城市轨道交通桥梁支座更换同步顶升受力检算分析

任新建，任登富，张志新，简中飞

(贵阳市公共交通投资运营集团有限公司，贵州 贵阳 510000)

0 引言

山区城市轨道交通为克服高差，较多的采用高架桥梁形式，基于修建或使用过程中，桥梁结构病害不可避免，其中支座受损更换尤为常见。对于城市轨道交通桥梁支座更换修复,除了要安全可靠、有效之外,还要满足交通运输的需要,在不中断或尽量缩短中断交通的时间中完成，因此城市轨道交通支座更换基本利用夜间有限停运时间完成。同步顶升是目前使用最多的支座更换技术,主要原理是通过同步控制千斤顶对桥梁上部结构实现安全顶升。

对同步顶升施工工艺与施工技术研讨的文献较多[1-3],李锋丹[4]对同步顶升更换支座的过程进行了模拟及效果分析，陈叶[5]对混凝土桥更换支座施工中结构受力状态进行了分析，但对城市轨道交通桥梁同步顶升过程中结构受力分析检算的研究较少，因为要动桥梁上部结构,存在轨道恢复时间、线位问题，同步顶升受力检算分析就显得尤为重要。本文结合工程实例，参考现行的《地铁设计规范》[6]、TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[7]、TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[8]、《铁路工程抗震设计规范》(2009版)[9]，对城市轨道交通桥梁同步顶升过程中结构受力检算进行分析，在保证结构安全的前提下实施支座更换修复。

1 依托工程概况

贵阳市轨道交通1号线场坝村双线大桥30 m单线简支梁位于贵阳市经济开发区清水江路站—小孟工业园站区间，本桥由并行的双线桥渐变为左右两幅单线桥梁，其中0号台～5号墩之间为双线桥，5号墩～9号台之间为左右两幅单线桥梁，本桥右线全长292.06 m，左线全长293.684 m。全桥孔跨样式为(30+40+30)m双线连续梁+2×30 m双线简支梁+4×30 m单线简支梁。主要缺陷为10个盆式支座摆放方向与原设计方向不符，支座垫石完好，需重新定制异形支座替换错误支座。在保证桥梁受力安全，又能够有足够的空间取出旧支座、达到更换支座的目的，通过对顶升过程进行仿真模拟分析，根据顶升位移与梁体混凝土最大拉应力增量之间的关系，综合比选后采用顶升8 mm作为合理的顶升位移。因此本文对梁体顶升8 mm时的线上结构轨道梁、声屏障进行受力检算分析，对1×30 m箱梁在顶梁工况下结构受力、运营状态临时支撑结构受力、运营状态下桥墩混凝土局部压应力进行受力检算分析。

2 主要荷载

2.1 主力

1)恒载：梁体自重γ取26.0 kN/m3；单线梁二期恒载(包括线路设备、隔声屏障、管线及其支承设备、桥面防水及铺装层等设施荷载)按72.2 kN/m计算。

2)活载：设计竖向活载，采用B型车，车辆满载荷载按轴重140 kN；列车竖向动力作用、列车离心力等，按《地铁设计规范》计算；人群荷载正线疏散平台上的人群均布荷载5 kPa，主梁设计时人群荷载不与列车活载组合。

2.2 附加力

附加力主要有：列车制动力或牵引力(按竖向静活载的15%计算，当其与离心力同时计算时按10%计算)；列车横向摇摆力(作用于轨顶面，按相邻两节车四个轴重的15%计算)；风力(贵阳地区基本风压W0=500 Pa，梁上风力按有声屏障计算);温度变化的作用力。

2.3 特殊荷载

特殊荷载主要考虑了无缝线路长钢轨断轨力(仅计一根长钢轨断轨力)、列车撞击力(撞击力顺行车方向采用1 000 kN，横行车方向采用500 kN，作用于桥面以上1.20 m的高度处)、地震力(地震基本烈度6度，地震动峰值加速度为0.05g)、列车脱轨荷载。

