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 土木工程學院, 湖南 長沙 410114;2.中鐵上海設計院集團有限公司, 上海 200070;3.四川公路橋梁建設集團有限公司 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到其設計范圍,已不能滿足交通需求,須進行加固改造[1-2]。鋼桁梁橋的加固改造方法主要有體外預應力加固、增大構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至關重要。本文以某運河雙旋轉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,為鋼桁梁橋加固做準備。

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,旋轉合龍后主跨長320 m、邊跨長140 m,全橋寬10 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 橋梁旋轉示意圖

全橋分為主塔底部旋轉構件、橋梁主體構造和端頭鎖定構件三部分,由轉盤帶動全橋進行轉體合龍。圖2為全橋三維模型,圖3～5為各構件構造。

圖2 全橋三維模型

圖3 轉盤結構圖

圖5 鎖定構件結構圖

該橋經過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,一方面對轉動裝置中心軸混凝土結構及主塔區域支座支撐點進行升級加固,另一方面使現有橋梁在頂升完成后處于無應力或低應力狀態,以便進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、應力與節點反力,確定最優頂升方案。加固前西岸半橋總質量約為4 500 t。在未合龍時,全橋全部質量由主塔底部轉盤上的8個盆式支座支撐。采用YSD8000-30自鎖式千斤頂進行液壓頂升,千斤頂量程為8 105 kN。

2 頂升方案

液壓頂升技術作為一種橋梁改造方法,在不改變原有橋梁結構的情況下,通過頂升改變橋梁的位置,頂升過程具有特殊性、復雜性和風險不確定性,如何控制頂升過程中的風險至關重要[7-11]。

由于鋼桁梁橋在加固前兩端處于懸臂狀態,各桿件應力較大,須將兩端懸臂頂升至低應力狀態后再進行加固。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

由于千斤頂數量有限,不能在A(a)～J(j)節點都布置千斤頂,在某節點頂升完成后布置支架,將千斤頂移至另一節點進行頂升。頂升方案如下:方案一為從節點A(a)至節點E(e)、節點J(j)至節點F(f)依次頂升;方案二為從節點E(e)至節點A(a)、節點F(f)至節點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力,選擇最優頂升方案。

3 有限元計算結果與分析

3.1 頂升前受力分析

頂升前,全橋處于兩端懸臂狀態,由主塔底部轉盤處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,計算得到懸臂狀態下各節點撓度(見表1)、橋梁整體變形與應力(見圖9、圖10)。由圖10可知:頂升前,全橋最大應力出現在節點E(e)附近,為112.5 MPa。

表1 懸臂狀態下各節點的撓度

圖8 有限元模型

圖9 懸臂狀態下橋梁變形計算結果(單位:mm)

圖10 懸臂狀態下橋梁應力計算結果(單位:MPa)

根據3種頂升方案模擬全橋應力,最大應力出現在圖11所示的4個位置。

圖11 最大應力點

3.2 方案一下受力分析

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

表2 頂升方案一下各頂升階段的節點反力

圖12 頂升方案一下各節點撓度

圖13 頂升方案一下各頂升階段的應力

由圖12可知:按方案一進行頂升,兩頂升節點間最大跨中撓度為-4.2 cm。

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

由表2可知:按方案一進行頂升,最大節點反力出現在頂升C、H的過程中,節點H的反力最大,為3 885 kN。

3.3 方案二下受力分析

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

表3 頂升方案二下各頂升階段的節點反力

圖14 頂升方案二下各節點撓度

圖15 頂升方案二下各頂升階段的應力

從圖14可以看出:按方案二進行頂升,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:按方案二進行頂升,頂升A、J時2號點的應力最大,為96.7 MPa。

由表3可知:按方案二進行頂升,頂升過程中最大節點反力出現在頂升E、F的過程中,節點E的反力最大,為6 756 kN。

3.4 方案三下受力分析

按方案三進行頂升,先將節點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。頂升過程中各節點撓度見圖16,最大應力點處應力變化見圖17,節點反力見表4。

表4 頂升方案三下各頂升階段的節點反力

圖16 頂升方案三下各節點撓度

圖17 頂升方案三下各頂升階段的應力

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

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

由表4可知:按方案三進行頂升,頂升過程中最大節點反力出現在頂升C、H的過程中,節點C的反力最大,為6 078 kN。

3.5 頂升方案確定

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

4 結論

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,頂升過程中產生的最大應力為-112.9 MPa,出現在頂升B、I時3號點;最大反力為3 885 kN,出現在頂升C、H時節點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,頂升過程中產生的最大應力為96.7 MPa,出現在頂升A、J時2號點;最大反力為6 756 kN,出現在頂升E、F時節點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,頂升過程中產生的最大應力為90.3 MPa,出現在頂升A、J時3號點;最大反力為6 078 kN,出現在頂升C、H時節點C。采用方案三頂升時,整體應力比方案一、方案二下的小,且最大節點反力滿足施工要求,方案三為最優頂升方案。