桥梁大高度顶升施工有限元模拟与理论分析

王传伟

(菏泽市建筑工程施工图审查中心,山东 菏泽 274000)

交通拥堵是各个国家常见的问题,特别是在城市地区,随着经济的快速发展,道路上的车辆数量明显增加。因此,为了解决交通拥堵问题,城市中建立了高架桥。部分高架桥建立时间已久,若进行拆除重建,就会造成经济损失和产生大量的二氧化碳排放。因此,需要对原有桥梁进行顶升[1-3],与新建桥梁进行对接实现车辆的通行,减轻交通拥堵。

目前,对于桥梁顶升的研究中,韩振勇[4]对天津市狮子林桥采用液压同步顶升的方法进行了设计与分析,通过对顶升过程中的同步监测,得到了可以将同步顶升方案应用到旧桥的提升中。王守强等[5]对2联大坡度桥梁进行了顶升计算与位移监测,得到了垂直最大位移误差不能超过0.88%,可以保证桥梁顶升过程中的安全,提出了一些保证措施。李明亮[6]对桥梁顶升过程中所需的垫块进行了研究,垫块的稳定性对桥梁顶升的安全具有直接的影响,提出了随动支撑垫块,并以实际工程进行了验证,明显提高桥梁顶升的安全系数。研究人员对桥梁顶升的误差和控制重点进行了分析,确定了桥梁顶升过程中需要对水平和竖向位移进行监测,获得最大位移误差允许值为2 mm[7-8]。马麟[9]采用Midas/Civil软件对不同顶升工况进行分析,得到了在顶升过程中,应减小对桥体的扰动,尽量控制顶升误差在同一个位置上,可以提升桥梁顶升的安全。陈梁等[10]对采用ANSYS软件对顶升过程进行有限元分析,为桥梁顶升施工监控过程中的参数控制提供了理论依据。

本文对青岛市辽阳路大坡度和超高度桥梁的顶升进行了研究,采用ANSYS软件对钢支撑进行了有限元分析,针对同步顶升工况下钢支撑和桥梁的受力和变形,建立桥梁顶升有限元模型,提出了桥梁顶升施工的安全保证措施,为实际桥梁超高度顶升提供了借鉴依据。

1 工程概况

顶升段桥梁为4室预应力钢筋混凝土箱梁桥,如图1(a)所示,桥宽24.5 m,顶升长度为100(27+41+32) m,重量约为5 868.6 t,整体顶升高度为121.8 cm～579.8 cm,需要将顶升前的坡度0.64%变为顶升后的2.76%,如图1(b)所示。顶升段桥梁一共有4个桥墩,分别为173—176,其中173号顶升高度为121.8 cm,174号为245.3 cm,175号为433.3 cm,176号为579.8 cm。

2 桥梁顶升施工方案

2.1 顶升技术原理

采用PLC同步顶升设备进行本项目施工,PLC液压同步控制系统就是利用计算机技术,通过计算机工控软件来控制液压泵站及其配置的液压元件,通过计算机指令来控制液压千斤顶,然后通过位移及力传感器把液压千斤压力变化及顶升的距离反馈至计算机屏幕上,便于操作人员了解有关情况和及时调整。采用“整体同步顶升、分步到位”的顶升顺序,首先以173号桥墩为中心进行等角度整体同步顶升,使174号桥墩先到达顶升高度,然后再以174号桥墩为中心顶升,使175号桥墩到达顶升高度,最终完成顶升。对原有支座进行凿除,重新浇筑混凝土进行施工养护,达到设计强度之后,可进行降落千斤顶并拆除。

2.2 液压千斤顶布置方案

为了保证顶升过程中的安全,在每个顶升液压千斤顶旁安装一个跟随千斤顶,如图2所示,千斤顶均倒装在钢支撑上,千斤顶选用带机械锁式液压千斤顶,量程为300 t,顶部球头转角最大为5°,可以消除接触面的偏角,确保千斤顶始终垂直支撑桥梁。千斤顶直接作用在分配梁上,可以避免顶升过程中集中力导致桥梁局部混凝土压碎破坏的发生。顶升过程中一共使用36台顶升液压千斤顶和36台跟随千斤顶,桥梁总重约为5 868.6 t,液压千斤顶可提供最大顶升力为10 800 t,接近顶升重量的2倍,安全系数满足要求。