2.4 荷载组合

1)主力：自重+二期恒载+预应力+混凝土收缩徐变+活载+基础沉降。

2)主力+附加力：主力+温度变化+风力+制动力。

3)特殊荷载：恒载+列车脱轨荷载。

4)荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合，按最不利组合进行设计，并对特殊荷载进行检算。

3 梁体顶升8 mm时线上结构分析

根据原设计图纸及现场踏勘，线上主要设施有：线路设备、隔声屏障、管线及其支承设备、桥面防水及铺装层等。其中桥梁顶升时对受力有影响的部位为线路设备。

3.1 轨道梁计算

桥梁顶起之前，需对轨道梁固定螺栓拧松，拧松范围为伸缩缝两侧25个固定位置。

伸缩缝处梁端顶起8 mm时，轨道计算结果见图1～图4。

顶升8 mm时，轨道梁最大弯曲应力为-14.6 MPa，远小于轨道弯曲应力容许值472 MPa，轨道安全。

梁体顶升8 mm时，轨道最大剪切应力为0.67 MPa，发生在未拧松螺栓处，其值远小于轨道剪切应力472 MPa，轨道安全。

梁体顶升8 mm时，轨道最大变形为8 mm，由伸缩缝向两侧按抛物线过渡。

梁顶起时，最大上拔力为1.0 kN，发生在未拧松的第一处螺栓处，其值远小于螺栓抗拔力，轨道螺栓安全。

3.2 声屏障计算

根据设计图纸，声音屏障立杆为BH200×240×8×12 H型钢，顶部小弧段及直段为BH200×200×8×12 H型钢，横向联接杆为HC150×60×20×3槽钢，在伸缩缝处立杆采用10号槽钢设剪刀撑加强，立杆采用预埋钢板与桥梁采用螺栓连接，杆件与杆件之间采用螺栓连接，介于铰接与刚性连接之间，边界条件采用半刚性连接，边界条件模拟见图5。

桥梁顶升作业时，耗时较短，故仅考虑基础强制位移、结构自重及屏障上相关板件，相关板件按每平方米50 kg计算。在主力组合下，分别对结构的附加应力、构件压弯应力、构件剪应力、构件变形进行计算，计算结果见图6～图9。

1)仅考虑强制位移单独作用时，并将松开螺栓时，声屏障计算结果，结构未产生附加应力。

2)仅考虑强制位移单独作用时，螺栓未松开，声屏障结构将产生附加应力，最大值压弯组合应力为68.39 MPa<140 MPa。

3)在主力组合下，构件最大压弯组合应力为63.33 MPa<140 MPa。

4)在主力组合下，构件最大剪应力为12.71 MPa<80 MPa。

5)强制位移处变形为8 mm，结构最大变形发生在结构立杆中部，为8.77 mm。

根据计算结果，梁体顶升时结构受力及变形均满足使用要求。

4 1×30 m简支箱梁计算

4.1 顶梁工况下混凝土局部受压计算

梁体顶升时段选择在凌晨12点至凌晨4点，故此时作用荷载仅为结构自重及二期恒载。

原设计图纸对恒载规定如下：

1)梁体自重：γ取26.0 kN/m3。

2)二期恒载：包括线路设备、隔声屏障、管线及其支承设备、桥面防水及铺装层等设施荷载。单线梁二期恒载按72.2 kN/m计算。

根据原施工图设计文件可知，因是简支结构，梁体顶升8 mm对两端支反力影响可忽略，可按相等考虑，单端支反力为2 624.6 kN。千斤顶布置时，使其与原设计支座形心线对齐，减小恒载在偏心作用下对桥墩的附加荷载，如图10所示。

单侧共设6个千斤顶工作，同步顶升时，单个千斤顶受力为：2 624.6/6=437.44 kN。

根据TB 10092—2017铁路桥涵混凝土结构设计规范第3.1.4条，C35混凝土局部承压容许应力为9.4×β,C50混凝土局部承压容许应力为13.4×β。

根据TB 10092—2017铁路桥涵混凝土结构设计规范[10]第3.1.5条，混凝土局部承压应力提高系数β应按下式计算：

其中，d/2为圆形局部承压面积Ac的圆心至构件边缘最小距离，此处取150 mm，千斤顶与千斤顶圆心之间最小距离为400 mm，则A=300×300=90 000 mm2。

