宋振浩，馬振芳，陳 俊，胡 欣

（1.湖北楚天聯(lián)發(fā)路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，湖北 武漢 430000； 2.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多既有的城市橋梁無法滿足日益增加的交通需求，同步頂升技術(shù)越來越多的應(yīng)用到城市舊橋改擴(kuò)建工程中。同步頂升技術(shù)是在橋梁結(jié)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合橋梁本身的狀況，利用多點(diǎn)同步頂升PLC液壓控制系統(tǒng)，輸入位移控制信號，輸出油量控制信號，控制梁下的多組千斤頂按照設(shè)計(jì)要求完成橋梁的頂升［1-2］。這項(xiàng)施工技術(shù)與其他橋梁改造技術(shù)相比，表現(xiàn)出非常突出的優(yōu)點(diǎn)：對周圍的干擾少；不需征地拆遷或占用大量的施工場地；縮短施工周期；避免重復(fù)投資，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，特別避免了對舊橋拆除的噪聲、揚(yáng)塵、固體廢棄物污染［3-4］。然而目前對同步頂升技術(shù)的研究主要集中在頂升施工工藝和施工技術(shù)的探討［5-9］，對城市橋梁同步頂升施工過程中受力狀態(tài)的分析卻并不多。在頂升過程中要避免對舊橋帶來不利的影響，在頂升前先對舊橋進(jìn)行頂升過程中的受力分析顯得尤為重要。本文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用MIDAS軟件，并參照J(rèn)TG 3362—2018公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［10］、GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［11］對城市高架橋梁整體同步頂升過程中的受力進(jìn)行了分析，以確保橋梁在頂升施工過程中的安全。

1 工程概況

遼陽路（南京路—福州路）工程位于青島市市北區(qū)遼陽路，橋梁主橋橋?qū)?5 m，共8聯(lián)，總長849 m。橋梁西接杭鞍高架路47號橋，向東跨過南京路、吳興路、紹興路后落地。本次需通過頂升實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換的橋梁為原杭鞍46號、47號主線橋，其頂升段現(xiàn)場平面如圖1所示。

圖1 主線橋梁頂升段現(xiàn)場平面圖

原杭鞍高架二期46號、47號橋，位于同一縱向軸線上，通過頂升需將橋梁縱坡i由頂升前的1.6%～3%下坡變?yōu)轫斏蟮?.76%上坡，橋梁頂升高度65.5 cm～579.8 cm，頂升前后位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 頂升前后位置關(guān)系對照示意圖

46號頂升橋梁跨徑為（32+27）m，質(zhì)量約2 880.4 t，47號跨徑為（27+41+32）m，質(zhì)量約4 408 t。上部結(jié)構(gòu)均為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)范圍171號～176號橋墩及基礎(chǔ)，橋墩均采用八角形橋墩，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。46號、47號橋梁頂升概況見表1。

表1 46號、47號橋梁頂升概況表

2 有限元仿真分析

2.1 模型建立和單元?jiǎng)澐?/h3>

利用MIDAS/Civil V2020對32 m+27 m，27 m+41 m+32 m跨徑連續(xù)箱梁橋進(jìn)行建模計(jì)算。為了能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)整體的受力性能，采用梁格法進(jìn)行建模計(jì)算分析，并考慮梁體截面的變化。結(jié)合實(shí)際施工狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在建模時(shí)，將上部箱梁結(jié)構(gòu)與分配梁進(jìn)行剛性連接，并分別建立了中橫梁、端橫梁的結(jié)構(gòu)模型。下面以46號橋?yàn)槔溆?jì)算模型如圖3所示。

圖3 46號橋計(jì)算模型

2.2 荷載條件及計(jì)算工況的選取

2.2.1 荷載條件

結(jié)合前期的調(diào)研和46號、47號橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，在對模型進(jìn)行加載時(shí)主要考慮四種荷載對橋梁頂升的影響，分別為：橋梁自重；混凝土收縮徐變；縱向預(yù)應(yīng)力；橫向預(yù)應(yīng)力。

1）自重。

橋梁自重：箱梁混凝土為C55，按毛截面面積計(jì)算梁體縱向受力部分的自重，其中混凝土容重取26 kN/m3，彈性模量為3.55×104MPa。橫梁以橫向梁單元的方式自動(dòng)計(jì)算。

橋面附屬自重：防撞墻、橋面鋪裝按實(shí)際荷載以均布力的形式施加。

2）混凝土收縮徐變。

在施工過程中橋梁整體結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)換，混凝土徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)按照規(guī)范（JTG 3362—2018）第4.3.8，4.3.9條計(jì)算，收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失按照規(guī)范（JTG 3362—2018）第6.2.7條計(jì)算。

