大跨度預應力混凝土連續梁橋支座頂升監控技術研究

王俊輝

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

本工程為某雙線特大橋（36 m+3×64 m+36 m預應力混凝土5 跨連續梁橋），采用移動掛籃法施工，其梁體采用單箱單室變高度變截面箱梁，梁底下緣曲線為二次拋物線。該連續梁橋的結構立面圖見圖1。

圖1 36 m+3×64 m+36 m 連續梁橋立面圖（單位：m）

由于施工原因，該橋141 號墩左側支座縱向傾斜，小里程端實測：11.7 cm，大里程端實測：10.7 cm，高差10 mm，需對其支座進行頂升修復。

2 頂升技術理論

橋梁結構是較復雜的空間結構， 從受力角度看，可以將其看成上部橋跨結構在一定的支撐條件下作用于下部基礎上[1]。橋梁頂升技術可行性的理論依據為結構受力狀態只與支撐邊界約束條件有關， 而與其支撐高度無關。頂升技術原理為：根據實際工程軟件模擬和實際承重確定頂升量， 按照橋梁各部分所承受荷載的大小， 在相應的承力支點上設置千斤頂，橋梁上部結構的重量通過千斤頂全部轉移到承力點以下的部位，這樣通過控制頂升速度，使梁體均勻協調地頂升到目的標高，完成橋梁頂升[2]。

為了判斷橋梁結構在頂升前后的狀態是否發生變化，橋梁在頂升施工前，首先應根據設計要求對橋梁結構進行檢測；其次按照相關理論對橋梁結構進行受力分析，確定千斤頂用量并合理布置頂升點，確保橋梁在整個頂升過程中處于整體穩定、結構受力合理的狀態[3]；接著確定具體的頂升反力基礎、設置必要的限位措施及安裝監控系統；最后通過控制系統，完成橋梁頂升的位移變化，使其達到設計位移值，最終完成頂升過程[4]。

在主梁頂升過程中，應確定合理的頂升方案，保證施工安全，并對結構位移及應力進行雙控[5]。結合連續梁橋受力特點，制定頂升施工控制的原則為：（1）各控制截面應力滿足《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB 10092—2017）要求；（2）主梁兩側位移盡可能保持一致；（3）各頂升千斤頂頂升力同步、均勻。

針對以上施工控制原則，具體采用的方法為：

（1）頂升過程仿真分析。根據頂升過程進行各項頂升工況有限元分析，精確模擬施工全過程，并獲得結構內力、應力和變形的理論值，對選定的施工控制主要參數及主要成果形成施工控制預備文件。

（2）關鍵截面的應力及變形監測。根據仿真分析結果，確定結構在頂升施工期間的控制截面，對各頂升工況進行結構應力狀態監測以及結構變形狀態測量。

3 計算分析

3.1 計算模型

采用有限元軟件橋梁博士進行施工過程仿真分析，計算成橋后600 d 收縮徐變效應的影響。連續梁單元號由左至右為1～102，節點號由左至右為1～103；支座由左至右為 2#、17#、40#、64#、87#、102#節點；在第1、第2 跨梁頂建立477 個單元來模擬軌道板和鋼軌；全橋共580 個單元，423 個節點。141 號橋墩對應有限元模型17#節點。結構模型見圖2。

圖2 36 m+3×64 m+36 m 連續梁橋有限元模型

對17# 節點進行2 個頂升工況模擬，分別為頂升10 mm 和頂升15 mm。

3.2 模擬頂升10 mm

對有限元模型17# 節點施加向上的10 mm 強迫位移，計算全橋結構的內力和應力值。計算模型見圖3，結構上下緣應力見圖4，主梁截面效應值見表1。

圖3 17# 節點頂升10 mm 有限元模型

圖4 17# 節點頂升10 mm 結構上下緣正應力圖（單位：MP a）

表1 17# 節點頂升10 mm 主梁截面累積效應值

由圖4 和表1 可知，141 號橋墩位置梁體頂升10 mm 時，梁體上緣最大應力為6.45 MPa，最小應力為0 MPa；梁體下緣最大應力為7.04 MPa，最小應力為1.28 MPa；在頂升過程中，梁體應力均未超出混凝土應力允許值，頂升過程滿足要求。

