傳感器、百分表，并設(shè)定同步頂升誤差值，一旦同步頂升各點(diǎn)的頂升高度差超過(guò)2 mm，系統(tǒng)報(bào)警，同步頂升作業(yè)停止工作；在梁體的四角安裝拾振器，避免施工過(guò)程中產(chǎn)生較大振動(dòng)，有效保證同步頂升的穩(wěn)定性。傳感器布置見(jiàn)圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)位移傳感器及拾振器布置

(2)橋梁的同步頂升時(shí)一般通過(guò)同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位移與頂升力(油壓)之間的協(xié)調(diào)，使得各頂升點(diǎn)處位移同步[4]。為保證梁體在安全的受力狀態(tài)下起頂，同跨兩片梁必須同時(shí)抬升到相同的高度，利用頂升系統(tǒng)嚴(yán)格控制各千斤頂處的壓力相等，避免造成個(gè)別千斤頂本身局部壓壞。當(dāng)實(shí)際壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)停止頂升且保持恒壓狀態(tài)，使千斤頂受力均衡，達(dá)到保護(hù)梁體及墊石的目的。

(3)新支座更換完畢后，統(tǒng)一指揮逐步將梁底的臨時(shí)支撐拆除，緩慢落梁。放松千斤頂時(shí)，要注意將兩片梁同步落下，以防出現(xiàn)支座偏壓損壞或?qū)€(gè)別千斤頂被壓壞。第三方監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)刻關(guān)注梁體穩(wěn)定狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)停止回落。落梁時(shí)通過(guò)操作多向千斤頂?shù)乃轿灰苼?lái)保證梁體中心線，實(shí)現(xiàn)同步誤差控制在0.5 mm以內(nèi)的同步頂升、移動(dòng)的效果。利用橫向及縱向裝置進(jìn)行限位，保持24 h，保證灌漿料達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

(4)梁體頂升過(guò)程中如果出現(xiàn)頂升力超過(guò)設(shè)計(jì)值的允許范圍，梁體依然沒(méi)有被頂起，應(yīng)立即停止頂升，將千斤頂內(nèi)回油，檢查梁體兩端約束，解除可能出現(xiàn)的約束。當(dāng)施工過(guò)程中出現(xiàn)梁體混凝土局部承壓不足的問(wèn)題，立即停止頂升；在千斤頂頂部加墊鋼板，擴(kuò)大混凝土的承壓面積。

(5)橋梁支座更換施工中，要制定應(yīng)急預(yù)案，避免異常情況發(fā)生，保證施工順利進(jìn)行。

3 有限元仿真分析

3.1 模型建立

本文擬選取一跨跨徑為32.6 m混凝土T梁橋?yàn)樗憷捎糜邢拊浖嗀NSYS建立三維實(shí)體有限元模型，選用實(shí)體單元SOLID65進(jìn)行模擬，此實(shí)體模型具備拉裂和壓碎的性能，可以很好的模擬混凝土受力。具體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

在模擬橋梁頂升的過(guò)程中，最理想的狀態(tài)是各頂升點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步頂升，這樣橋梁的內(nèi)應(yīng)力會(huì)最小，但由于各種原因，實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)完全同步頂升，這樣就會(huì)因?yàn)轫斏煌交蚋髑Ы镯攭毫Σ痪舛箻蛄寒a(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，有可能會(huì)超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，而造成橋梁的損壞[5]。在ANSYS中通過(guò)建立千斤頂材料的本構(gòu)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)各千斤頂壓力基本一致。

本文通過(guò)ANSYS建立梁體、鋼墊板、千斤頂、支撐墊石有限元模型，梁體與千斤頂之間的接觸面劃分的網(wǎng)格較為密集，采用接觸單元CONTA174和目標(biāo)單元TARGE170模擬梁體、鋼墊板、千斤頂和支撐墊石接觸面之間的接觸，頂升端支座附近布置6個(gè)千斤頂(支座兩側(cè)各3個(gè))，千斤頂上下面布置鋼板，支撐墊石底面全部約束；另一端支座處約束全部自由度，模擬無(wú)位移情況，進(jìn)行頂升局部分析。橋梁在自重狀態(tài)下,橋梁荷載經(jīng)千斤頂傳遞給支撐墊石，此時(shí)千斤頂相當(dāng)于支座，千斤頂?shù)捻斏ο喈?dāng)于支座反力[6]。考慮對(duì)梁體施加橋梁二期恒載，每孔橋梁及橋上附屬設(shè)施總重量約為2 800 kN，通過(guò)將梁體混凝土密度轉(zhuǎn)化為1.4倍考慮，施加自重，進(jìn)行靜力分析。建立有限元分析模型如圖4所示。

