连续宽箱梁桥单墩力同步顶升横向效应分析.pdf

浙江交通职业技术学院学报，第2 5卷第1期，2 0 2 4年3月Journal of Zhejiang Institute of CommunicationsVol.25 No.1,Mar.2024连续宽箱梁桥单墩力同步顶升横向效应分析史杰，朱子齐（浙江浙交检测技术有限公司浙江杭州310 0 15）摘要：针对某双箱多室预应力混凝土连续宽箱梁的单墩顶升更换支座工程，建立桥梁多尺度仿真模型。分析单墩力同步顶升下结构的横向应力及位移变化规律，验证单墩力同步顶升的可行性。结合梁端横向位移影响线，确定结构横桥向最不利顶力偏差工况。分析最不利工况下结构的横桥向正应力及位移变化规律，明确桥梁顶升施工过程的顶力与位移同步偏差的控制值。可为同类桥梁的单墩力同步顶升工程提供参考。关键词：桥梁工程；连续梁桥；双箱多室；力同步顶升；支座更换中图分类号：U443文献标识码：Adio：10.396 9/j.i s s n.16 7 1-2 34X.2 0 2 4.0 1.0 0 6文章编号：16 7 1-2 34X（2 0 2 4）0 1-0 0 33-0 5匀，受横桥向的不同步顶升影响更明显。0引 言桥梁结构在长期的运营过程中，由于支座自身老化变质、外部水侵害等原因引起支座锈蚀、开裂及变形，造成支座功能受限。为保障桥梁上部结构的正常变形能力，必须进行支座的更换。常用的支座更换方式有整体顶升和单墩同步顶升。整体顶升是将某一联上部结构整体抬高，梁体受力较有利，但资源消耗大，大部分情况下需要中断交通。单墩同步顶升指纵桥向单墩、横桥向同步顶升上部结构，该方法资源消耗小，一般不需要中断交通。但单墩同步顶升会在梁体内引起附力应力，影响结构安全，因此必须进行严密的计算。单墩同步顶升进行支座更换，纵桥向相当于对结构某点给予强制位移，将使上部结构在纵桥向产生次内力，引起应力状态的改变。同时横桥向由于支座恒载反力差异、顶升设备偏差等原因造成横桥向不同步顶升，可能引起结构横桥向应力超限开裂。当结构为整体多箱截面时，桥宽较大且横向刚度分布不均收稿日期：2 0 2 4-0 1-30作者简介：史杰（198 4一），男，安徽宿州人，高级工程师，硕士，Ema i l:s h i j i e 12 3456 7 8 90 16 3.c o m。目前单墩同步顶升对桥梁结构纵桥向受力状态分析较多1.2 ，而横桥向结构效应研究则较少。如刘家顺3 采用了梁格模型分析了力同步顶升时T梁桥、空心板桥横桥向位移、内力的分布，表明位移同步顶升对桥梁不利的影响远小于力同步顶升。刘建威4 等针对某单箱双室连续箱梁整体顶升中出现的横向位移差情况，建立实体单元模型，对结构受力状态的影响进行了分析，明确应将横向位移差控制在5mm以内。某预应力混凝土连续箱梁采用了单墩同步顶升法进行边墩支座更换。该桥横截面为双箱多室，桥面宽度大，结构横桥向刚度变化明显，横桥向的不同步顶升对结构受力更为不利。因此建立多尺度模型，分析单墩顶升的结构横向效应，为桥梁单墩顶升施工控制提供依据。1项目概况某预应力混凝土连续箱梁桥，跨径布置为53430m，横截面采用双箱多室。桥面横向布置为：0.25m（栏杆）+2.7 5m（人行道）+4.5m（非机动车道）+3.5m（绿化分隔带）+11.2 5m（机动车道）+0.2 5m（中央分隔带）2=45m。设计荷载为汽车超2 0 级，挂车12 0，人群荷载为4kN/m。桥墩为四个独桩独柱式墩，钢筋混凝土结构，每箱下设两个支座。桥梁横断面布置如图1。图中支座编号由左向右为R1R4。5275450浙江交通职业技术学院学报梁格范围内支座根据实际支座类型模拟，顶升处梁端支座采用只受压连接模拟，连接刚度按支座参数计算取值。模型中按照实际施工顺序建立三个施工阶段组：阶段1，左右幅梁体分别浇筑及端横梁预应力张拉；阶段2，纵桥向后浇带浇筑、顶板预应力张拉及二期荷载；阶段3，单墩力同步顶升。多尺度模型如图2。模型共计2 49 0 个梁单元、374928个实体单元、37 8 12 个钢束单元。3501125RI(R4)图1桥梁横断面布置图（单位：cm）注：括号内为另半幅支座编号。该桥定期检查中发现一侧梁端边墩支座严重锈蚀，为了防止病害进一步恶化，影响桥梁正常使用功能，管养单位决定对该边墩支座进行更换。经过计算分析，采取在边墩处对梁体进行单墩同步顶升的方式进行支座更换。即在该墩墩顶每个支座四周对称均匀安放四支千斤顶。顶升时各千斤顶顶力相同，分级顶升，达到设计位移后，安放钢块等临时支撑，然后对桥墩支座进行更换。