城市桥梁大行程同步顶升支撑系统空间仿真非线性分析

袁 鑫， 郑 伟， 杨 浩， 吴毅彬

(1.东南大学 土木工程学院，南京 210096 ；2.上海颖川加固工程技术有限公司,上海 200000)

桥梁顶升是通过一定的设备将桥梁从原位置升高到新位置的高难度技术，包括整体顶升、分段顶升、调坡等，通过外力作用于原有桥梁结构，并且外力的施加必须保证原有结构的安全与可靠，然后迫使桥跨结构升高到预定高度和位置，通过加高墩台或支座垫石达到升高桥梁、增大桥下净空的目的[1-2]。

目前，国内外在建筑结构物移位和顶升方面已经取得了一些成功的实践。国内既有的桥梁改造方面，如上海吴淞大桥[3]采用整体同步顶升方案，原桥顶升平均高度0.85 m；天津狮子林桥为3跨连续梁结构，最终整体顶升1.271 m；厦门仙岳路钢箱梁整体顶升高度为5.8 m[4-5],云南安宁白塔桥整体同步降落3.06 m[6]。

本文中阐述的大行程顶升技术是与更换支座时小行程技术存在本质的区别，后者顶升高度普遍在0.2 m以下[7-10]，顶升高度原则上只要满足支座更换技术即可。大行程顶升技术要求顶升施工对结构进行不断的循环接高，施工风险、施工流程和安全控制较小行程更为复杂[11-12]，对顶升底盘结构体系的选择也有更高的要求，因此本文针对大行程桥梁顶升支撑系统进行了空间仿真非线性分析。

桥梁顶升所采用的顶升底盘结构体系(Iifting Chassis Structure System)[13-14]可随现场和既有条件选用，在保证安全、可靠的前提下，根据经济、便于施工的原则来选用。随着桥梁的升高，桥墩加长部分自重对下部结构的影响随之加大，此时应对下部结构受力状态进行复核。目前常用的顶升支撑体系有盖梁、钢支撑和承台(抱柱梁)组合、钢抱箍、钢牛腿几种，首先选用的是盖梁结构，最后是钢牛腿结构。在盖梁施工区域不够时，钢支撑和承台组合结构是最可靠的支撑体系。钢支撑和承台组合结构在地基承载力很低必要还要设置人工挖孔桩，三者共同构成顶升底盘结构体系，顶升施工过程中，用于承受桥梁顶升时的荷载，并将该荷载传递到基础。传统的顶升支撑系统计算方法基于杆系结构计算精度不高，且不能反映承台和钢支撑的空间力学状态。本文采用通用有限元仿真软件ABAQUS模拟计算，并和传统的m法计算结果进行对比分析，能有效的模拟支撑体系的空间应力分布，计算精度能满足设计施工要求，其研究结果可供同类工程项目参考借鉴。

1 工程背景

成都某高架桥由于改建需要，将把桥梁引桥部分采用顶升工艺将桥墩升高，将主梁提升至高架桥新设计标高，并与新建高架连接。根据设计要求与桥梁实际情况，该项工程存在以下特点：① 顶升重量大，单幅顶升重量可达3 000 t，所需顶升设备、施工人员较多；② 顶升面积大，在单幅面积近3 000 m2范围内实现同步顶升，要求桥面不裂、不倾斜，这对大面积多点同步控制设备的精度要求较高；③ 顶升高度很大，最大顶升高度达7.42 m，临时垫块和顶升循环次数多，这对反力支撑体系强度、刚度及稳定性的设计要求高，顶升点的选择及布置难度较大，而作为顶升限位支撑体系的技术设计的可靠性，对顶升的安全顺利进行起到至关重要的作用。顶升桥型布置图见图1，顶升桥梁现场见图2，顶升高度参数见表1。

图1 顶升纵断面图

图2 现场大桥照片

表1 顶升高度参数表

2 顶升支撑体系分析

2.1 顶升反力分析

顶升前一般根据桥梁结构布置形式，求出各墩台的支座反力，用于支撑体系的设计。本工程采用采用MIDAS/civil有限元软件计算分析，采用弹性连接模拟支座的实际空间位置。

护栏截面积为0.253 m2，加载大小为6.578 kN/m，桥面铺装厚度按照13 cm计算，加载为39.715 kN/m。桥梁结构为弯桥结构形式，连续弯梁桥考虑偏心扭矩修正影响见表2。

2.2 支撑体系的计算工况

针对曲线箱梁和第6联直线段连续梁的空间受力特点，采用钢管支撑体系作为顶升支撑平台。由于各墩顶升力较大，且支撑体系的高度较高，22#桥台处支撑高度达到(506.610-504.32)+7.42=9.71 m以上，因此对钢架撑在正常顶升、随动千斤顶支撑作业二种工况下体系的安全性进行施工验算，验算必须考虑桥梁结构自重，顶升水平分力，施工临时荷载、施工期间风力等因素的影响。支撑体系的强度、刚度、稳定性均须满足要求。

