城市軌道交通橋梁支座更換同步頂升受力檢算分析

任新建，任登富，張志新，簡中飛

(貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州 貴陽 510000)

0 引言

山區城市軌道交通為克服高差，較多的采用高架橋梁形式，基于修建或使用過程中，橋梁結構病害不可避免，其中支座受損更換尤為常見。對于城市軌道交通橋梁支座更換修復,除了要安全可靠、有效之外,還要滿足交通運輸的需要,在不中斷或盡量縮短中斷交通的時間中完成，因此城市軌道交通支座更換基本利用夜間有限停運時間完成。同步頂升是目前使用最多的支座更換技術,主要原理是通過同步控制千斤頂對橋梁上部結構實現安全頂升。

對同步頂升施工工藝與施工技術研討的文獻較多[1-3],李鋒丹[4]對同步頂升更換支座的過程進行了模擬及效果分析，陳葉[5]對混凝土橋更換支座施工中結構受力狀態進行了分析，但對城市軌道交通橋梁同步頂升過程中結構受力分析檢算的研究較少，因為要動橋梁上部結構,存在軌道恢復時間、線位問題，同步頂升受力檢算分析就顯得尤為重要。本文結合工程實例，參考現行的《地鐵設計規范》[6]、TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[7]、TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[8]、《鐵路工程抗震設計規范》(2009版)[9]，對城市軌道交通橋梁同步頂升過程中結構受力檢算進行分析，在保證結構安全的前提下實施支座更換修復。

1 依托工程概況

貴陽市軌道交通1號線場壩村雙線大橋30 m單線簡支梁位于貴陽市經濟開發區清水江路站—小孟工業園站區間，本橋由并行的雙線橋漸變為左右兩幅單線橋梁，其中0號臺～5號墩之間為雙線橋，5號墩～9號臺之間為左右兩幅單線橋梁，本橋右線全長292.06 m，左線全長293.684 m。全橋孔跨樣式為(30+40+30)m雙線連續梁+2×30 m雙線簡支梁+4×30 m單線簡支梁。主要缺陷為10個盆式支座擺放方向與原設計方向不符，支座墊石完好，需重新定制異形支座替換錯誤支座。在保證橋梁受力安全，又能夠有足夠的空間取出舊支座、達到更換支座的目的，通過對頂升過程進行仿真模擬分析，根據頂升位移與梁體混凝土最大拉應力增量之間的關系，綜合比選后采用頂升8 mm作為合理的頂升位移。因此本文對梁體頂升8 mm時的線上結構軌道梁、聲屏障進行受力檢算分析，對1×30 m箱梁在頂梁工況下結構受力、運營狀態臨時支撐結構受力、運營狀態下橋墩混凝土局部壓應力進行受力檢算分析。

2 主要荷載

2.1 主力

1)恒載：梁體自重γ取26.0 kN/m3；單線梁二期恒載(包括線路設備、隔聲屏障、管線及其支承設備、橋面防水及鋪裝層等設施荷載)按72.2 kN/m計算。

2)活載：設計豎向活載，采用B型車，車輛滿載荷載按軸重140 kN；列車豎向動力作用、列車離心力等，按《地鐵設計規范》計算；人群荷載正線疏散平臺上的人群均布荷載5 kPa，主梁設計時人群荷載不與列車活載組合。

2.2 附加力

附加力主要有：列車制動力或牽引力(按豎向靜活載的15%計算，當其與離心力同時計算時按10%計算)；列車橫向搖擺力(作用于軌頂面，按相鄰兩節車四個軸重的15%計算)；風力(貴陽地區基本風壓W0=500 Pa，梁上風力按有聲屏障計算);溫度變化的作用力。

2.3 特殊荷載

特殊荷載主要考慮了無縫線路長鋼軌斷軌力(僅計一根長鋼軌斷軌力)、列車撞擊力(撞擊力順行車方向采用1 000 kN，橫行車方向采用500 kN，作用于橋面以上1.20 m的高度處)、地震力(地震基本烈度6度，地震動峰值加速度為0.05g)、列車脫軌荷載。