处理完毕后，逐级卸载落梁，按顶升的相反程序进行。2多尺度仿真模型目前常用的仿真模型有单梁模型、梁格模型及实体单元模型。单墩顶升时可采用单梁模型进行结构的纵桥向受力计算，却无法分析结构的横向受力。传统的梁格模型可较好的模拟竖向力作用下的结构受力，但对近似水平方向的预应力模拟却存在较大的偏差。实体单元可较好的模拟结构在各种荷载作用下的受力情况，但对计算资源要求高，且桥梁顶升过程中还涉及到边界非线性分析，使得计算工作更难以实现。而采用梁格与实体单元混合的多尺度模型，可较好的提升计算效率，并实现模拟的准确性。桥梁顶升梁端侧纵桥向11m范围内采用实体单元；其他部分采用梁单元，建立梁格；梁格的纵梁单元与实体单元接触面刚结联接。实体单元范围内端横梁及顶板预应力采用钢束单元模拟，FEA钢束单元类型可实现与实体单元间的自动耦合，共同受力。R2(R3)图2 多尺度模型示意图（局部）3单墩力同步顶升横向效应分析3.1恒载支反力模型运行分析，提取阶段2 恒载作用下梁端支反力如表1。各支座反力接近，与平均值偏差不超过2%。偏差小于千斤顶压力误差控制精度3%5.6。表明单墩力同步顶升是可行的。表1恒载作用下梁端支反力汇总表支座号支反力(kN)R12738.5R22653.4R32653.2R42740.7平均值2696.5注：支座编号见图1。3.2单墩力同步顶升位移分别于梁端施加不同的同步顶力，计算恒载及同步顶力共同作用下各支点处位移如图3。图示表明：由于横桥向对称，两幅桥的内（外）侧支座处梁底位移变化相同；当每个支座处梁底的顶力为2 8 0 0 kN时，梁端顶升位移已超过8mm，基本满足支座更换要求；每一支座处梁底位移曲线均表现为双折线。当顶力小于临界值与平均值偏差1.56%-1.60%-1.61%1.64%/第1期(2710kN），仅中支座脱空，边支座未脱空，顶升位移同时受到梁体刚度及边支座刚度的影响；当顶力达到临界值，支座全部脱空，结构行为表现出边界非线性特征；此后位移仅受梁体刚度影响，梁端竖向变形刚度减少，曲线斜率增大。由于顶升过程中边界非线性特征，使得梁体一旦全部脱离支座，梁体位移将会明显增加，因此应重视支座恒载反力的计算。在支座脱空前，应缓慢逐渐施加顶力，避免支座突然脱空，使得梁体位移突然增大，危害结构安全。14121086420-22.650图3横桥向力同步顶力-位移曲线内外支点处梁底位移差如图4。图示表明：横桥向顶力同步条件下，内外支点处梁底位移差不超过0.4mm。内外支点处梁底位移差曲线，受支座是否全部脱空的影响，也表现为双折线增长。0.40.35(）0.30.250.20.150.12.650图4横桥向力同步顶力-内外支点位移差曲线3.3单墩力同步顶升应力单墩力同步顶升，结构横桥向位移差较小，与未顶升前应力状态接近。以同步顶力2 8 0 0 kN为例，在恒载与同步顶力作用下，梁端实体混凝土横桥向正应力 1.0 5MPa及 1.0 5MPa）图（半桥）图6 横桥向正应力等值面（1.0 5MPa）如图7、图8。因顶力偏差引起的最不利拉应力出现在中间翼板上，并分为两个区域。A区域位于桥梁中线附近，顶力正偏差侧的翼板顶面，最大应力为1.42 MPa；B区域范围较小，位于顶力正偏差侧翼板根部顶面近梁端处，最大应力为1.8 3MPa。除钢束锚固点及梁-实体联接处，箱梁横桥向最大压应力不超过-9.7 7 MPa，小于允许值。浙江交通职业技术学院学报f1f23f4ER1R2横桥向位置A区域图9 顶顶力偏差时横桥向正应力等值面局部图(单位:Mpa)因此该桥顶升施工时，顶力偏差应控制在R3R41.421.8380kN，即相对误差2.9%以内。同时内侧两支点处位移差控制在4mm以内；相邻内外侧支点位移差控制在 1.6 mm 以内。2.52(edW4T1.510.5图10顶力偏差时翼板最大横向正应力变化图14f1日f2124E108A区域B区域一允许值10203040506070 80 90100130顶力偏差绝对值（kN）420102030405060708090100110顶力编差绝对值KN）图8 顶力偏差时横桥向正应力等值面（1.0 5MPa）图图11顶力偏差时支座处梁底位移变化图计算不同顶力偏差下，翼板最不利区域的最大表2不同步顶力作用下支座处梁底位移汇总表应力变化如图10。当顶力偏差超过8 5kN时，最大f1拉应力达到1.92 MPa，超过允许值，因此顶力偏差位移(mm)不应超过8 0 kN。相邻位移差（mm)不同顶力偏差下，支座处梁底位移变化如图11，随着顶力偏差变大，R1、R2 支座处梁底位移增大，R3、R4支座处梁底位移减小，顶升偏差为80kN时，各支点处梁底位移如表2。