高速铁路简支箱梁千斤顶顶升布置可靠性数值分析

高速铁路建造技术国家工程实验室 湖南长沙 410075；中铁九局集团第三建设有限公司 广州佛山 528000

摘要：本文依托某高铁特大桥工程为研究对象，为不改变原桥梁结构受力状态更换破损支座，采用有限元计算软件（ANSYS）参数化（APDL）建模进行仿真模拟、分析、计算进行比选，从而制定出更安全、更可靠的施工方案，为今后同类型桥梁顶升更换支座提供参考。

关键词：高速铁路;简支箱梁;整体同步;顶升支座;数值分析

桥梁整体同步顶升技术对既有桥梁支座进行改造，对高速铁路的交通及环境影响较小，可产生良好的社会以及经济效益。但是桥梁顶升施工难度、风险较大，因此精准合理的结构数值分析是施工方案和施工工艺的保证。

本文依托某高铁特大桥工程通过数值模拟求解出高铁桥梁支座更换时的千斤顶选择和布置方案以及更换过程中结构内力和支座反力及挠度的变化规律，为高铁桥梁支座更换同步顶升监控提供控制理论数据。同时对类似工程提供指导及参考。

1.有建立限元模型

高铁桥梁结构的主要组成部分包括： 31.5m 预应力箱梁、钢轨、扣件、轨枕、道床板、支承层等，相应的计算模型如下图：

根据某设计确定箱梁界面形式，桥梁及上部轨道结构的材料均采用线弹性本构关系;桥梁、支承层、道床板均采用Solid65实体单元模拟，各单元之间通过共节点连接;预应力筋采用Link8 单元模拟;钢轨采用Beam188单元模拟;扣件采用Combin14和Combin39单元模拟。桥梁固定端上方的底座板与梁体之间的剪力槽通过耦合节点之间的三个方向自由度进行精确模拟，并通过对约束处施加强制位移来模拟实际顶升过程。

2.桥梁千斤顶布置数值分析

2.1千斤顶选择

（1）桥梁-轨道重量计算

某桥梁（简支梁）双块式无砟轨道设备重量为3.489～4.035（t/线/m）、本设计为方便施工将直、曲线合并设计，采用的桥面二期恒载为：整体式声屏障按158kN/m;栏杆、插板式声屏障按136kN/m计算。

（2）千斤顶数量计算

由于墩顶作业空间小，顶升作业是在桥梁运行空窗期，桥上不允许列车通行，故千斤顶主要承受桥梁-轨道结构自重和二期恒载之和。综合考虑各种不利因素的影响，可计入1.2倍以上的增大系数比较适合。

通过计算可知，千斤顶需要顶升的总重量为：1323.8×1.2=1588.56T≈1600T;

千斤顶吨位：1600T÷4=400T（理论选4个千斤顶即可）

综上，因本工程采用了12台千斤顶（200t），可提供2400T的顶升力，安全储备系数达到了1.72，远远满足施工需求。

2.2千斤顶布置

临时支撑及千斤顶布置图如图所示。临时支撑采用钢垫块临时支撑，由槽钢焊接而成。

本工程采用12台200T液压自锁千斤顶，千斤顶的安装采用汽车吊机+手拉葫芦结合方式安放至设计位置。由于墩顶作业空间小，设备数量多、体积大，故千斤顶采用对称布置的原则，首先在墩顶应力分布钢板上将千斤顶及临时支撑的摆放位置放线标记，有利于实际施工布置。具体布置方式采用直线布置或品字形布置，如下图。

2.3千斤顶布置数值计算分析

本次支座更换过程将在同一桥墩上的四个盆式橡胶支座附近采用直线式和品字形布置千斤顶，数值仿真将在每个支座附近分别沿直线和品字形施加约束来模拟千斤顶直线式的布置。在采用千斤顶直线式和品字形布置完成后，此时将由千斤顶承担在桥梁-轨道结构自重作用下的支座反力，通过ANSYS有限元软件分析结构在自重作用下的受力情况，来判断千斤顶布置方式的合理性。