2.4 荷載組合

1)主力：自重+二期恒載+預應力+混凝土收縮徐變+活載+基礎沉降。

2)主力+附加力：主力+溫度變化+風力+制動力。

3)特殊荷載：恒載+列車脫軌荷載。

4)荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，按最不利組合進行設計，并對特殊荷載進行檢算。

3 梁體頂升8 mm時線上結構分析

根據原設計圖紙及現場踏勘，線上主要設施有：線路設備、隔聲屏障、管線及其支承設備、橋面防水及鋪裝層等。其中橋梁頂升時對受力有影響的部位為線路設備。

3.1 軌道梁計算

橋梁頂起之前，需對軌道梁固定螺栓擰松，擰松范圍為伸縮縫兩側25個固定位置。

伸縮縫處梁端頂起8 mm時，軌道計算結果見圖1～圖4。

頂升8 mm時，軌道梁最大彎曲應力為-14.6 MPa，遠小于軌道彎曲應力容許值472 MPa，軌道安全。

梁體頂升8 mm時，軌道最大剪切應力為0.67 MPa，發生在未擰松螺栓處，其值遠小于軌道剪切應力472 MPa，軌道安全。

梁體頂升8 mm時，軌道最大變形為8 mm，由伸縮縫向兩側按拋物線過渡。

梁頂起時，最大上拔力為1.0 kN，發生在未擰松的第一處螺栓處，其值遠小于螺栓抗拔力，軌道螺栓安全。

3.2 聲屏障計算

根據設計圖紙，聲音屏障立桿為BH200×240×8×12 H型鋼，頂部小弧段及直段為BH200×200×8×12 H型鋼，橫向聯接桿為HC150×60×20×3槽鋼，在伸縮縫處立桿采用10號槽鋼設剪刀撐加強，立桿采用預埋鋼板與橋梁采用螺栓連接，桿件與桿件之間采用螺栓連接，介于鉸接與剛性連接之間，邊界條件采用半剛性連接，邊界條件模擬見圖5。

橋梁頂升作業時，耗時較短，故僅考慮基礎強制位移、結構自重及屏障上相關板件，相關板件按每平方米50 kg計算。在主力組合下，分別對結構的附加應力、構件壓彎應力、構件剪應力、構件變形進行計算，計算結果見圖6～圖9。

1)僅考慮強制位移單獨作用時，并將松開螺栓時，聲屏障計算結果，結構未產生附加應力。

2)僅考慮強制位移單獨作用時，螺栓未松開，聲屏障結構將產生附加應力，最大值壓彎組合應力為68.39 MPa<140 MPa。

3)在主力組合下，構件最大壓彎組合應力為63.33 MPa<140 MPa。

4)在主力組合下，構件最大剪應力為12.71 MPa<80 MPa。

5)強制位移處變形為8 mm，結構最大變形發生在結構立桿中部，為8.77 mm。

根據計算結果，梁體頂升時結構受力及變形均滿足使用要求。

4 1×30 m簡支箱梁計算

4.1 頂梁工況下混凝土局部受壓計算

梁體頂升時段選擇在凌晨12點至凌晨4點，故此時作用荷載僅為結構自重及二期恒載。

原設計圖紙對恒載規定如下：

1)梁體自重：γ取26.0 kN/m3。

2)二期恒載：包括線路設備、隔聲屏障、管線及其支承設備、橋面防水及鋪裝層等設施荷載。單線梁二期恒載按72.2 kN/m計算。

根據原施工圖設計文件可知，因是簡支結構，梁體頂升8 mm對兩端支反力影響可忽略，可按相等考慮，單端支反力為2 624.6 kN。千斤頂布置時，使其與原設計支座形心線對齊，減小恒載在偏心作用下對橋墩的附加荷載，如圖10所示。

單側共設6個千斤頂工作，同步頂升時，單個千斤頂受力為：2 624.6/6=437.44 kN。

根據TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結構設計規范第3.1.4條，C35混凝土局部承壓容許應力為9.4×β,C50混凝土局部承壓容許應力為13.4×β。

根據TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結構設計規范[10]第3.1.5條，混凝土局部承壓應力提高系數β應按下式計算：

