袁 鑫， 鄭 偉， 楊 浩， 吳毅彬

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096 ；2.上海穎川加固工程技術(shù)有限公司,上海 200000)

橋梁頂升是通過一定的設(shè)備將橋梁從原位置升高到新位置的高難度技術(shù)，包括整體頂升、分段頂升、調(diào)坡等，通過外力作用于原有橋梁結(jié)構(gòu)，并且外力的施加必須保證原有結(jié)構(gòu)的安全與可靠，然后迫使橋跨結(jié)構(gòu)升高到預(yù)定高度和位置，通過加高墩臺或支座墊石達到升高橋梁、增大橋下凈空的目的[1-2]。

目前，國內(nèi)外在建筑結(jié)構(gòu)物移位和頂升方面已經(jīng)取得了一些成功的實踐。國內(nèi)既有的橋梁改造方面，如上海吳淞大橋[3]采用整體同步頂升方案，原橋頂升平均高度0.85 m；天津獅子林橋為3跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，最終整體頂升1.271 m；廈門仙岳路鋼箱梁整體頂升高度為5.8 m[4-5],云南安寧白塔橋整體同步降落3.06 m[6]。

本文中闡述的大行程頂升技術(shù)是與更換支座時小行程技術(shù)存在本質(zhì)的區(qū)別，后者頂升高度普遍在0.2 m以下[7-10]，頂升高度原則上只要滿足支座更換技術(shù)即可。大行程頂升技術(shù)要求頂升施工對結(jié)構(gòu)進行不斷的循環(huán)接高，施工風(fēng)險、施工流程和安全控制較小行程更為復(fù)雜[11-12]，對頂升底盤結(jié)構(gòu)體系的選擇也有更高的要求，因此本文針對大行程橋梁頂升支撐系統(tǒng)進行了空間仿真非線性分析。

橋梁頂升所采用的頂升底盤結(jié)構(gòu)體系(Iifting Chassis Structure System)[13-14]可隨現(xiàn)場和既有條件選用，在保證安全、可靠的前提下，根據(jù)經(jīng)濟、便于施工的原則來選用。隨著橋梁的升高，橋墩加長部分自重對下部結(jié)構(gòu)的影響隨之加大，此時應(yīng)對下部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行復(fù)核。目前常用的頂升支撐體系有蓋梁、鋼支撐和承臺(抱柱梁)組合、鋼抱箍、鋼牛腿幾種，首先選用的是蓋梁結(jié)構(gòu)，最后是鋼牛腿結(jié)構(gòu)。在蓋梁施工區(qū)域不夠時，鋼支撐和承臺組合結(jié)構(gòu)是最可靠的支撐體系。鋼支撐和承臺組合結(jié)構(gòu)在地基承載力很低必要還要設(shè)置人工挖孔樁，三者共同構(gòu)成頂升底盤結(jié)構(gòu)體系，頂升施工過程中，用于承受橋梁頂升時的荷載，并將該荷載傳遞到基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的頂升支撐系統(tǒng)計算方法基于桿系結(jié)構(gòu)計算精度不高，且不能反映承臺和鋼支撐的空間力學(xué)狀態(tài)。本文采用通用有限元仿真軟件ABAQUS模擬計算，并和傳統(tǒng)的m法計算結(jié)果進行對比分析，能有效的模擬支撐體系的空間應(yīng)力分布，計算精度能滿足設(shè)計施工要求，其研究結(jié)果可供同類工程項目參考借鑒。

1 工程背景

成都某高架橋由于改建需要，將把橋梁引橋部分采用頂升工藝將橋墩升高，將主梁提升至高架橋新設(shè)計標(biāo)高，并與新建高架連接。根據(jù)設(shè)計要求與橋梁實際情況，該項工程存在以下特點：① 頂升重量大，單幅頂升重量可達3 000 t，所需頂升設(shè)備、施工人員較多；② 頂升面積大，在單幅面積近3 000 m2范圍內(nèi)實現(xiàn)同步頂升，要求橋面不裂、不傾斜，這對大面積多點同步控制設(shè)備的精度要求較高；③ 頂升高度很大，最大頂升高度達7.42 m，臨時墊塊和頂升循環(huán)次數(shù)多，這對反力支撐體系強度、剛度及穩(wěn)定性的設(shè)計要求高，頂升點的選擇及布置難度較大，而作為頂升限位支撐體系的技術(shù)設(shè)計的可靠性，對頂升的安全順利進行起到至關(guān)重要的作用。頂升橋型布置圖見圖1，頂升橋梁現(xiàn)場見圖2，頂升高度參數(shù)見表1。

