三跨连续梁桥内力调整顶升施工仿真分析与控制研究

王文志，陈思甜，邓莎莎，杨洋（重庆交通大学，重庆 400074）



三跨连续梁桥内力调整顶升施工仿真分析与控制研究

王文志，陈思甜，邓莎莎，杨洋
（重庆交通大学，重庆 400074）

摘要：某三跨连续梁桥由于施工造成连续梁内力分布不合理，通过三维实体有限元仿真分析模拟在中间支座处施加向上变化的强迫位移，可以改变连续梁的内力分布，使之更为合理。根据该原理，对中间支座位置，采用千斤顶顶升梁体，使梁体向上产生对应于合理梁内力的位移值，然后在支座上加垫钢板，即可完成三跨连续梁的内力调整。通过仿真分析，确定加垫钢板厚度及安全状况下最大顶升量，并根据连续梁桥顶升时的受力和变形特点提出加垫钢板顶升施工控制的方法及原则。

关键词：连续梁；仿真分析；顶升施工；位移监控

1　概述

某分离式立体交叉桥为三跨预应力混凝土T型梁，跨径3×20m，每跨5片预应力T型梁，先简支后连续，全桥实景见图1。在预应力T型梁安装施工过程中由于在吊梁就位前忘记安放两边桥台处支座钢垫板，待浇筑完墩顶连续段后再顶升两边桥台处T型梁补垫37mm钢板。

图1　全桥实景图

补垫后致使连续梁跨中截面底部拉应力增大，减少预应力富裕度。基于有限元仿真分析，在中间支座顶升加垫钢板可以减少跨中截面底部拉应力，调整预应力连续梁内力、增加预应力富裕度，经专家开会研究一致认为此方法经济、效果良好。为保证结构安全必须对顶升全过程进行位移、应力监控，以确保施工过程安全。

2　有限元仿真分析［1］

2.1有限元模型建立

采用有限元非线性分析软件MSC.Marc建立单片T梁三维实体有限元仿真分析，模型如图2所示，共2348个实体单元。

图2　三维实体有限元模型

2.2两边桥台顶升38mm应力分析

根据成桥现状（两边桥台处补垫37mm钢板），对三跨单片连续T型梁进行有限元建模。在两边桥台处对连续梁顶升38mm，计算得到顶升38mm后连续梁的应力状况。边支座顶升有限元计算模型如图3所示，提取连续梁关键截面应力，如表1-表4。

图3　边支座顶升计算简图

表1　边跨应力变化（MPa）

表2　中跨应力变化（MPa）

表3　中间支座段底部应力变化（MPa）

表4　中间支座段顶部应力变化（MPa）

两边桥台顶升38mm，提取跨中心、墩中心及危险截面应力情况。两边桥台顶升38mm后，中间支座段底部最大拉应力增量截面2.75m、应力-3.77MPa。两边桥台顶升对中间支座段顶部产生压力 ，压应力远远小于C50的标准值，边跨压应力最小截面为12.1m、应力-3.08MPa，中跨压应力最大应力截面8.1m、应力-2.98MPa，两边桥台顶升38mm，连续梁底部未出现拉应力，未损害结构，此过程结构安全。中间支座段底部拉应力增加、顶部压应力增加这与二期恒载、车辆活荷载的效应一致，对桥有利。边跨最大增量为2.86MPa、中跨增量1.67MPa，中跨最大增量为3.48MPa、跨中增量3.11MPa，两边桥台顶升后产生的拉应力减少梁体压应力储备，对桥产生不利影响，必须对中间支座处梁体抬升减少跨中截面拉应力。

2.3中间支座纵向依次顶升12mm应力分析

根据施工设计建立有限元模型，模拟纵向单点逐墩顶升12mm施工过程，计算得到先左中间支座顶升后应力增量、两中间支座顶升后应力增量和最后应力累计增量。中间支座顶升计算模型如图4，提取连续梁关键截面应力，如表5-表8。

图4　中间支座顶升计算简图

中间支座处依次顶升12mm过程中，在截面10.95m处产生最大拉应力，拉应力为5.86MPa，此截面附加预应力为8.13MPa，因此中间支座依次顶升12mm施工对全梁安全。中间顶升使边跨、中跨产生压应力，边跨最大压应力增量截面15.5m、应力-2.11MPa中跨最大压力增量截面8.1m，应力-0.40MPa，边跨跨中应力增量由原来1.68MPa变到0.48MPa、中跨跨中应力增量由原来3.11MPa变到2.75MPa，在中间支座处顶升12mm加垫10mm钢板能有效地改善梁内力分布。

3　顶升施工过程控制

表5　边跨应力变化（MPa）

表6　中跨应力变化（MPa）

表7　中间支座段底部应力变化（MPa）

表8　中间支座段顶部应力变化（MPa）

表9　顶升位移（mm）

3.1顶升施工方案［2］

目前梁桥有两种顶升方式：（1）整体顶升；（2）局部顶升。整体顶升方式指的是多墩同步顶升施工方式，此方式费用较高、设备投入较多和施工难度较大。局部顶升方式指的是单墩同步顶升施工方式，此方案利用超薄千斤顶顶升主梁加垫钢板，其施工费用低、速度快、施工难度低。根据现场的条件采用纵向单点逐墩、横行同步顶升加垫钢板施工方法。该方法以盖梁为反力基础，把5个型号100t千斤顶交叉置于盖梁上，千斤顶、临时支撑布置如图5、图6所示。

图5　千斤顶布置图

图6　临时支撑布置图

3.2顶升施工步骤［3］

施工场地封闭→材料设备进场→搭建施工平台→支座周围混凝土打磨→布顶→监控装置安装→试顶→设定一次顶程→同步顶升→达到顶程→安装临时支撑→重复下一次设定顶程→顶升到预定高度→固定临时支撑→加垫钢板→拆除临时支撑→卸顶。