211.410.60.84.036.61.6f45.0第1期5结论针对某双箱多室预应力混凝土连续宽箱梁桥单墩顶升更换支座工程，建立多尺度模型，分析局部顶升过程中梁体横向效应。该桥单墩各支座反力分布较均匀，采用单墩力同步顶升是可行的。单墩力参考文献：1郭艳芬，张永水，万飞等简支变连续梁桥支座更换新方法的试验研究J重庆交通大学学报（自然科学版2009.28(1):16 19.2梁玉雄，李东毅，傅梅珍。行车状态下的桥梁支座更换方法研究J华东交通大学学报2 0 2 0，37（1：32-383刘家顺位移同步顶升与顶力同步顶升对桥梁影响的差异分析J公路交通技术2 0 14，（5）：8 6-90.4刘建威，李德建，于鹏连续箱梁桥同步顶升时的横向位移差分析J铁道科学与工程学报2 0 18，（1）：141-1475DB33/T936-2014，内河桥梁整体顶升技术规程S.6DB33/T936-2022，公路桥梁整体顶升技术规程S.7JT G 336 2-2 0 18，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S.史杰，朱子齐：连续宽箱梁桥单墩力同步顶升横向效应分析37同步顶升分析表明，在支座脱空前应缓慢逐渐施加顶力，避免出现支座突然脱空，使得梁体位移突然增大而危害结构安全。单墩力同步顶力偏差对结构横向效应影响分析表明，两幅箱室分别存在顶力正偏差及负偏差时，支座间位移差最大，结构横桥向受力最不利。并进一步计算出最大顶力下顶力偏差及位移偏差的控制值。Analysis of Lateral Effect of Single Pier Force Synchronous Jacking onContinuous Wide Box Girder BridgeSHI Jie,ZHU Zi-qi(Zhejiang Zhejiao Testing Technology CO.,LTD Hangzhou Zhejiang 310015,China)Abstract:A multi-scale simulation model was established for support replacement using the single pier force syn-chronous jacking of a double-box multi-chamber prestressed concrete continuous wide box girder.The variationlaw of lateral stress and displacement of the structure under single pier force synchronous jacking were analyzed,and whose feasibility were verified.Combined with the influence line of the transverse displacement of the beamend,the most unfavorable jacking force deviation of the structure was determined.The change law of cross bridgenormal stress and displacement under the most unfavorable working conditions were analyzed,and the control valueof the synchronous deviation between the jacking force and displacement during the jacking construction was deter-mined,which can provide reference for the single pier force synchronous jacking engineering of similar Bridges.Key words:bridge engineering;Continuous Girder Bridge;double box multi-chamber;force synchronous jack-ing;support replacement