连续梁桥在顶升施工条件下的数值模拟分析

徐健 张尚伟

摘 要：顶升条件下的连续梁桥受力体系复杂，选用合理的顶升工况可以减少同步顶升的桥墩及千斤顶数量、减少相关设备的使用，本文从力学分析计算的角度，以具体工程实例为背景，采用MADIS CIVIL有限元软件建立了实体桥梁有限元计算模型，得出了不同顶升工况下连续梁桥的相关力学特性，并对不同顶升位移量条件下梁体的应力、反力、位移的分布规律进行了分析，以达到指导同类桥梁施工的目的。

关键词：顶升;连续梁;力学;受力特性

0 引言

顶升施工是目前桥梁更换支座所采取的主要施工方法，该施工方法应用较为广泛，已经在各式桥梁的支座更换中得到了应用于发展。顶升施工无需破坏桥梁结构，对桥梁结构影响小，甚至可不中断交通直接顶升施工。顶升施工方法中，最关键的是顶升量的选取，需要对桥梁的相关力学性能进行分析，研究其应力、反力、位移的分布规律，在不破坏桥梁主体结构的前提下以便得出合理的顶升量值，从而选择合理的顶升施工工艺。

1 工程概况

某跨线桥，六跨预应力混凝土连续T梁桥，跨径布置为（42+54+54+54+54+42）m，设计荷载为汽-超20级，全宽16.5 m。该桥梁已运营近30年，已经有一定的病害产生，特别是桥梁支座系统，均已不同程度的损坏，且存在一定的横向位移，需要对其支座系统进行全面更换。

2 有限元计算模型的建立

采用MIDAS Civil有限元软件建立支座更换计算模型，以主梁、横隔板，现浇湿接缝为三维梁单元，共1 163个单元，支座单元为受压单元，共42个单元。在有限元计算中，重点模拟顶升工况对梁体的影响，并考虑了支座的弹性压缩。

主体结构按照平面杆系理论进行建模，并经过一定的简化，形成结构离散模型。

3 有限元模型计算结构分析

为了分析结构的相关力学受力性能，主要计算了承载能力极限状态下，T梁在顶升作用下的抗弯承载力和T梁上下缘的应力包络图。

3.1 计算结果

（1）抗弯承载能力计算。正常使用极限状态下， T梁结构最大正弯矩出现在跨中位置，弯矩值大小为17 652 kN.m，而结构抗力大小为22 685 kN.m，高于计算弯矩值;T梁结构最大负弯矩出现在支座位置，弯矩值大小为7 167.3 kN.m，而结构抗力大小为12 089.6 kN.m，高于计算弯矩值，由此可以判定T梁结构安全。（2）应力计算。在纵向单点逐墩顶升，顶升量为20 mm状态下， T梁结构最大应力同样出现在跨中位置，T梁上缘应力大小为12.96 MPa，T梁下缘应力大小为13.46 MPa，而结构应力最大包络值为23.1 MPa，T梁上下缘均高于计算应力值，由此可以判定T梁结构安全。

3.2 计算结果分析

（1）正常使用极限状态下，跨中截面的正弯矩值和支点截面的负弯矩值均较大。（2）顶升作用下，主要计算控制指标为T梁上缘和下缘的最大应力，在荷载作用下，连续梁跨中截面与支座截面为最不利位置，如果最不利位置的最大应力均满足要求，即T梁上缘和下缘的最大应力满足要求可以近似判定T梁结构承载能力满足要求。

4 不同顶升工况下的T梁力学特性分析

（1）工况一：支座横向同步顶升、纵向单点逐墩顶升，顶升量为20 mm。

在该工况下，顶升前主梁上最大拉应力为2.05 MPa，最大压应力为9.6 MPa。

根据计算结果，可以看出，按工况一条件顶升20 mm高度时：1）在第三排支座位置，即全跨的中点位置处，T梁顶升后产生的拉应力与压应力都为最大，最大拉应力变化为4.06 MPa，变化增长率达到98%，最大压应力变化为11.3 MPa，变化增长率达到17.7%，跨中位置为最不利位置。2）顶升工况一条件下，T梁结构其它位置处的应力变化相对较小，例如顶升第二排支座，顶升处的上下缘应力增量为大，而第一排支座，下缘应力增量则较小。相邻墩顶上下缘应力增量变化规律较为相似，隔跨墩顶上下缘应力增量几乎可以忽略不计。

（2）工况二：支座横向同步顶升、纵向多支点逐墩顶升，顶升量为20 mm。

在全部支点同时顶升20 mm的工况条件下，桥面板的局部拉应力增量较大，为了保证更换支座过程中的安全，需对全部支点同时顶升的方案作出优化，为保证结构上下缘应力在结构抗力范围内，按以下四种工况进行应力及位移的计算。

1）第一排支座顶20 mm，第二排支座顶10 mm;2）第一排支座顶10 mm，第二排支座顶20 mm，第三排支座顶10 mm;

3）第二排支座顶10 mm，第三排支座顶20 mm，第四排支座顶10 mm;4）第一排支座顶10 mm，第三排支座顶20 mm，第五排支座顶10 mm。

计算得出四种状态的最大拉应力与最大压应力如表1所示。

混凝土强度值是判定顶升能否进行的基础指标，表中混凝土应力值均小于混凝土的强度设计值，由此可以判定在进行支座更换时，主梁结构是安全的。第2条件主梁挠度最大，计算最大挠度为2.28 cm;第4条件主梁挠度最小，计算最大挠度为1.01 cm;

根据表1可以判定，应按第一排、第三排、第五排的隔跨规律进行顶升施工。

5 结论

（1）以实际工程为例，对主梁结构的相关承载力和应力进行了分析，根据相关分析可以看出，跨中截面为最不利位置，应作为重点控制，控制的相关指标为T梁上下缘应力;

（2）分析了逐墩顶升20 mm工况下上部结构的应力状况，并对顶升方案进行了优化，在全跨的中点位置处，T梁顶升后产生的拉应力与压应力为最大，而其它位置处的应力变化相对较小，隔跨墩顶上下缘应力增量几乎可以忽略不计。

（3）采用了多种顶升方法，从中选取了最优化的隔跨顶升施工方法，即采用第一排、第三排、第五排的隔跨施工可以最大程度保证结构安全。

参考文献：

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