则C35混凝土局部承压应力为：9.4×1.64=15.42 MPa。

C50混凝土局部承压应力为：13.4×1.64=21.98 MPa。

实际工作时，千斤底座较宽，千斤顶顶部采用垫钢板工作，故实际受力小于计算值，顶升时结构安全。

4.2 顶梁工况下横梁框架结构计算

在顶梁工况下停运状态横梁框架建模进行计算，根据前述计算，恒载作用下单端支反力为2 624.6 kN，将其均布作用于横梁上，则线荷载为2 624.6/6=437.4 kN/m，受力示意如图12所示，计算模型如图13所示。

计算得到与千斤顶作用处横梁最大弯矩M=143.4 kN·m,计算结果如图14，图15所示。

将模拟计算得出的千斤顶作用处横梁最大弯矩M=143.4 kN·m，按TB 10092—2017铁路桥涵混凝土结构设计规范对横梁框架底板混凝土压应力、裂缝及钢筋拉应力进行验算，计算结果均满足规范要求。

4.3 1×30 m梁体临时支撑结构计算

梁体顶升8 mm，拆除支座并安装临时支撑后落梁至原设计标高，拧紧线上松解体系后轨道运营，临时支撑结构如图16所示。临时支撑布置时，使其与原设计支座形心线对齐，减小恒载在偏心作用下对桥墩的附加荷载，如图17所示。

根据设计图纸，主力组合=自重+二期恒载+预应力+混凝土收缩徐变+活载+基础沉降，(1)设计竖向活载：采用B型车，车辆满载荷载按轴重140 kN，车辆轴距如图18所示。

根据GB 50157—2013地铁设计规范10.3.4条：

列车竖向活载应包括列车竖向静活载及列车动力作用，应为列车竖向静活载乘以动力系数(1+μ)。μ应按现行行业标准TB 10002.1铁路桥涵设计基本规范规定的值乘以0.8。

根据TB 10002—2017铁路桥涵设计规范第4.3.7条：

冲击系数1+μ=1+0.8×α×6/(30+L)，其中，L为桥梁跨度,m；α=0.32×(3-h)2；h为桥顶填土厚度小于0.5 m时，取0.5，冲击系数计算如下：

a=0.32×(3-0.5)2=0.32×2.52=2。

在主力荷载组合下，梁体支反力计算如图19所示。

根据计算结果，最大反力为3 223.8 kN。

将其作用于临时支撑上，临时支撑最大压应力为-78.78 MPa<[σ]=135 MPa，满足TB 10091—2017铁路桥梁钢结构设计规范要求。

4.4 运营状态下桥墩混凝土局部压应力验算

单侧共设4个临时支撑工作，单个临时支撑受力为：3 223.8/4=805.95 kN。

根据TB 10092—2017铁路桥涵混凝土结构设计规范第3.1.5条，混凝土局部承压应力提高系数β应按下式计算：

其中，Ac为局部承压面积，Ac=300×300=90 000 mm2；A为计算底面积，千斤顶按第3.1.5条(如图20所示)计算。

其中，c为局部承压面积Ac边缘最小距离，此处取50 mm，则A=(300+50×2)×(300+50×2)=160 000 mm2。

则C35混凝土局部承压应力为9.4×1.33=12.53 MPa,C50混凝土局部承压应力为13.4×1.33=17.86 MPa。

如前计算，单个临时支撑压力为3 223.8/4=805.95 kN，局部承压面积为90 000 mm2。

该应力小于规范对梁体混凝土局部承压应力容许值，亦小于桥墩混凝土局部承压应力容许值，故临时支撑时，混凝土局部抗压满足规范要求。

4.5 上部结构抗倾覆验算

1)根据TB 10002—2017铁路桥涵设计规范，自重工况及运营工况抗倾覆计算示意如图21，图22所示，风荷载W=K1K2K3W0，根据规范与设计图纸，其中K1取1.3，K2取1.0，K3取1.0，W0取500 Pa，作用于声屏障上。