3）縱向預(yù)應(yīng)力。

縱向預(yù)應(yīng)力采用s15.20鋼絞線，彈性模量為1.95×105MPa。s15.20鋼絞線錨下張拉控制應(yīng)力1 340 MPa。

4）橫向預(yù)應(yīng)力。

橫向預(yù)應(yīng)力采用s15.20鋼絞線，彈性模量為1.95×105MPa。s15.20鋼絞線錨下張拉控制應(yīng)力：173號墩橫梁為1 180 MPa，176號墩橫梁為1 280 MPa，中橫梁為1 340 MPa。

2.2.2 計(jì)算工況的選取

為了確保46號、47號橋梁頂升施工的安全性，在建模計(jì)算前，分析了橋梁頂升過程中最可能出現(xiàn)的8種不利工況，加上正常頂升施工階段，一共選取了9種工況，以驗(yàn)算梁體主要構(gòu)件、分配梁的結(jié)構(gòu)安全度，確保后續(xù)頂升施工的安全性。

正常頂升施工階段是指不出現(xiàn)設(shè)備故障等不利情況下的橋梁整體同步頂升施工。在正常頂升過程中，按照施工設(shè)計(jì)將施工階段的受力分析劃分為3個(gè)施工階段：階段1：包括施加預(yù)應(yīng)力、施加橋面附屬荷載在內(nèi)的全橋澆筑階段；階段2：考慮結(jié)構(gòu)混凝土十年收縮與徐變；階段3：施加頂升力、拆除舊支座。

不利工況是指在橋梁頂升施工過程中發(fā)生了頂升不同步或者千斤頂失效的情況。根據(jù)本工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，確定了如下八種不利工況，其中46號橋?qū)?yīng)171號和172號墩，47號橋?qū)?yīng)173號和174號墩，171號、173號墩為交界墩，172號、174號墩為中墩：

不利工況一：交界墩相對其他橋墩產(chǎn)生1 cm的下降；不利工況二：中墩相對其他橋墩產(chǎn)生1 cm的下降；不利工況三：交界墩一個(gè)中千斤頂失效，其余正常運(yùn)作；不利工況四：交界墩一個(gè)次中千斤頂失效，其余正常運(yùn)作；不利工況五：交界墩一個(gè)邊千斤頂失效，其余正常運(yùn)作；不利工況六：中墩一個(gè)中千斤頂失效，其余正常運(yùn)作；不利工況七：中墩一個(gè)次中千斤頂失效，其余正常運(yùn)作；不利工況八：中墩一個(gè)邊千斤頂失效，其余正常運(yùn)作。

2.3 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

46號、47號橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)按預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件控制，構(gòu)件應(yīng)滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）第7.2.8條對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。

2.3.2 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制

頂升過程中的分配梁采用Q355鋼，應(yīng)滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中第4.4.1的要求。

2.4 有限元分析

2.4.1 46號橋梁頂升有限元分析

1）正常頂升施工階段計(jì)算分析。

正常頂升施工階段中第一階段和第二階段僅對原有橋梁進(jìn)行處理，并未改變橋梁支承體系，故這兩個(gè)階段僅需計(jì)算主梁在不同受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。第三個(gè)階段為拆除原有支座，加千斤頂（千斤頂固定在分配梁上），由千斤頂代替橋梁原有支承體系對橋梁進(jìn)行頂升，在進(jìn)行受力分析的時(shí)候，除了考慮主梁的受力情況，還需考慮橫梁及分配梁的受力情況。具體建模計(jì)算分析如下：

a.階段1：包括施加預(yù)應(yīng)力、施加橋面附屬荷載在內(nèi)的全橋澆筑階段，主梁結(jié)構(gòu)上緣和下緣的應(yīng)力分布見圖4。

圖4主梁應(yīng)力圖(一)

通過應(yīng)力分析，主梁在這個(gè)階段產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力8.7 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，最大拉應(yīng)力0.6 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa，均滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。

b.階段2：在荷載中考慮10 a混凝土的收縮與徐變對結(jié)構(gòu)的影響，主梁上緣、下緣的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5主梁應(yīng)力圖(二)

通過分析，主梁在這個(gè)階段產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力0.6 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa，最大壓應(yīng)力7.9 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。

c.階段3：施加頂升力、拆除舊支座。主梁、橫梁、分配梁結(jié)構(gòu)上、下緣的拉、壓應(yīng)力分布圖如圖6～圖8所示；分配梁的剪應(yīng)力分布圖和撓度變形圖如圖9，圖10所示。

圖6主梁應(yīng)力圖(三)

圖7分配梁應(yīng)力圖(一)

圖8 橫梁應(yīng)力圖

圖10 分配梁撓度變形圖

通過分析，主梁在這個(gè)階段產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力2.4 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa；最大壓應(yīng)力8.7 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。

圖9分配梁剪應(yīng)力圖(二)

