湖滨东路跨线桥顶升工程施工监控有限元分析

白应华， 孙振笏， 熊　阳

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)



湖滨东路跨线桥顶升工程施工监控有限元分析

白应华， 孙振笏， 熊阳

(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)

[摘要]采用Midas/Civil软件建立厦门市湖滨东路跨线桥有限元计算模型，对桥梁顶升工程施工过程中梁体的应力状态进行有限元分析。桥梁需要进行全联顶升一定高度后与新建桥梁连接。由于桥梁线形为复杂的平纵组合曲线，所以运用了三维投影定位技术精确建模，同时采用子模型技术获得局部应力分布。分析了三种状态下梁体的应力分布，证明了梁体在三种状态下具有较大的压应力储备。在顶升施工过程中可以保持安全状态。

[关键词]顶升施工； 三维投影定位； 子模型； 有限元分析； 组合曲线

在我国大量运营的桥梁中，由于地质沉降、路线改造等因素使得桥梁的使用功能不能正常满足，造成安全隐患，而桥梁重建施工周期长，费用高，对原本交通影响大[1]，因此旧桥的改造与利用变得日益重要。顶升技术作为旧桥改造的一个重要方法，已经开始得到了广泛的使用[2]。但是已有工程主要针对并非连续弯桥梁，而湖滨东路跨线桥顶升工程作为厦门市仙岳路改造工程的一个部分，在国内是将顶升技术首次应用于连续弯梁桥。所以对桥梁顶升施工梁的应力状态进行有限元分析，从而为工程实践提供合理有效的参考依据和保障。

1工程概况

湖滨东路跨线桥是厦门市仙岳路改造工程的一部分。仙岳路主线采用全高架桥梁形式，经改造将现有的三座跨线桥通过高架连成整体，并往海沧大桥方向适当延长。按设计要求，湖滨东路跨线桥、莲岳路跨线桥和福厦路跨线桥需要进行顶升升高，顺接新建桥梁。顶升桥梁施工在国内尚属首次。

湖滨东路跨线桥起于K0+161.840，止于K0+846.840，全长685 m，孔跨布置为2×(4×35)+(35+42+35)+3×36+(35+45+35)+2×35，共六联，采用等高度连续箱梁。本次顶升范围为第一联4×35连续混凝土预应力箱梁(图1)，此联跨线桥的轴线线形在整个工程中最复杂，为平纵组合曲线。

图 1　湖滨东路第一联顶升连续梁立面图

2有限元计算模型

桥梁施工监控的第一项工作就是对所监控的桥梁进行内力、位移等计算，以保证桥梁施工工艺[3]的科学性。采用有限元法对结构进行分析，把整个结构划分成若干单元，以便取得较好的计算精度。

仙岳路跨线桥梁顶升分析采用有限元程序Midas/Civil进行计算，根据设计竣工图纸并结合实际顶升施工方案，进行了桥梁成桥状态计算和对应顶升的控制工况计算。

2.1材料参数

箱梁采用C50混凝土，按照规范和设计文件取值如下：抗压弹性模量E=3.45×104MPa；剪切弹性模量G=1.42×104MPa；容重γ=26 kN/m3；泊松比vc=0.2；线膨胀系数K=0.00001；轴心抗压强度标准值fck=32.4 MPa；轴心抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa；轴心抗压强度设计值fcd=23.1 MPa；轴心抗拉强度设计值ftd=1.89 MPa。

预应力钢绞线：极限抗拉强度Rby=1860 MPa；张拉控制应力0.75Rby=1395 MPa；预应力钢束与管道的摩阻系数μ=0.3；预应力管道的偏差系数k=0.0015；弹性模量E=1.95×105MPa；端锚具变形及钢束回缩值6 mm。预应力钢束面积：全桥预应力分两端张拉和一端张拉两种，两端张拉预应力钢束面积为1860 mm2，一端张拉预应力钢束面积为1260 mm2。

2.2有限单元选取

模拟桥梁结构的方法常用平面杆系模拟和三维实体模拟。对于一般的预应力混凝土连续梁桥，顶升施工中宏观上结构的力学行为基本能满足均质、弹性的假定，同时从结构在施工及运营过程中受作用的特征来看，结构的平面特性较为突出[4]，因此将梁桥的主梁离散成杆系单元，利用有限元软件进行模拟是可行的。工程实践证明：在线形控制和总体计算中，平面杆系分析可以满足工程要求。但在结构的局部应力分布分析时，为了反应在复杂荷载作用下结构内部的应力分布规律，建立空间的实体模型是必要的。在本文中，为了得到梁体关键部位的应力分布，运用了子模型技术。

根据顶升工程的实际情况及需求，仅对主梁进行建模计算。由于此联连续梁位于路线的平纵线形组合处，如采用常规方法定位单元及预应力索较为困难，本次计算采用了空间投影定位技术对单元及预应力索做了精确定位。主梁采用梁单元模拟，依据设计截面尺寸建模，以1 m为单位划分单元，将4×35 m的连续梁结构离散为140个单元。Midas/Civil计算模型见图2~图4。

图 2　桥梁模型平面图

图 3　桥梁模型立面图

图 4　桥梁模型侧面图

图 5　桥梁预应力钢束图

2.3边界条件

在顶升前及处于顶升到位后落梁状态下，桥梁为四跨连续梁桥。在顶升过程中桥墩两侧的千斤顶将桥梁整体顶起，使其脱落于各墩的支座(在各顶升工况中为各墩顶上的支撑点)，此时桥梁边界条件发生改变，相当于七跨连续梁桥。顶升前后的各状态中，桥梁体系明确，计算模型按照桥梁实际状态下的边界条件进行模拟。

