多跨混凝土连续箱梁桥超高顶升施工仿真分析

作者：林四新

单位：中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

摘要：为解决混凝土连续箱梁桥超高顶升施工难题,研究其顶升过程中的结构力学特征,以国内最大顶升高度的厦门市仙岳路高架桥改造工程为依托,采用MIDAS/Civil有限元软件建立三维数值模型,确认各种荷载及计算工况后,结合施工方案分析顶升前、正常顶升和顶升点失效等10种不同工况下,梁体主要构件和反力梁的应力分布。

关键词：桥梁工程连续箱梁顶升有限元分析应力

作者简介：林四新,工程师,E-mail:2013110907@xmut.edu.cn。
基金：厦门市科技计划项目(3502Z20183043);厦门市建设局科技项目(XJK-2019-1-4)。 -页码-：125-129

0 引言

　　近年来,越来越多的公路桥梁面临改扩建的问题。如通航净空增加、桥面沉降和须更换桥梁支座等,使桥梁使用功能无法满足要求 ^[1,2]。若拆除重建对交通影响很大,且费用高、工期长。桥梁顶升技术因其经济快捷、效果良好等,目前成为国内桥梁改扩建的首选 ^[3,4]。国内一些学者对顶升过程中桥梁结构性能展开研究,王伟等 ^[5]结合桥梁顶升改造工程(最大顶升高度4.1m),探讨桥梁顶升改造设计的计算要点,计算顶升施工和正常运营阶段箱梁上下缘应力和裂缝宽度,分析单联整体顶升高度偏差,并提出顶升高度偏差控制范围,分析下部结构承载力;陈梁等 ^[6]依托蓝烟铁路公铁立交项目涉及的斜交连续梁顶升工程(最大顶升高度0.9m),采用有限元软件ANSYS对主桥顶升过程进行仿真分析,为顶升施工监控中控制参数的设置提供理论依据;陈舟等 ^[7,8]以多跨连续梁桥的北江大桥为依托(最大顶升高度1.5m),通过ANSYS软件建立15～22号墩连续梁模型,分析同步顶升过程中、落梁调整到位后梁体的受力情况,研究不同墩间的顶升误差对梁底应力和支座反力的影响;周松等 ^[9]为保证横潦泾大桥(最大顶升高度1.58m)顶升期间梁体应力变化在安全范围内,采用有限元软件建立支座处箱梁节段实体分析模型及三维变截面梁单元模型,分析顶升期间梁体受顶部局部应力及顶升不同步引起的梁体应力。国内对>10m顶升高度的施工案例较少,束学智等 ^[10]以顶升高度达11.261m的厦门市仙岳路顶升改造工程为例,介绍顶升施工流程及关键技术,但未对桥梁顶升过程中的受力状态展开研究。

　　本文通过分析厦门市仙岳路高架桥超高顶升施工方案,总结桥梁交替式顶升的技术要点,借助有限元软件MIDAS/Civil建立多跨混凝土连续箱梁桥的空间有限元模型,在考虑桥梁自身恒载、混凝土收缩徐变和纵向预应力影响因素的基础上,对10种工况下的顶升全过程进行仿真分析,计算梁体主要构件和部分顶升结构的应力值。

1 工程概况

　　仙岳路位于厦门本岛中部,自西向东贯穿厦门岛,全长10.1km,与南北走向的成功大道共同构成厦门市快速网的主骨架。为使仙岳路西段高架桥和金尚路跨线桥相连,需改造仙岳路西段高架桥下坡落地段(L4联)的桥梁结构。L4联改造前后纵坡分别为-4.53%和2.74%,平面及立面均位于直线段上。考虑既有跨线桥建成时间较短,经方案论证后决定通过顶升技术改造既有桥梁结构。由于顶升前后纵断面差别较大,新桥面比现状桥面高3.522～11.261m,为目前国内桥梁顶升的第一高度。L4联混凝土箱梁桥顶升改造前后如图1所示。

　　图1 顶升改造示意

　　 Fig.1 Jacking transformation

　　 L4联采用交替式顶升技术,即梁体顶升过程中处于2组千斤顶交替支撑的状态,2组千斤顶主动交替支撑时,梁体位移均处于可控状态,有效消除各支撑点间不均匀压缩引发的高差问题。L4联桥梁自重5 025t,梁端重800t,跨中约1 700t,全联共布置96台千斤顶(见图2),总顶力96 000kN,千斤顶安全系数1.91。L4联顶升参数如表1所示。

