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大跨预应力混凝土连续梁桥双墩顶升计算分析

2024-07-22 17 上传者：管理员

摘要：研究连续梁桥局部桥墩顶升时主梁关键截面混凝土应力和预应力钢筋应力变化规律，确保顶升高度在满足主梁安全的前提下能顺利完成支座更换，具有很重要的实际意义。以某三跨预应力混凝土连续梁桥震后修复工程为例，采用Midas civil建立该桥有限元模型，进行双墩同时顶升的计算分析，研究各支座反力、梁体上下缘应力及预应力钢筋应力的变化规律。结果表明：在满足支座更换高度要求下双墩顶升，各支座反力均未超过其承载能力，梁体翼缘应力及预应力钢筋应力均未超过其各自的设计应力，结构安全。间隔顶升时，中间顶升墩处下翼缘压应力最大，上翼缘产生拉应力；同时顶升两中墩时，成桥状态梁体应力变化较大，两种工况均为双墩顶升时的不利工况。双墩顶升时，梁体翼缘混凝土应力是影响主梁安全的主要控制因素，在施工时应该加强不同工况下各自关键截面处的应力监控。

关键词：
双墩顶升
大跨预应力混凝土连续梁桥
承载力
支座反力
有限元分析
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盆式橡胶支座具有承载力大、水平位移能力大和旋转灵活等特点，在公路连续梁中得到了大量应用；但其在设计寿命期内会出现老化、龟裂、外鼓、脱空、钢板外露锈蚀等现象，严重时影响桥梁正常运营，更换支座需要对连续梁桥进行顶升。众多学者关于桥梁顶升技术进行了大量研究，陈梁等[1]采用ANSYS对主桥顶升过程进行了仿真分析，通过比选确定了千斤顶的布置方案。牛建刚[2]等以海铺互通立交工程为背景，采用Midas civil对其进行同步顶升计算分析，为大吨位桥梁顶升施工提供理论依据和经验。赵罡颉等[3]依托南河特大桥整体同步顶升工程，从顶升时的监测数据结果分析产生高程差的原因，从而进行控制。孙明德等[4]分析了铁路连续梁桥的支座变形原因，提出单墩顶升方法进行支座更换，确定了安全顶升高度。

连续梁桥的盆式橡胶支座一般不会同时破坏而失去承载能力，若局部桥墩需要更换支座而顶升全桥，则施工难度大，投入大，工期长；单独顶升需要更换支座的桥墩，主梁顶升支撑点处的位移变化会导致主梁内力变化，严重时会造成主梁破坏。因此，如何控制局部桥墩顶升位移，使其在满足支座更换或维修的空间内确保主梁不发生强度破坏，是一个值得研究的问题[5]。本文以某三跨预应力混凝土连续梁桥为研究对象，分析了双墩同时顶升时各支座反力、梁体翼缘应力以及预应力钢筋应力等参数的变化规律，为同类型桥梁的顶升控制和施工监控提供依据。

1、工程概况

本桥主梁采用三跨预应力混凝土连续箱梁，全桥长243.5 m,桥面宽为11.6m,采用混凝土等级为C55。中墩采用8.5 m×3.0 m的矩形混凝土实体墩，墩高3.5 m。桥台采用耳墙式桥台，桥墩和桥台下采用∅1.5 m钻孔桩基础，其桥梁结构如图1所示。

图1桥梁结构(单位：m)

受地震影响，该桥出现了不同墩台处支座和垫石的损坏、主梁整体偏移等问题，需尽快对其进行震后顶升纠偏修复。该桥共布有8个支座，其中固定支座位于3#墩，1、4#台处各支座承载力为3 500 kN,2、3#墩处各支座承载力为30 000 kN。桥梁支座布置如图2所示。