2.4计算荷载

在顶升过程中，桥梁上没有作用可变荷载，只产生边界条件的变化和整体线形的变化，模拟顶升施工过程即在各顶升步骤中对其边界条件及对各墩顶实施强迫位移的模拟。所以，在顶升过程中只有永久荷载及强迫位移荷载。

永久荷载为主梁的重量，主梁按实际截面计算重量，其容重取26 kN/m3。

墩台竖向强迫位移的施加：分别对H0、H1、H2三个相邻墩台施加1 cm的强迫位移；通过支座沉降组合分析，计算桥梁五个墩台(H0-H4)发生1 cm的竖向强迫位移时产生的最不利影响。

2.5顶升步骤

设计方案将顶升过程分为4个阶段进行[5]：前三个阶段将桥梁整体提升239mm，随后保持最高墩H4的高度不变，以其为转动轴圆心，将整座桥梁旋转，抬起最低的桥台H0直至达到设计顶升位置，最后整体降落一定高度实现落梁。

3计算结果分析

3.1成桥空载状态下主梁的内力与应力

成桥空载为顶升前梁体的状态，得到在这个状态下梁体的内力及应力分布对于后续顶升施工过程的操作及控制非常重要，经过有限元计算后可知，在桥上没有可变荷载的状态下，主梁全截面受压，主梁顶板最大压应力为6.92 MPa，主梁底板最大压应力为6.27 MPa，说明梁体内预应力储备基本没有损失，只要对梁体顶升过程严格控制，可以顺利完成梁体顶升工作。成桥空载状态下计算结果云图见图6~图8。

图 6　成桥状态下主梁弯矩图

图 7　成桥状态下主梁顶板外侧应力图

图 8　成桥状态下主梁底板外侧应力图

3.2顶升到设计位置后主梁的内力与应力

桥梁顶升至设计位置后，桥梁线型发生了微小变化，主梁顶板最大压应力为7.37 MPa，主梁底板最大压应力为6.71 MPa。相比顶升前的状态，主梁应力分布产生了一定的变化，但变化程度并不大，梁体内预应力储备没有损失，说明顶升后的状态是能够满足设计承载能力要求的，桥梁顶升到设计位置后主梁的内力与应力云图见图9~图11。

图 9　顶升到设计位置后主梁弯矩图

图10　顶升到设计位置后主梁顶板外侧应力图

图11　顶升到设计位置后主梁底板外侧应力图

3.3考虑支座沉降最不利组合情况主梁的内力与应力

在顶升过程中，可能会出现不同步顶升的情况，在有限元计算中可以等效为支座的不均匀沉降，如果在考虑支座沉降最不利组合情况下尚能满足主梁的变形与应力分布在容许的范围之内，则顶升施工的可靠性是非常高的。

考虑桥梁各墩台(H0-H5)发生1 cm的竖向强迫位移时产生的最不利影响，对主梁最大能产生1.26 MPa的拉应力，产生影响最大的位置集中在支座附近的梁体，与预应力相互叠加后发现主梁上并未出现拉应力，压应力尚有一定的储备，说明顶升施工在最不利情况下仍然能够保证梁体安全。

4结论

桥梁轴线处于路线的平纵线形组合的位置，为了真实地模拟桥梁和钢束的线形及超高加宽，采用了三维投影定位技术，精确地建立了有限元模型。在桥上没有可变荷载的状态下，主梁全截面受压，主梁顶板最大压应力为6.92 MPa，主梁底板最大压应力为6.27 MPa。经过顶升调整了桥梁线型后，主梁应力发生了一定的变化，但仍处于全截面受压。在顶升过程中，考虑相邻的三个墩台各自发生1 cm的强迫位移，以及各墩台发生1 cm强迫位移时的最不利组合，对主梁产生的最大拉应力为1.26 MPa，由于此前主梁有一定的压应力储备，故在此情况下仍处于安全状态。

[参考文献]

[1]马麟.连续梁桥顶升受力分析[J].城市道桥与防洪,2011(06):99-102，316-317.

[2]林耿雄,姜海波.桥梁顶升技术的探讨[J].广东建材,2008(10):65-68.

[3]蒋岩峰,蓝戊已.桥梁整体顶升关键技术研究[J].建筑结构,2007(S1):547-549.

[4]赵煜,李春轩,张充满.在役连续刚构桥顶升技术及应用[J].长安大学学报,2007(04):52-56.

[5]袁放.既有线上跨桥梁同步顶升与平移技术研究[D].南昌：华东交通大学,2011.

[责任编校： 张岩芳]

Finite Element Analysis of Lift-up Construction Monitoring for Hubin East Road Flyover of Xiamen City

BAI Yinghua，SUN Zhenhu，XIONG Yang

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Midas/Civil software was adopted to establish the finite element calculating model for Hubin East Road Flyover of Xiamen City, implementing Finite Element Analysis for the stress state of beam in lift-up construction. The flyover would connect with a new bridge after it was lifted up to a certain height. In light of the location complexity for the flyover with combination curve, the 3D projection location was used to build the model precisely. Furthermore, the sub-model technique was applied to obtain the local stress distribution. In this article, the stress distribution was analyzed under three states, which could prove that the girder reserved some compressive stress and could remain safe during the lift-up construction.

Keywords：lift-up construction；3D projection location；sub-model；finite element analysis；combination curve

[中图分类号]TU746.3

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0101-03

[作者简介]白应华(1975-)， 男， 湖北应城人，湖北工业大学副教授，研究方向为桥梁与结构工程

[收稿日期]2015-04-24