　　图2 千斤顶分组

　　 Fig.2 Jack group

　　表1 顶升参数
Table 1 Parameters of bridge jacking

　　 L4联桥梁结构为3×36m的预应力混凝土箱梁,该联箱梁顶底板均设计为1.5%的横坡,截面为单箱5室箱梁,梁高2.0m,箱底宽13.5m,顶板悬臂宽2.428m,顶板全宽24.8m,顶板厚0.25m,底板厚0.25m,腹板厚度变化范围0.4～0.8m。L4联桥混凝土箱梁1/2横截面如图3所示。反力梁长10m,高0.5m,宽0.8m,设置3道腹板,顶板、腹板厚度均2cm,断面形式如图4所示。

　　图3 混凝土箱梁1/2横截面(单位:cm)

　　 Fig.3 Concrete box girder 1/2 cross section hint(unit:cm)

　　图4 反力梁断面(单位:cm)

　　 Fig.4 Section of counterforce girder(unit:cm)

2 有限元模型

　　为保证多跨混凝土连续箱梁桥的顶升安全,利用MIDAS/Civil建立该桥的空间有限元模型,模拟顶升过程中桥梁结构的受力情况,验算梁体主要构件及反力梁的结构安全度。

2.1 计算模型

　　数值模型中,通过梁格法进行建模计算分析。主梁采用C50混凝土,重度γ=26kN/m³,弹性模量E=3.45×10⁴MPa;反力梁采用Q235钢材,弹性模量E=2.06×10⁵MPa;预应力钢束采用^s15.20高强度低松弛钢绞线,弹性模量E=1.95×10⁵MPa。根据整体结构模型中实际施工状态,箱梁与反力梁刚结,桥台处端横梁反力梁、中横梁反力梁和交界墩处端横梁反力梁的模拟情况分别如图5～7所示。

　　图5 桥台处端横梁反力梁模拟

　　 Fig.5 Reaction beam simulation of end beam of abutment

2.2 荷载条件

　　 1)恒荷载为桥梁自身恒荷载,混凝土梁体纵向受力部分按截面的毛截面面积由程序自动计算,横梁以横向梁单元的方式自动计算。

　　 2)混凝土收缩徐变施工过程中整体结构受力体系转换,混凝土徐变对结构产生的效应和收缩徐变引起的预应力损失,均按照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 ^[11]计算。

　　图6 中横梁反力梁模拟

　　 Fig.6 Reaction beam simulation of middle beam

　　图7 交界墩处端横梁反力梁模拟

　　 Fig.7 Three dimensional simulation of reaction beam on end beam of junction pier

　　 3)纵向预应力^s15.20钢绞线锚下张拉控制应力为1 395MPa。计算过程中应考虑预应力张拉锚固、压浆和混凝土形成组合截面的过程,预应力损失也应同步计入。

2.3 计算工况

　　为保证施工安全性,除分析正常顶升情况外,还应考虑各种不利工况,共10种:(1)全桥浇筑施工完毕;(2)10年收缩徐变;(3)正常顶升;(4)桥台相对其他桥墩产生1cm下降;(5)中墩相对其他桥墩产生1cm的下降;(6)桥台1个中部千斤顶失效,其余正常运作;(7)桥台1个边缘处千斤顶失效,其余正常运作;(8)主墩横桥向反力梁1个千斤顶失效,其余正常运作;(9)主墩顺桥向反力梁1个千斤顶失效,其余正常运作;(10)顶升过程中,由于梁长投影的变化,桥台处千斤顶支撑偏移20.8cm。

3 原状桥梁结构分析

　　分析桥梁结构顶升前,先检查工况(1)和工况(2)中L4联箱梁原有的结构性能,不仅能验证建模的正确性,也为顶升过程中桥梁受力性能提供参考。

3.1 全桥浇筑施工

　　全桥浇筑施工后(包括张拉预应力、加桥面附属荷载),主梁、端横梁和中横梁的上、下缘应力分布如图8所示。

　　由图8可知,主梁、端横梁和中横梁应力基本呈对称分布。全桥施工完毕时,主梁未出现拉应力(桥梁端部计算结果可不计),最大压应力9.0MPa≤0.7f'_ck=22.68MPa;端横梁最大拉应力为0.6MPa≤0.7f'_tk=1.855MPa、最大压应力8.2MPa;中横梁最大拉、压应力为0.5,6.3MPa,均满足规范要求。