3.3顶升施工要点

（1）反力基础。利用盖梁作为反力基础，对盖梁顶部找平，千斤顶交叉布置盖梁两侧，千斤顶与梁间设置钢垫板。（2）千斤顶选用［4］。千斤顶顶起重量是梁体及附属结构物总重量的2倍以上，最低高度要小于盖梁顶部到梁底部距离，极限顶升高度要大于14mm。（3）试顶。正式顶升前试顶0.05mm，保持2分钟观察各支撑、主体结构情况，发现异常及时处理。（4）同步顶升。5个千斤顶各安排一个工作人员，听同一个人指挥，分级顶升，5片梁顶升量差不超过5mm。（5）临时支撑。准备不同厚度钢垫块，每顶完一级先进行临时支垫，临时支垫须抄紧。（6）打磨。加垫钢板前应打磨橡胶支座周围混凝土，防止加垫钢板时带入混凝土渣加大加垫难度。（7）卸顶。5个千斤顶同时同步缓慢卸顶。（8）结构观察。在全程监控中要密切观察盖梁、与千斤顶接触处面、桥面、湿接缝、横隔板及主梁情况，发现异常及时停止顶升。

3.4施工过程位移监控

在梁体顶升过程中，为了保证梁桥结构安全性，对顶升过程进行顶升位移监控，确保5片梁同步顶升、顶升量不超过其允许的最大值及卸顶后梁支座处顶升的高度符合要求。在中间支座底部安装精密位移传感器［5］，采用先进的动静态应变无线多功能测试系统采集数据，对起顶、加垫钢板及卸顶全过程进行监控。最大顶升位移、落梁后位移见表9。位移传感器布置如图7、图8。限于篇幅，只列出右幅1#墩顶升曲线图，见图9。

图7　位移传感器布置图

图8　位移传感器现场安装

图9　右幅1#墩顶升过程曲线图

表10　顶升应力实测值、理论校验（MPa）

此次顶升位移基本在14mm左右，有两处顶升位移到18mm，因此在顶升过程中加强对全桥监控，未出现异常情况，所有次顶升过程平稳安全。卸顶落梁后，梁顶升高度在9.41～10.39mm，与加垫钢板厚度基本一致，达到顶升要求。右幅1#墩顶升监控共采集2873组数据，在停止顶升加垫钢板期间采集2400组数据，在作曲线图时共取了439组数据（未取加垫钢板期间采集的数据）。此顶升过程安全平稳，5片梁基本同步顶升，上下不超过5mm，达到施工要求。

3.5施工过程应力监控

应力监控的目的是通过监控连续梁顶升后应力增量的大小，直接了解结构的实际工作状况。通过与理论值进行对比分析，来判断顶升效果。在中间3片梁、离中间支座30cm的梁底部安装应变传感器，采用先进的动静态应变无线多功能测试系统采集应变数据，由采集的应变数据算出该测点的应力。应变传感器布置如图10、图11。

对顶升全过程进行应力监控，得到顶升不同阶段应力值。提取顶升12mm、卸顶稳定后3片梁的应力增量，实测值与理论值基本一致，此顶升加垫钢板施工效果明显，调整了连续梁内力。

图10　应变传感器布置图

图11　应变传感器现场安装

4　结语

（1）以有限元分析的数据为理论基础，提出中间支座加垫钢板以调整三跨连续梁桥内力的方法。

（2）顶升过程采用了精密位移传感器、动静态应变无线多功能测试系统控制顶升量，使顶升过程安全平稳。

（3）此连续梁桥采用纵向单点逐墩、横行同步顶升加垫钢板施工方法顶升过程平稳安全，造价节省，达到了连续梁桥内力调整的目的可为类似工程提供参考。

参考文献：

［1］刘萌.大跨度连续梁桥局部顶升工艺有限元分析［J］.中国建材科技，2015（4）：103-105.

［2］郭艳芬，张永永，万飞，等.简支变连续桥梁支座更换新方法的实验研究［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2009，28 （1）：16-19.

［3］卢伟荣，刘世忠，张瑞杰.连续梁桥更换支座顶升施工控制［J］.公路，2012（6）：80-86.

［4］何任远，张军雷.大跨度预应力混凝土连续梁顶升施工监控［J］.科技资讯，2010（19）：80-81.

［5］倪大治.计算机控制同步顶升在桥梁支座更换中的应用［J］.山西建筑，2010，36（17）：331-333.

责任编辑：孙苏，李红

中图分类号：U445.6

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）07-0039-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.039

收稿日期：2016-05-13

作者简介：王文志（1990-）男，湖南衡阳人，研士研究生，主要从事桥梁检测加固工作。

Simulation Analysis and Control Study of Jacking Construction for Internal Force Adjustment of Three-span Continuous Brigde

Abstract：A three-span continuous bridge has unreasonable distribution of internal force for defective construction.With three-dimensional entity finite element analysis simulation，imposed displacement upward changing is given at the central support，which can alter the distribution of internal force of the continuous bridge and make it more reasonable.According to the planning，a jack is applied to hoist the beam，making the beam move upward and generate the displacement value reasonable to its internal force，and then a steel plate is placed at the support，thus，the internal force adjustment of a three-span continuous bridge is accomplished.Through simulation analysis，the steel plate thickness and the maximum safe jacking volume can be determined，and the methods and principles of jacking construction control of the steel plate are presented in accordance with the stress and deformation features of the continuous bridge when jacked.

Keywords：continuous beam；simulation analysis；jacking construction；displacement monitoring