击球的力量是指用拍击球时给球的作用力大小，击球力量的大小主要体现物体运行的速度上。一个就是羽毛球面向球拍的飞行速度，另一个就是击球者通过身体协调配合做出合理的蹬转引拍挥拍鞭打动作。而鞭打动作的前期就是前臂的后回环引拍动作。这里由于是以肩为轴所以要获得高速要求肩关节要充分放松减少自身阻力。后期就是前臂向斜上鞭打到手腕闪动动作。这里是速度最快的部分需要手腕有好的爆发力才能快速闪动赋予球较快的反弹速度。练习方法：相似动作摸似练习法，如羽毛球掷高、掷远、掷准，学生根据学习到的挥拍技术做出转身鞭甩动作有目的性地将羽毛球掷出，以此体验不同的动作轨迹产生不同的效果。

2)自重工况下：

30 m跨内横向风力为：H风=1.3×1×1×500×8×30=156 000 Pa=156 kN。

M倾风=156×5.8=904.8 kN·m。

综上，M倾总=904.8 kN·m。

根据前述计算，恒载作用下支反力为2 624.6×2=5 249.2 kN。

M抗=5 249.2×0.345=1 811.0 kN·m。

M抗/M倾=3 133.8/904.8=2.0>1.3，则抗倾覆满足规范要求。

3)运营工况下：

仅考虑四个临时支撑受力，声屏障按8 m高度计算，轨顶距梁顶按50 cm计算。

根据设计图纸，单侧轨道距临时支撑0.6 m，上部结构中心距临时支撑0.6 m。

30 m桥跨总竖向静活载为140×8=1 120 kN(按原设计图纸轴重轴距图计算)，则：M抗1=1 120×0.6=672 kN·m。

根据设计图纸，列车横向摇摆力作用于轨顶面，按相邻两节车四个轴重的15%计算。

H摇摆=140×4×0.15=84 kN。

M倾摇=84×(1.8+0.5)=193.2 kN·m。

则30 m跨内横向风力为：

H风=1.3×1×1×500×8×30=156 000 Pa=156 kN。

M倾风=156×5.8=904.8 kN·m。

综上，M倾总=M倾摇+M倾风=193.2+904.8=1 098 kN·m。

根据前述计算，恒载作用下支反力为2 624.6×2=5 249.2 kN。

M抗2=5 249.2×0.6=3 149.5 kN·m，M抗总=M抗1+M抗2=672+3 149.5=3 821.5 kN·m。

有车时：M抗总/M倾总=3 821.5/1 098=3.48>1.3，则抗倾覆满足要求。

无车时：M抗2/M倾风=3 149.5/904.8=3.48>1.3，则抗倾覆满足要求。

5 结论

针对城市轨道交通在不中断交通的条件下采用同步顶升更换或修复支座，顶升8 mm施工更换或修复支座是安全可靠的。现场实施安排在夜间列车停运时进行，在顶升施工全过程，顶梁前轨道及接触轨扣件放松、顶梁、落梁、 轨道扣件固定、轨道车压道实施过程中未发生轨道梁、声屏障破坏、混凝土开裂等现象。

1)轨道交通的梁体顶升前需对线上结构刚性体系松解，经检算，在松解部分轨道螺栓(拧松范围为伸缩缝两侧25个固定位置)的前提下，轨道受力满足规范要求。

2)声屏障在梁体顶升过程中的影响：若松开声屏障螺栓，梁体顶升时对结构受力没有影响；若未松开螺栓，结构受力在弹性范围内，应力远小于规范限值。

3)梁体顶升工况下，桥墩、上部结构梁体局部应力均满足规范要求。

4)为确保不中断交通，需在临时支撑体系下行车运营，通过受力检算分析，在运营状况下，上部结构梁体局部应力及抗倾覆均满足规范要求。