　　图8 工况(1)应力

　　 Fig.8 Stress of working condition(1)

3.2 10年收缩徐变

　　经过10年收缩徐变,主梁、端横梁和中横梁的上、下缘应力分布如图9所示。

　　图9 工况(2)应力

　　 Fig.9 Stress of working condition(2)

　　由图9可知,经过一定时间的收缩徐变,主梁最大压应力为8.0MPa;同图8比较可以发现,端横梁和中横梁的最大拉、压应力与全桥施工完毕时的应力分布形态基本一致,应力值相差≤6%,且均满足规范要求。综上所述,原状桥梁结构合理安全,顶升分析模型可靠。

4 桥梁结构顶升分析

4.1 正常顶升

　　正常顶升过程中,主梁、端横梁和中横梁的上下缘应力如图10所示。由图10可知,主梁和端横梁的上、下缘应力分布形态近乎呈完全对称;主梁中间墩处的上缘应力比下缘小,桥台及交界墩处则刚好相反;正常顶升过程中主梁未出现拉应力,最大压应力8.1MPa;端横梁最大拉应力0.6MPa,最大压应力8.2MPa;中横梁最大拉应力0.5MPa,最大压应力6.3MPa。顶升前、后梁体主梁应力变化≤0.9MPa。

　　图1 0 工况(3)应力

　　 Fig.10 Stress of working condition(3)

　　另外,通过计算得到反力梁最大拉、压应力为108MPa≤1.3×145=188.5MPa;最大剪应力为89.1MPa≤1.3×85=110.5MPa,满足JTJ 025—86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 ^[12]要求。

4.2 不利工况

4.2.1 纵向分析

　　经计算发现,桥台或中墩相对其他桥墩产生1cm下降时,对上部结构纵向受力造成影响,因此本节仅分析主梁结构的受力情况,工况(4),(5)的主梁应力如图11所示。

　　图1 1 工况(4),(5)主梁应力

　　 Fig.11 Main girder stress of condition(4),(5)

　　由图11可知,桥台和中墩相对其他桥墩产生1cm沉降时,主梁均未出现拉应力,工况(4),(5)对应的最大压应力分别出现在主梁上缘63,27m处,即第2跨和第1跨3/4断面位置,最大值为7.9,8.7MPa。

4.2.2 顶升点失效分析

　　顶升过程中很有可能因设备原因引起顶升钢筒突然失效,为保证顶升构件的安全性,本节依次对4种不同工况(工况(6)～(9))相应位置的反力梁进行受力分析。

　　 1)当桥台中部或边缘处的1个千斤顶失效,其余正常运作时,反力梁的上缘、下缘及剪应力分布情况如图12,13所示。

　　图1 2 工况(6)反力梁应力(单位:MPa)

　　 Fig.12 Stress of reaction girder working condition(6)(unit:MPa)

　　图1 3 工况(7)反力梁应力(单位:MPa)

　　 Fig.13 Stress of reaction girder working condition(7)(unit:MPa)

　　由图12,13可知,总体上2种工况下反力梁的应力分布形态基本一致,但工况(6)的应力值比工况(7)大。工况(6)反力梁最大拉、压应力约137.4MPa,最大剪应力为107.2MPa;工况(7)反力梁最大拉、压应力为113.7MPa,最大剪应力为93.6MPa。由此可见,桥台中部千斤顶失效引起的反力梁应力变化比边缘处千斤顶失效更敏感。

　　 2)当主墩横桥向或顺桥向反力梁的1个千斤顶失效,其余正常运作时,反力梁的上缘、下缘及剪应力分布情况如图14,15所示。

　　由图14,15可知,工况(8),(9)反力梁的上缘、下缘及剪应力值较接近,只差约2MPa,但总体上比桥台处千斤顶失效引起的应力变化更迟钝。主墩横桥向顶升点失效时,反力梁最大拉、压应力约70.9MPa,最大剪应力为49.9MPa;主墩顺桥向顶升点失效时,反力梁最大拉、压应力约72.7MPa,最大剪应力50.9MPa。

4.2.3 梁体投影增长分析

　　随着箱梁顶升施工,梁体投影长度会发生变化。当桥台处梁体的投影变长,桥台侧千斤顶支撑偏移20.8cm时,桥台反力梁的应力分布如图16所示。

　　图1 4 工况8反力梁应力(单位:MPa)