3.3 模擬頂升15 mm

對有限元模型17# 節點施加向上的15 mm 強迫位移，計算全橋結構的內力和應力值。計算模型見圖5，結構上下緣應力見圖6，主梁截面效應值見表2。

圖5 17# 節點頂升15 mm 有限元模型

圖6 17# 節點頂升15 mm 結構上下緣正應力圖（單位：MP a）

表2 17# 節點頂升15 mm 主梁截面累積效應值

由圖6 和表2 可知，141 號橋墩位置梁體頂升15 mm 時，梁體上緣最大應力為12.4 MPa，最小應力為0.13 MPa；梁體下緣最大應力為13.3 MPa，最小應力為-0.4 MPa；在頂升過程中，梁體應力均未超出混凝土應力允許值，頂升過程滿足要求。

3.4 道釘及鋼軌檢算

3.4.1 計算模型

在計算模型中加入對軌道板、鋼軌和道釘的模擬，其計算模型見圖7，17# 節點處細部模型見圖8。

圖7 考慮軌道板、鋼軌和道釘的有限元模型

圖8 17# 節點處細部模型

3.4.2 計算結果

由于對17# 節點梁體頂升后，結構會向上整體變形，在此僅計算頂升15 mm 工況下道釘和鋼軌的受力變化情況。在頂升工況下，道釘軸力和鋼軌的上下緣正應力見圖9、圖10。

通過計算可知，在第1、第2 跨內，道釘內力最大變化值僅為5.6 kN（拉），出現在邊支墩靠近2#節點附近；鋼軌應力最大變化值僅為10.4 MPa（拉），出現在邊支墩靠近2#節點附近；由此可知在梁體頂升過程中，道釘和鋼軌受力是安全的。

圖9 17# 節點頂升15 mm 道釘軸力圖（單位：kN）

圖10 17# 節點頂升15 mm 鋼軌上下緣正應力圖（單位：MP a）

4 監測控制

在梁體頂升過程中，隨著頂升量的增加，梁體的變形和內力都在不斷變化。為保證頂升過程中的梁體安全，對梁體的變形和應力進行全過程監測與控制，其監測截面布置見圖11，各截面測點布置圖見圖12。

圖11 監測截面布置圖

圖12 各截面測點布置圖

A-A 截面：距17# 節點墩中心線3.0 m 處截面；2 個豎向、2 個橫向變形測點，共計4 個變形測點；3個頂板、3 個底板縱向應力測點，腹板處布置2 個應力花測點；共計12 個應力測點。B-B 截面：距64# 節點墩中心線3.0 m 處截面；3 個頂板、3 個底板縱向應力測點，腹板處布置2 個應力花測點；共計12 個應力測點。C-C 截面：距2# 節點墩中心線3.0 m 處截面；3 個頂板、3 個底板縱向應力測點，共計6 個應力測點。

5 結 語

（1）由 17# 節點梁體頂升 10 mm 和 15 mm 的計算結果可知，道釘和鋼軌在梁體頂升過程中的受力較小，單個道釘的軸向拉力和鋼軌的應力值均在安全范圍內，滿足頂升施工的要求。

（2）在對17#節點梁體頂升10 mm 工況下，梁體上下緣均未出現拉應力，梁體處于安全狀態；在對17# 節點梁體頂升15 mm 工況下，在梁體35# 節點（第2 跨右側中支點附近），下緣出現最大0.4 MPa拉應力，雖未超出混凝土容許拉應力值，但施工單位在頂升時應引起重視，加強對梁體頂升高度的監控。