在桥梁顶升过程中，箱梁控制截面的应力符合相关规范是顶升方案能够安全实施的保障，但千斤顶的合理布置及其顶升力大小的控制也是实现同步顶升的关键[6]。我国《桥梁顶升移位改造技术规范》规定，千斤顶顶升点的布置宜以支座中心对称布置，且千斤顶需预留1.5的安全系数。该桥1、4#台恒载总支反力均约4 150 kN,每个桥台处各布置4台150 t千斤顶；2、3#墩恒载总支反力均约56 000 kN,需布置8台1 100 t千斤顶。由于中墩处顶升空间有限，不足以安放千斤顶，故在中墩两侧各设置4个混凝土临时支墩作为千斤顶的反力支撑。桥台与桥墩的千斤顶布置如图3、图4所示。

图2支座布置

图3桥台千斤顶布置

图4桥墩千斤顶布置

2、建立有限元模型

根据设计文件和施工日志，采用Midas civil建立桥梁施工阶段和成桥状态有限元模型(如图5所示)。

图5梁体有限元模型

箱梁边界条件按实际支座约束施加于中墩及桥台底面节点，底面节点与主梁节点进行弹性连接。在模型建立过程中，为了更好的模拟各千斤顶进行同步顶升工作，在桥梁墩台相应的千斤顶支撑位置处，建立相应节点代表千斤顶，1、4#台处各建立4个节点，2、3#墩处各建立8个节点，并将这些千斤顶节点与其对应的梁体主节点进行弹性连接，进而达到最接近真实顶升状态下的边界条件。在模型中采用节点力的方式模拟千斤顶顶升，控制顶升桥墩或台下各个千斤顶顶出力相同，随着顶升力加载至顶升墩或台处支座反力为0时，完成由支座到千斤顶支撑的转换，之后钝化掉顶升处支座边界条件，通过增加顶升力从而达到相应的顶升位移。

3、双墩顶升计算分析

3.1计算工况

考虑到桥梁的对称性及2个桥台和2个桥墩的不同组合，共分四个工况对双墩顶升进行研究：工况1,1、2#墩台同时顶升；工况2,1、3#墩台同时顶升；工况3,1、4#桥台同时顶升；工况4,2、3#桥墩同时顶升。

本节将分析四种工况下成桥状态及各墩台顶升10、20、30 mm高度下各墩支座反力、梁体翼缘应力及预应力钢筋应力等参数变化规律，并验算在满足支座更换需求(顶升高度10 mm)下各参数安全取值。

3.2支座反力计算

各工况下各支座承载能力验算结果如表1～表4所示。

表1工况1各支座反力

表2工况2各支座反力

表3工况3各支座反力

表4工况4各支座反力

当1、2#墩台同时顶升时，3#墩处支座反力不断减小，4#台处支座反力不断增加，且双墩位移每增加10 mm, 3#墩处支反力减小73 kN,4#台处支反力增加94 kN;当1、3#墩台同时顶升时，2#墩与4#台处处支座反力都会不断减小，且双墩位移每增加10 mm, 2#墩处和4#台处支反力减少一定数值；当1、4#台同时顶升时，2#墩与3#墩处支座反力均会减小；当2、3#墩同时顶升时，1#台和4#台处支座反力均不断减小，且双墩位移每增加10 mm, 1、4#台处支反力均减小13.8 kN。综上，当双墩顶升且满足支座更换条件时，四种工况下其余各支座反力均安全，工况2、工况3和工况4都会使得支反力减小，工况1会造成4#台处支座反力增加。

3.3梁体翼缘应力计算

该桥为公路预应力混凝土连续梁桥，其主梁采用C55混凝土，轴心抗压强度设计值为24.4 MPa,轴心抗拉强度设计值为1.89 MPa。分别计算四种不同工况，分析在成桥以及顶升10、20、30 mm不同高度下，全桥梁体上、下翼缘应力变化。

如图6所示，双墩顶升1#台与2#墩时，1#台到跨中处梁体上翼缘压应力随着顶升高度增加而减小，2#中墩右侧较明显；跨中至4#台处梁体上翼缘压应力随顶升高度增加而增大。梁体下缘则表现为1#台至跨中压应力随顶升位移增加而增大，跨中至4#台处压应力随顶升位移减小的情况。其中上翼缘最大压应力为9.25 MPa,下翼缘最大压应力为15.96 MPa。