　　 Fig.14 Stress of reaction girder working condition 8(unit:MPa)

　　图1 5 工况(9)反力梁应力(单位:MPa)

　　 Fig.15 Stress of reaction girder working condition(9)(unit:MPa)

　　由图16可知,桥台反力梁最大拉、压应力为110.2MPa,最大剪应力为90.0MPa,比正常顶升工况下的应力只增大0.9～2.1MPa。

5 结语

　　 1)该桥主梁、端横梁和中横梁的上、下缘应力基本呈对称分布,全桥施工完毕至经过10年收缩徐变后,梁体主要构件应力值相差≤6%,均满足规范要求,主梁最大应力为9.0MPa。可见,原状桥梁结构合理安全,顶升分析模型可靠。

　　 2)正常顶升工况下,主梁未出现拉应力,最大压应力为8.1MPa,且顶升前、后主梁应力变化≤0.9MPa;反力梁最大拉应力为108MPa。

　　图1 6 工况(10)桥台反力梁应力(单位:MPa)

　　 Fig.16 Stress of bridge abutment working condition(10)(unit:MPa)

　　 3)在桥台或中墩相对1cm的沉降工况下,主梁最大压应力均出现在第2跨和第1跨的3/4断面处,对应的最大压应力值分别为7.9,8.7MPa。

　　 4)桥台中部千斤顶失效引起的反力梁应力变化最敏感,最大拉、压应力约137.4MPa,最大剪应力107.2MPa;其次是桥台边缘处的千斤顶失效,最大拉、压应力113.7MPa,最大剪应力93.6MPa;主墩横桥向或顺桥向反力梁千斤顶失效引起的应力变化最迟钝,且两者的上缘、下缘及剪应力值都较为接近,只相差2MPa左右。

　　 5)随着箱梁顶升施工,梁体投影增长至20.8cm时,反力梁应力只比正常顶升时增大0.9～2.1MPa。

参考文献[1]彭厚德.跨河桥梁通航净空尺度与航道等级升级改造的相互影响[J].水运工程,2013(4):139-141.
[2]李俊哲,唐进锋,常征.沉降对桥上无缝道岔力学特性影响分析[J].铁道科学与工程学报,2016,13(2):250-256.
[3]徐宏,郭敏.既有简支梁桥整体同步顶升施工技术[J].世界桥梁,2016,44(2):82-86.
[4]吴毅彬.预应力混凝土连续弯箱梁桥同步顶升纠扭施工[J].世界桥梁,2012,40(3):72-76.
[5]王伟,刘昀,丁毅.连续梁桥多跨整联同步顶升施工计算分析[J].中外公路,2017(3):102-106.
[6]陈梁,朱利明,蒋湘成.斜交连续梁顶升过程仿真分析[J].中外公路,2016(4):161-166.
[7]陈舟,颜全胜,何振族.北江大桥引桥整体顶升施工仿真分析[J].桥梁建设,2015,45(3):99-103.
[8]余晓琳.北江大桥引桥整体顶升施工技术[J].桥梁建设,2014,44(1):114-120.
[9]周松,常光照,孟晓亮,等.大跨径混凝土连续梁桥整体顶升施工分析[J].桥梁建设,2017,47(3):116-120.
[10]束学智,冯思雨.城市桥梁超高顶升改造施工[C]//工程质量学术会议,2016.
[11]中交公路规划设计院有限公司.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG 3362—2018[S].北京:人民交通出版社,2018.
[12] 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵钢结构及木结构设计规范:JTJ 025—86[S].北京:人民交通出版社,2015.

Simulated Analysis of Super High Jacking Construction of Multi-span Concrete Continuous Box Girder Bridge

LIN Sixin

(CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Xiamen Branch)

Abstract: In order to solve the problem of super-high jacking construction of concrete continuous box girder bridge,the structural mechanical characteristics of the box girder bridge in the process of jacking are studied,a three-dimensional numerical model is established by using MIDAS/Civil finite element software based on the reconstruction project of Xianyue Road Viaduct with the largest jacking height in Xiamen. The main structures of the girder under 10 different working conditions,such as before jacking,normal jacking and failure of jacking point,the stress distribution of the main components of the girder and reaction girder are analyzed.

Keywords: bridges; continuous box girder; jacking; finite element analysis; stresses

649 0 0