下部支撑体系由支撑钢筒、交叉支撑以及水平连接杆等组成。每个墩柱顶升支撑的主体采用精加工φ609×16 mm圆钢管作为支撑杆。水平连接杆采用方钢管,交叉支撑采用C16a槽钢,现场布置图如图3所示。

3 有限元模拟分析

3.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS软件进行有限元建模分析,钢支撑选用Beam188单元、桥梁和分配梁选用Solid185单元进行有限元模拟,详细模型如图4所示。

3.2 桥梁受力分析

从图5桥梁在顶升过程中的应力图可以看出,在顶升过程中桥梁最大应力发生在靠近175号桥墩两侧区域,桥面最大拉应力为0.68 MPa,桥底面最大拉应力为0.18 MPa,在顶升过程中桥梁整体受力均匀,但并未发生局部混凝土压碎现象。

根据GB 50010—2015混凝土结构设计规范中的钢筋混凝土板抗冲切承载力应符合式(1)规定:

F1≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0

(1)

取单位厚度进行验算,保护层厚度取50 mm。

h0=1 000-50=950 mm

(2)

(3)

考虑到桥梁使用时间久远,混凝土强度根据实际中回弹仪测出的强度,取平均值进行验算,混凝土强度平均值为55 MPa。ft=1.96 N/mm2,σpc,m取最小值1.0 N/mm2。

μm=(600+950+800+950)×2=6 600 mm

(4)

(5)

(6)

根据规范中要求,η取η1和η2中最小的值,故取1.0。

F1≤(0.7βhft+0.25σpc,m)ημmh0=(0.7×0.983×1.96+0.25×1)×1.0×6 600×950=1 002.4 t

(7)

由于桥梁板底部两侧钢垫块受力比较大,故取同步顶升时边缘钢垫块进行抗冲切验算,边缘钢垫块受力最大为269.5 t<1 002.4 t,综上,桥梁底板在同步顶升过程中满足抗冲切要求。

3.3 分配梁受力分析

通过提取分配梁底部支座反力,如图6所示,得到千斤顶受到的力最大为269.5 t,两侧千斤顶受到的力数值均大于中间千斤顶,且近似为对称分布,千斤顶在桥梁顶升过程中可提供最大300 t的竖向力,未超出使用范围。从图7分配梁应力云图可以得到,分配梁受拉区位置靠两端处,最大拉应力为139 MPa,最大剪应力62.2 MPa,最大竖向位移为3.653 mm,分配梁按钢结构梁的最大许用挠度计算,在挠度变形允许范围内。

为了保证分配梁达到顶升至最高位置时不出现破坏,就必须使分配梁的最大正应力要低于材料的许用压应力值。用符号[δj]来表示,钢材的许用压应力与许用拉应力的关系:

[δj]=1.5～2.5[δs]/n

(8)

其中,δs为钢材屈服强度;n为安全系数,按照钢结构规范中的要求,Q345安全系数取2.0,这里仅求钢材最小许用压应力:

[δj]min=2.5×172.5=431.3 MPa

(9)

F=A×[δj]min=3 829.5 kN

(10)

因此,为保证分配梁在顶升至最高时不发生破坏,建议在实际顶升过程中分配梁承受最大竖向荷载不超过3 829.5 kN。

3.4 钢支撑静力分析

为了保证钢支撑在顶升过程中的安全,需要对钢支撑的强度和刚度进行分析,由于顶升桥段位于青岛市,因此还需考虑风荷载的影响。根据《建筑结构荷载规范》中的规定,青岛基本风压值:10年一遇0.45 kN/m2;50年一遇0.60 kN/m2;100年一遇0.70 kN/m2。本文取百年一遇的风压值0.70 kN/m2作为验算钢支撑强度的外部荷载,顶升过程中下部钢支撑受桥梁的竖向压力和风荷载共同作用,对钢支撑进行静力分析,限于篇幅有限,仅列举了173号和176号钢支撑应力云图,如图8所示。