圖4 三維有限元模型及局部模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

由于C50混凝土的壓力設(shè)計(jì)值較大，雖可以承壓，但是允許的拉應(yīng)力很小。為了避免混凝土開(kāi)裂，所以主要輸出梁體、墊石的最大拉、壓應(yīng)力的結(jié)果，主要分析拉應(yīng)力數(shù)據(jù)是否小于規(guī)范允許值，驗(yàn)證該頂升方案是否會(huì)使梁底和墊石的混凝土拉應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂。

施工過(guò)程中影響混凝土拉壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的不僅與鋼墊板的厚度有關(guān)，還與鋼墊板的尺寸大小有關(guān)系。本文通過(guò)ANSYS模擬支座頂升時(shí)梁體、千斤頂、支撐墊石的接觸分析，根據(jù)墊板常規(guī)厚度，采取15 mm、20 mm、25 mm厚度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2(墊板尺寸900 mm×400 mm)；當(dāng)厚度為20 mm時(shí)，考慮梁底寬度840 mm，故鋼墊板的單片寬度最大為420 mm，鋼墊板長(zhǎng)度采用支撐墊石長(zhǎng)度的一半900 mm即可，取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，采取不同寬度的墊板進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3(墊板厚度20 mm)。

表2 不同鋼板厚度有限元分析結(jié)果

表3 不同鋼板尺寸有限元分析結(jié)果

根據(jù)表2、表3的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼墊板厚度分別為15 mm 、20 mm、25 mm時(shí)，均滿足C50混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范要求(最大拉應(yīng)力1.89 MPa，最大壓應(yīng)力23.1 MPa)。為了保證施工過(guò)程的安全，選擇采用厚度為20 mm的鋼墊板。當(dāng)采用不同的鋼墊板尺寸時(shí)，頂升端梁體混凝土的拉壓應(yīng)力變化比較明顯，對(duì)支撐墊石的影響不大，為滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，采用鋼墊板的尺寸為900 mm×400 mm×20 mm，此時(shí)梁體、墊石應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5～圖8。

4 結(jié)論

(1)在群頂?shù)攘κ┕し椒ㄖ校瑸闇p少混凝土局部應(yīng)力集中，頂升施工過(guò)程中通過(guò)控制各千斤頂油壓相等達(dá)到群頂?shù)攘Φ男ЧＴ跀?shù)值分析中，通過(guò)設(shè)置千斤頂材料本構(gòu)關(guān)系，各千斤頂壓應(yīng)力均為25 MPa左右，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)千斤頂壓力大致相等。

(2)在頂升施工中，千斤頂下墊板的厚度和尺寸影響混凝土最大拉壓應(yīng)力的大小。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，選用尺寸為900 mm×400 mm×20 mm的鋼墊板時(shí)，梁體和墊石的混凝土強(qiáng)度均滿足安全性要求。

(3)千斤頂下墊板尺寸為900 mm×400 mm×20 mm時(shí)，主體結(jié)構(gòu)T梁在支座更換頂升時(shí)局部最大壓應(yīng)力為4.26 MPa，最大局部拉應(yīng)力為1.65

MPa，其值均小于鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要求，故梁底局部混凝土不會(huì)產(chǎn)生損傷。

(4)千斤頂下墊板尺寸為900 mm×400 mm×20 mm時(shí)，混凝土墊石產(chǎn)生的最大局部拉應(yīng)力為1.11 MPa，局部最大壓應(yīng)力為4.14 MPa，其值滿足C50混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故在保證群頂頂升力相等前提下，采用該群頂?shù)攘斏┕し桨福鼡Q支座是可行的。