其中，d/2為圓形局部承壓面積Ac的圓心至構件邊緣最小距離，此處取150 mm，千斤頂與千斤頂圓心之間最小距離為400 mm，則A=300×300=90 000 mm2。

則C35混凝土局部承壓應力為：9.4×1.64=15.42 MPa。

C50混凝土局部承壓應力為：13.4×1.64=21.98 MPa。

實際工作時，千斤底座較寬，千斤頂頂部采用墊鋼板工作，故實際受力小于計算值，頂升時結構安全。

4.2 頂梁工況下橫梁框架結構計算

在頂梁工況下停運狀態橫梁框架建模進行計算，根據前述計算，恒載作用下單端支反力為2 624.6 kN，將其均布作用于橫梁上，則線荷載為2 624.6/6=437.4 kN/m，受力示意如圖12所示，計算模型如圖13所示。

計算得到與千斤頂作用處橫梁最大彎矩M=143.4 kN·m,計算結果如圖14，圖15所示。

將模擬計算得出的千斤頂作用處橫梁最大彎矩M=143.4 kN·m，按TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結構設計規范對橫梁框架底板混凝土壓應力、裂縫及鋼筋拉應力進行驗算，計算結果均滿足規范要求。

4.3 1×30 m梁體臨時支撐結構計算

梁體頂升8 mm，拆除支座并安裝臨時支撐后落梁至原設計標高，擰緊線上松解體系后軌道運營，臨時支撐結構如圖16所示。臨時支撐布置時，使其與原設計支座形心線對齊，減小恒載在偏心作用下對橋墩的附加荷載，如圖17所示。

根據設計圖紙，主力組合=自重+二期恒載+預應力+混凝土收縮徐變+活載+基礎沉降，(1)設計豎向活載：采用B型車，車輛滿載荷載按軸重140 kN，車輛軸距如圖18所示。

根據GB 50157—2013地鐵設計規范10.3.4條：

列車豎向活載應包括列車豎向靜活載及列車動力作用，應為列車豎向靜活載乘以動力系數(1+μ)。μ應按現行行業標準TB 10002.1鐵路橋涵設計基本規范規定的值乘以0.8。

根據TB 10002—2017鐵路橋涵設計規范第4.3.7條：

沖擊系數1+μ=1+0.8×α×6/(30+L)，其中，L為橋梁跨度,m；α=0.32×(3-h)2；h為橋頂填土厚度小于0.5 m時，取0.5，沖擊系數計算如下：

a=0.32×(3-0.5)2=0.32×2.52=2。

在主力荷載組合下，梁體支反力計算如圖19所示。

根據計算結果，最大反力為3 223.8 kN。

將其作用于臨時支撐上，臨時支撐最大壓應力為-78.78 MPa<[σ]=135 MPa，滿足TB 10091—2017鐵路橋梁鋼結構設計規范要求。

4.4 運營狀態下橋墩混凝土局部壓應力驗算

單側共設4個臨時支撐工作，單個臨時支撐受力為：3 223.8/4=805.95 kN。

根據TB 10092—2017鐵路橋涵混凝土結構設計規范第3.1.5條，混凝土局部承壓應力提高系數β應按下式計算：

其中，Ac為局部承壓面積，Ac=300×300=90 000 mm2；A為計算底面積，千斤頂按第3.1.5條(如圖20所示)計算。

其中，c為局部承壓面積Ac邊緣最小距離，此處取50 mm，則A=(300+50×2)×(300+50×2)=160 000 mm2。

則C35混凝土局部承壓應力為9.4×1.33=12.53 MPa,C50混凝土局部承壓應力為13.4×1.33=17.86 MPa。

如前計算，單個臨時支撐壓力為3 223.8/4=805.95 kN，局部承壓面積為90 000 mm2。

該應力小于規范對梁體混凝土局部承壓應力容許值，亦小于橋墩混凝土局部承壓應力容許值，故臨時支撐時，混凝土局部抗壓滿足規范要求。

4.5 上部結構抗傾覆驗算

1)根據TB 10002—2017鐵路橋涵設計規范，自重工況及運營工況抗傾覆計算示意如圖21，圖22所示，風荷載W=K1K2K3W0，根據規范與設計圖紙，其中K1取1.3，K2取1.0，K3取1.0，W0取500 Pa，作用于聲屏障上。