桥梁顶升中的钢支撑采用的是Q345,屈服强度为345 MPa,因此Q345的安全系数n取1.6,则钢材的许用拉应力与屈服强度的关系为:

[δ]=δs/n

(11)

其中,[δ]为钢材许用拉应力;δs为屈服强度,由公式(11)得钢材许用拉应力215.6 MPa。当杆内应力达到材料的屈服点时,杆内将发生明显的塑性变形,过度的塑性变形和破坏是工程中所不允许的。因此,为了保证杆件在工作时不出现上述两种情况,就必须使杆件最大拉应力小于材料的许用压应力值。用符号δj来表示,钢材的许用压应力与许用拉应力的关系为:

[δj]=1.5～2.5[δ]

(12)

[δj]为钢材许用压应力,由公式(12)得钢材最小许用压应力为323.4 MPa。在顶升过程中,176号钢支撑受力最大,因此最大压应力发生在176号钢支撑,且最大压应力值为176 MPa<[δj]min=323.4 MPa,因此,各个钢支撑的强度均满足要求。

根据《钢结构设计规范》规定,高度50 m以下的钢杆倾斜度应小于10/1 000,因此本文钢支撑最大允许位移为57 mm。钢支撑的竖向最大位移发生在176号钢支撑,且最大位移值为27.7 mm<57 mm,因此,钢支撑的刚度满足要求。综上,钢支撑的刚度和强度均满足要求。

3.5 桥梁顶升抗滑移验算

由于千斤顶在顶升桥梁过程中会使分配梁与千斤顶之间产生一个倾斜角,分配梁与千斤顶之间可能会发生侧向滑动。因此,需要对千斤顶与分配梁之间的摩擦力与侧向力进行验算,如图9所示,将桥梁和分配梁视为一个整体,选取顶升过程中坡度最大工况进行验算。

对顶升段桥梁顶升最高的一端(176号墩)进行侧向滑移验算,其中F=784.1 t,F1为下滑力:

F1=F×sin3

(13)

f=μ×F×cos3

(14)

由式(13)可得桥梁顶升过程中产生的下滑力41.04 t,千斤顶与分配梁之间的静摩擦系数取0.15,由式(14)可得最大静摩擦力为117.45 t,最大静摩擦力远远大于下滑力,因此,满足桥梁顶升过程中防止滑移的要求。

4 结论

通过使用ANSYS软件建立桥梁顶升有限元模型,分析了本文所选择的分配梁和钢支撑的受力与变形,并对液压千斤顶在顶升过程中的最不利位置进行了抗滑移验算,提出了保证施工安全的措施。

1)通过对钢支撑刚度、强度的研究与分析,得到钢支撑最大压应力和位移均发生在176号钢支撑,且最大压应力值为176 MPa,最大位移值为27.7 mm,均在允许范围内。因此钢支撑的强度和刚度均满足要求,且液压千斤顶所提供的竖向支撑力远大于桥梁的自重,为了提高桥梁整体稳定性,千斤顶应保持匀速顶升。

2)通过对46号桥梁中顶升最高的一端进行抗滑移验算,得到桥梁顶升过程中产生的下滑力为41.04 t,远小于最大静摩擦力117.45 t。因此,满足桥梁顶升过程中防止滑移的要求。

3)预应力混凝土桥梁在顶升过程中桥面和底部混凝土受到最大拉应力为0.68 MPa,为了避免混凝土出现局部压碎和开裂现象,应保证千斤顶均匀顶升,且分配梁最大应力发生在两端位置处,在顶升过程中应时刻检测分配梁的应力变化,防止两端出现开裂或受到弯矩过大发生弯折。