1.直线式布置自重作用下主梁结果分析

本次模拟采用三跨简支梁，可将中间跨简支梁结构作为分析对象，对结构的应力、位移、支反力的计算结果进行分析。

（1）应力分析

由应力云图与梁底顺桥向及横向应力图可知，最大拉应力仅出现在支座位置边缘，个别区域大于C50混凝土轴心极限抗拉强度3.10MPa，出现这一现象的主要原因是在数值模拟过程中支座处约束条件的失真和应力集中造成的，由于實际中配置了纵向横向钢筋，本次模拟进行了未配置钢筋，所以不会对实际造成危险。对于跨中位置，梁底最大拉应力约为0.2MPa，小于3.10MPa，最大压应力约为3.3MPa，小于轴心极限抗压强度33.5MPa。最大第一主拉应力约为0.5MPa，也小于3.10MPa。梁顶主要承受压应力，均小于33.5MPa，第一主拉应力约为0.75MPa，同样小于3.10MPa。

（2）位移分析

根据位移云图可知，在支座位置由于约束作用，基本不发生位移，自重作用下最大挠度出现在跨中位置，在直线布置千斤顶时竖向最大位移达到了约3.5mm。

（3）支反力分析

在自重作用下，各排支座数据如上表所示，由于本次采用等截面箱梁，本次模型的总重量包括整体梁重和二期恒载（轨道结构），经计算在1300T左右。

总重量=（6711+6852）÷10=1356.3T;通过支反力推算出质量大约在1356.3T左右，基本符合。

2.品字形布置自重作用下主梁结果分析

对部分区域节点施加约束，模拟品字形千斤顶布置。

（1）应力分析

由应力云图与梁底顺桥向及横向应力图可知，最大拉应力仅出现在支座位置边缘，个别区域大于C50混凝土轴心极限抗拉强度3.10MPa，出现这一现象的主要原因是在数值模拟过程中支座处约束条件的失真和应力集中造成的，由于实际中配置了纵向横向钢筋，本次模拟进行了未配置钢筋，所以不会对实际造成危险。对于跨中位置，梁底均处于受压状态，由于预应力的存在，最小压应力约为0.3MPa，最大压应力约为2.75MPa，小于轴心极限抗压强度33.5MPa。最大第一主拉应力约为0.5MPa，也小于3.10MPa。梁顶主要承受压应力，均小于33.5MPa，第一主拉应力约为0. 5MPa，同样小于3.10MPa。

（2）位移分析

根据位移云图可知，在支座位置由于约束作用，基本不发生位移，自重作用下最大挠度出现在跨中位置，在直线布置千斤顶时竖向最大位移达到了约1.4mm。

（3）支反力分析

在自重作用下，与直线式布置一致。

3结语

通过对两种千斤顶布置方式在自重情况下的模拟计算，结构主要承受压应力，其中直线式布置，拉应力主要出现在支点位置及跨中底面，不考虑约束条件的失真和应力集中导致的支座处应力奇异，梁底顺桥向最大拉应力为0.2MPa，最大压应力约为3.3MPa，最大第一主拉应力约为0.75MPa，最大竖向位移3.5mm;

品字形布置，拉应力主要出现在支点位置及跨中底面，同样不考虑约束条件的失真和应力集中导致的支座处应力奇异，最大压应力约2.75MPa，最大竖向位移约1.5mm。

综上分析，最终采用千斤顶品字形布置方案进行施工，顺利完成桥梁顶升更换支座施工，工后各项监测指标均满足相关规范要求。

参考文献：

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[2]宋福，石秋君，班新林，佟嘉明.高速铁路简支箱梁盆式橡胶支座更换方法研究[J].铁道建筑，2014（07）：34-37.

[3]吴细水，姚冬，王邦胜.《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》的主要内容及特点[J].中国铁路，2013（03）：48-50.DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2013.03.013.

作者简介：

王东利（1970-），男，河北围场县人，本科，高级工程师，研究方向为桥梁工程。

基金项目：

中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目（重大专项课题，编号：2020-专项-02）