图6工况1梁体翼缘应力变化

如图7所示，双墩顶升1#台与3#墩时，梁体上下翼缘应力随顶升位移增加变化较大。上翼缘应力表现为从1#台至跨中处压应力随顶升位移增加不断增大，跨中至4#台处压应力随顶升位移增加不断减小，3#墩千斤顶对应梁体处随着顶升高度增加甚至产生1.24 MPa拉应力。梁体下缘则表现为1#台至跨中一段压应力随顶升位移增加而减小，跨中至4#台处压应力随顶升位移增加而增大。其中上翼缘最大压应力为10.53 MPa,下翼缘最大压应力为18.64 MPa。

如图8所示，双墩顶升1#台与4#台时，梁体上翼缘表现为2#墩至3#墩处压应力随顶升位移增加不断增大，且在靠近跨中时，应力增加较明显，最大压应力为10.53 MPa。梁体下缘则表现为2#墩至3#墩处压应力随顶升位移增加而减小的情况，同样在跨中处增幅最大。

图7工况2梁体翼缘应力变化

图8工况3梁体翼缘应力变化

如图9所示，双墩顶升2#墩与3#墩时较成桥状态下应力变化较大，梁体上翼缘应力表现2#墩至3#墩处压应力随顶升位移增加而减小；梁体下翼缘应力表现为1#台至2#墩以及3#墩至4#台处压应力变化不明显，而2#墩到3#墩处压应力随着顶升位移增加不断增大，且越靠近跨中增加越明显，其中最大压应力为16.03 MPa。

图9工况4梁体翼缘应力变化

3.4预应力钢筋应力计算

由于本桥为三跨预应力混凝土连续梁桥，在顶升时需要对梁体内部的预应力钢筋应力进行验算。在顶升过程中，位于顶板内预应力钢筋也会发生改变，但预应力钢筋应力不应该超过其容许拉应力1 209 MPa,因此需要关注上顶板关键位置处的预应力钢筋应力变化。墩台顶升时，需要对预应力钢筋应力进行验算，分析在各种工况下，2#墩和3#墩对应上顶板处B1～B4及B1'～B4'号预应力钢筋拉应力变化规律。验算过程中，预应力钢筋应力为扣除全部预应力损失并考虑了顶升作用引起的钢束应力变化。2#墩处预应力钢筋布置如图10所示。3#墩处预应力钢筋B1'～B4'与之相应。在成桥阶段，各预应力钢筋的应力初始值B1～B4分别为1 187.1、1 207.1、1 200.5和1 189.8 MPa, B1'～B4'分别为1 187.3、1 207.4、1 200.7和1 190.0 MPa。

图10 2#墩(3#墩)处顶板预应力钢筋布置

如图11所示，工况1时2#墩处上顶板内各预应力钢筋应力从成桥状态到千斤顶开始顶升时减小、后随顶升高度不断增加，而3#墩处上顶板内预应力钢筋应力从成桥状态初始值开始不断减小。

图11工况1预应力钢筋应力变化

如图12所示，工况2时2#墩处上顶板内各预应力钢筋应力从成桥状态初始值开始在不断减少，而3#墩处上顶板内预应力钢筋应力从成桥状态到千斤顶开始顶升时减小、后随顶升高度不断增加。

图12工况2预应力钢筋应力变化

如图13所示，工况3时随着1、4#桥台顶升位移的增加，2#墩与3#墩处上顶板内预应力钢筋应力从成桥状态初始值开始不断减小。

如图14所示，工况4时随着2、3#桥墩顶升位移的增加，2#墩与3#墩处上顶板内预应力钢筋应力从成桥状态到千斤顶开始顶升时减小，后随顶升高度不断增加。

图13工况3预应力钢筋应力变化

图14工况4预应力钢筋应力变化

经验算，四种工况下各预应力钢筋应力均发生变化，但均未超过预应力钢筋的容许拉应力1 209 MPa,在满足支座更换高度要求下，梁体预应力钢筋均安全。

4、结论

本文以既有大跨预应力混凝土连续梁桥震后修复工程为例，通过数值模拟得到双墩顶升时桥梁各支反力、梁体上下翼缘应力以及预应力钢筋应力的变化规律，分析其变化规律，为后期施工过程监控提供理论依据，所得结论如下：