擊球的力量是指用拍擊球時給球的作用力大小，擊球力量的大小主要體現物體運行的速度上。一個就是羽毛球面向球拍的飛行速度，另一個就是擊球者通過身體協調配合做出合理的蹬轉引拍揮拍鞭打動作。而鞭打動作的前期就是前臂的后回環引拍動作。這里由于是以肩為軸所以要獲得高速要求肩關節要充分放松減少自身阻力。后期就是前臂向斜上鞭打到手腕閃動動作。這里是速度最快的部分需要手腕有好的爆發力才能快速閃動賦予球較快的反彈速度。練習方法：相似動作摸似練習法，如羽毛球擲高、擲遠、擲準，學生根據學習到的揮拍技術做出轉身鞭甩動作有目的性地將羽毛球擲出，以此體驗不同的動作軌跡產生不同的效果。

2)自重工況下：

30 m跨內橫向風力為：H風=1.3×1×1×500×8×30=156 000 Pa=156 kN。

M傾風=156×5.8=904.8 kN·m。

綜上，M傾總=904.8 kN·m。

根據前述計算，恒載作用下支反力為2 624.6×2=5 249.2 kN。

M抗=5 249.2×0.345=1 811.0 kN·m。

M抗/M傾=3 133.8/904.8=2.0>1.3，則抗傾覆滿足規范要求。

3)運營工況下：

僅考慮四個臨時支撐受力，聲屏障按8 m高度計算，軌頂距梁頂按50 cm計算。

根據設計圖紙，單側軌道距臨時支撐0.6 m，上部結構中心距臨時支撐0.6 m。

30 m橋跨總豎向靜活載為140×8=1 120 kN(按原設計圖紙軸重軸距圖計算)，則：M抗1=1 120×0.6=672 kN·m。

根據設計圖紙，列車橫向搖擺力作用于軌頂面，按相鄰兩節車四個軸重的15%計算。

H搖擺=140×4×0.15=84 kN。

M傾搖=84×(1.8+0.5)=193.2 kN·m。

則30 m跨內橫向風力為：

H風=1.3×1×1×500×8×30=156 000 Pa=156 kN。

M傾風=156×5.8=904.8 kN·m。

綜上，M傾總=M傾搖+M傾風=193.2+904.8=1 098 kN·m。

根據前述計算，恒載作用下支反力為2 624.6×2=5 249.2 kN。

M抗2=5 249.2×0.6=3 149.5 kN·m，M抗總=M抗1+M抗2=672+3 149.5=3 821.5 kN·m。

有車時：M抗總/M傾總=3 821.5/1 098=3.48>1.3，則抗傾覆滿足要求。

無車時：M抗2/M傾風=3 149.5/904.8=3.48>1.3，則抗傾覆滿足要求。

5 結論

針對城市軌道交通在不中斷交通的條件下采用同步頂升更換或修復支座，頂升8 mm施工更換或修復支座是安全可靠的。現場實施安排在夜間列車停運時進行，在頂升施工全過程，頂梁前軌道及接觸軌扣件放松、頂梁、落梁、 軌道扣件固定、軌道車壓道實施過程中未發生軌道梁、聲屏障破壞、混凝土開裂等現象。

1)軌道交通的梁體頂升前需對線上結構剛性體系松解，經檢算，在松解部分軌道螺栓(擰松范圍為伸縮縫兩側25個固定位置)的前提下，軌道受力滿足規范要求。

2)聲屏障在梁體頂升過程中的影響：若松開聲屏障螺栓，梁體頂升時對結構受力沒有影響；若未松開螺栓，結構受力在彈性范圍內，應力遠小于規范限值。

3)梁體頂升工況下，橋墩、上部結構梁體局部應力均滿足規范要求。

4)為確保不中斷交通，需在臨時支撐體系下行車運營，通過受力檢算分析，在運營狀況下，上部結構梁體局部應力及抗傾覆均滿足規范要求。