分配梁在這個(gè)階段產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力126.4 MPa，最大壓應(yīng)力為111.4 MPa，均小于295 MPa；最大剪應(yīng)力為84.9 MPa＜170 MPa，滿足規(guī)范（GB 50017—2017）的要求。最大撓度變形為3.5 mm。

橫梁在這個(gè)階段產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力3.0 MPa≤1.15f′tk=3.2 MPa，最 大 壓 應(yīng) 力10.0 MPa≤0.7f′ck=24.85 MPa，滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。

2）各不利工況下頂升過程計(jì)算分析。

46號橋的八種不利工況均按照上述1）中所列正常施工階段3（頂升階段）進(jìn)行受力分析，對主梁、橫梁的上、下緣應(yīng)力，分配梁的上、下緣應(yīng)力、剪應(yīng)力進(jìn)行了分析。為節(jié)約篇幅，本文不在列出每個(gè)工況的應(yīng)力圖。各工況下最大的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖11所示，圖11中加圓點(diǎn)的水平直線為按照2.3應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的極限值。其中主梁和橫梁的最大拉應(yīng)力極限值為3.2 MPa，最大壓應(yīng)力的極限值為24.85 MPa，分配梁的最大拉、壓應(yīng)力極限值為295 MPa，最大剪應(yīng)力的極限值170 MPa。

圖11 46號橋梁八種不利工況下的最大應(yīng)力分布圖

根據(jù)圖11可知，八種不利工況的最大應(yīng)力值如表2所示。將其與規(guī)范計(jì)算的極限值進(jìn)行對比分析可見：主梁、橫梁的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均小于規(guī)范計(jì)算的極限值，滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。分配梁的最大拉壓應(yīng)力及剪應(yīng)力均小于規(guī)范計(jì)算的極限值，滿足規(guī)范（GB 50017—2017）對鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求。

表2 46號橋八種不利工況下計(jì)算應(yīng)力最大值MPa

2.4.2 47號橋梁有限元分析

47號橋有限元分析過程與46號橋完全一樣，故不再一一列出各種工況下主梁、橫梁及分配梁的應(yīng)力圖，僅提取每種工況下主梁、橫梁及分配梁的最大應(yīng)力值，繪成最大應(yīng)力分布圖，并與規(guī)范極限值（加圓點(diǎn)的水平直線）進(jìn)行對比。其中橫梁不出現(xiàn)拉應(yīng)力，各構(gòu)件的極限應(yīng)力值與46號橋梁相同。

47號橋在九種工況的最大應(yīng)力值如表3所示，最大應(yīng)力分布圖見圖12，對圖12進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將其與規(guī)范計(jì)算的極限值進(jìn)行對比分析可知：主梁、橫梁的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均小于規(guī)范計(jì)算的極限值，滿足規(guī)范（JTG 3362—2018）對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。分配梁的最大拉壓應(yīng)力均小于規(guī)范計(jì)算的極限值，滿足規(guī)范（GB 50017—2017）對鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求；但其最大剪應(yīng)力在不利工況一時(shí)為172.1 MPa，不利工況二時(shí)為182.1 MPa，不利工況八時(shí)為177.6 MPa，均值稍大于規(guī)范極限值。

圖12 47號橋梁9種工況下的最大應(yīng)力分布圖

表3 47號橋九種工況下計(jì)算應(yīng)力最大值MPa

2.5 結(jié)論

本次計(jì)算利用MIDAS Civil對46號、47號橋頂升工程進(jìn)行了受力分析，分別按設(shè)計(jì)方案的正常施工計(jì)算、頂升過程中可能出現(xiàn)的八種不利工況進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

1）橋梁上部結(jié)構(gòu)的主梁、橫梁的應(yīng)力驗(yàn)算，能夠滿足JTG 3362—2018公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的相關(guān)要求。

2）分配梁的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度能夠滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.4.1條的要求。個(gè)別不利工況抗剪強(qiáng)度稍大于規(guī)定值，在加工橫梁時(shí)需加強(qiáng)加勁肋的施工質(zhì)量，局部適當(dāng)加強(qiáng)，即可滿足施工安全要求。

3）需嚴(yán)格加強(qiáng)現(xiàn)場控制，防止不利工況的出現(xiàn)。故46號、47號連續(xù)梁橋采用同步頂升施工工藝完成橋梁體系轉(zhuǎn)化是安全可行的。

3 展望

本文案例中采用同步頂升技術(shù)進(jìn)行橋梁頂升的有限元分析，不僅為后續(xù)頂升施工提供了指導(dǎo)，也為此類城市高架橋采用整體同步頂升技術(shù)進(jìn)行升級改造提供了一定的參考。相信采用整體同步頂升技術(shù)進(jìn)行城市中的舊橋改造將成為未來城市道路建設(shè)的新熱點(diǎn)。