跟据第一部分各墩顶升力值，考虑2倍以上的安全系数，将设计顶升力进行分类整理。

表2 扭矩计算修正表

顶升过程中钢管的受力顺序为：先由内侧4根放置千斤顶的钢管支撑顶升梁体，在达到设计高度后，有外侧4根放置随动千斤顶的钢管支撑梁体，因此内、外侧钢管支撑并非同时受力。验算工况分布考虑内、外侧钢管分别受力情况。为保证顶升及支撑阶段钢管受力的安全性，验算时考虑两侧钢管对称受力与不对称受力工况。不对称受力按两侧比例分配荷载。由下滑力产生的最大水平分力按竖向力的tanθ×Nf考虑(θ可取设计角度)，Nf为支座反力。横向水平力按照单点竖向水平力的5%设计。钢管支撑承受风载为按0.45 kN/m2考虑。支撑体系布置见图3和图4。

图3 支撑横截面布置图

图4 支撑平面布置图

对于0#桥台，采用D609×16钢管结构，计算高度为L=10 m,参数如下：λx=10 000/210=47.6<[λ]，查表b类构件，稳定系数取φx=0.865。

N=φ×A×f=215×0.865×29 807=5 543 kN，安全系数为：5 543/1534=3.61，稳定性计算满足要求。

3 非线性有限元分析

3.1 “m”法承台计算分析

图5 m法计算整体模型图

m法计算时可将土看作为弹性变形介质，其地基系数在地面(或冲刷线)处为零，并随深度成正比例增长。相应于深度y处的基础侧面土的地基系数cy=my；相应于深度h处基础地面土的地基系数c0=m0h，但c0不得小于10 m0。其中m与m0为地基比例系数，其取值可参照下表3采用，当有可靠试验资料时，可采用试验值。“m”法计算承台和桩基分析得到的最大拉应力为2.29 MPa,最大压应力为-4.99 MPa，如图6所示。

表3 地基比例系数m和m0值

3.2 ABAQUS空间仿真非线性分析

图6 承台和桩m法计算结果

图7 ABAQUS空间离散模型

为充分考虑钢支撑、承台、人工挖孔桩组合支撑体系的空间受力特点，满足顶升施工的承载力要求，保证顶升施工的安全，采用大型通用有限元软件ABAQUS对三者共同组成的支撑体系进行仿真非线性分析，计算时混凝土和钢管均采用采用C3D8R八节点六面体线性减缩积分的三维实体单元，网格划分以0.2 m为基本尺寸单元，考虑对称建立1/2模型，详细空间模型图7,计算对比结果见图8～图10。

新老承台之间采用Interaction中tie建立绑定约束。原承台跨中对称面的位置采用对称约束，桩基底部采用z方向竖向约束。采用接触有限元的罚函数法来模拟桩土体之间的接触问题。对桩身采用弹性模型，而对地基土考虑土体的弹塑性，采用Mohr-Coulomb屈服准则模拟地基中的弹塑性变形以及桩土接触性状，通过反复细化有限元网格和调整桩土接触面参数，最终摩擦系数取0.2。

图8 钢管支撑应力云图

图9 承台应力云图

图10 桩基应力云图

3.3 非线性结果分析

(1)钢管支撑实体空间计算压应力和杆系结构计算基本吻合，分别为160.9 MPa和167 MPa,支撑的空间应力分布计算和杆系结构的计算结果相近。

(2)取1/2模型承台的受力近似一个双向板结构，水平力对承台弯曲效应较加固前减弱，钢支撑内排和外排受力时，对承台的作用基本相近，并无明显差异；

(3)承台主拉应力:

空间计算1.958 MPa>[σ]，m法计算为2.28 MPa,m法的计算拉应力结果偏大，两者压应力计算结果基本吻合。

(4)m法计算较空间计算拉应力主要集中在跨中顶部，分布在云图中范围不大，主要原因：第一，承台顶部拉应力局部过大，这个拉应力基本由水平荷载产生，水平荷载在计算时取值了1.5倍安全系数，该荷载死偏安全假定的，且为偶然组合工况，若考虑荷载分项系数，混凝土的实际主拉应力将减小；第二，建模时未考虑主拉应力最大处的受力钢筋的影响。m法计算结果偏大，且不能反映承台的实际空间应力状态,主要原因分析：m法未考虑主拉应力最大处的受力钢筋的影响，同时未考虑承台的双向受弯应力状态。

(5)桩基顶部不平衡拉应力较小0.45 MPa <[σ]=1.43 MPa ，主压应力大于m法计算结果，主要是未考虑桩土共同作用。m法和空间有限元法均能满足压应力要求。桩的压应力储备具有较大的富裕系数。

4 结 论

本文通过整体考虑钢支撑、承台和人工挖孔桩三者组成的顶升支撑体系的受力特性，采用通用有限元软件ABAQUS有效模拟支撑体系的空间应力分布，改进了只采用弹性地基梁假设计算方法在土弹簧计算时采用近假定和单一采用杆系结构或板单元模拟承台而不能准确反映承台和基础的空间力学特性的不足，考虑了结构的非线性特点，计算收敛良好；并与m法计算结果进行对比分析，验证了钢支撑、承台和人工挖孔桩顶升底盘结构体系空间计算的精确性，其研究结果可供大行程同步顶升支撑系统工程项目提供有益参考。

参 考 文 献

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