圖1 頂升縱斷面圖

圖2 現(xiàn)場大橋照片

表1 頂升高度參數(shù)表

2 頂升支撐體系分析

2.1 頂升反力分析

頂升前一般根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)布置形式，求出各墩臺的支座反力，用于支撐體系的設(shè)計。本工程采用采用MIDAS/civil有限元軟件計算分析，采用彈性連接模擬支座的實際空間位置。

護欄截面積為0.253 m2，加載大小為6.578 kN/m，橋面鋪裝厚度按照13 cm計算，加載為39.715 kN/m。橋梁結(jié)構(gòu)為彎橋結(jié)構(gòu)形式，連續(xù)彎梁橋考慮偏心扭矩修正影響見表2。

2.2 支撐體系的計算工況

針對曲線箱梁和第6聯(lián)直線段連續(xù)梁的空間受力特點，采用鋼管支撐體系作為頂升支撐平臺。由于各墩頂升力較大，且支撐體系的高度較高，22#橋臺處支撐高度達到(506.610-504.32)+7.42=9.71 m以上，因此對鋼架撐在正常頂升、隨動千斤頂支撐作業(yè)二種工況下體系的安全性進行施工驗算，驗算必須考慮橋梁結(jié)構(gòu)自重，頂升水平分力，施工臨時荷載、施工期間風(fēng)力等因素的影響。支撐體系的強度、剛度、穩(wěn)定性均須滿足要求。

跟據(jù)第一部分各墩頂升力值，考慮2倍以上的安全系數(shù)，將設(shè)計頂升力進行分類整理。

表2 扭矩計算修正表

頂升過程中鋼管的受力順序為：先由內(nèi)側(cè)4根放置千斤頂?shù)匿摴苤雾斏后w，在達到設(shè)計高度后，有外側(cè)4根放置隨動千斤頂?shù)匿摴苤瘟后w，因此內(nèi)、外側(cè)鋼管支撐并非同時受力。驗算工況分布考慮內(nèi)、外側(cè)鋼管分別受力情況。為保證頂升及支撐階段鋼管受力的安全性，驗算時考慮兩側(cè)鋼管對稱受力與不對稱受力工況。不對稱受力按兩側(cè)比例分配荷載。由下滑力產(chǎn)生的最大水平分力按豎向力的tanθ×Nf考慮(θ可取設(shè)計角度)，Nf為支座反力。橫向水平力按照單點豎向水平力的5%設(shè)計。鋼管支撐承受風(fēng)載為按0.45 kN/m2考慮。支撐體系布置見圖3和圖4。

圖3 支撐橫截面布置圖

圖4 支撐平面布置圖

對于0#橋臺，采用D609×16鋼管結(jié)構(gòu)，計算高度為L=10 m,參數(shù)如下：λx=10 000/210=47.6<[λ]，查表b類構(gòu)件，穩(wěn)定系數(shù)取φx=0.865。

N=φ×A×f=215×0.865×29 807=5 543 kN，安全系數(shù)為：5 543/1534=3.61，穩(wěn)定性計算滿足要求。

3 非線性有限元分析

3.1 “m”法承臺計算分析

圖5 m法計算整體模型圖

m法計算時可將土看作為彈性變形介質(zhì)，其地基系數(shù)在地面(或沖刷線)處為零，并隨深度成正比例增長。相應(yīng)于深度y處的基礎(chǔ)側(cè)面土的地基系數(shù)cy=my；相應(yīng)于深度h處基礎(chǔ)地面土的地基系數(shù)c0=m0h，但c0不得小于10 m0。其中m與m0為地基比例系數(shù)，其取值可參照下表3采用，當(dāng)有可靠試驗資料時，可采用試驗值。“m”法計算承臺和樁基分析得到的最大拉應(yīng)力為2.29 MPa,最大壓應(yīng)力為-4.99 MPa，如圖6所示。

表3 地基比例系數(shù)m和m0值

3.2 ABAQUS空間仿真非線性分析

圖6 承臺和樁m法計算結(jié)果

圖7 ABAQUS空間離散模型

為充分考慮鋼支撐、承臺、人工挖孔樁組合支撐體系的空間受力特點，滿足頂升施工的承載力要求，保證頂升施工的安全，采用大型通用有限元軟件ABAQUS對三者共同組成的支撐體系進行仿真非線性分析，計算時混凝土和鋼管均采用采用C3D8R八節(jié)點六面體線性減縮積分的三維實體單元，網(wǎng)格劃分以0.2 m為基本尺寸單元，考慮對稱建立1/2模型，詳細(xì)空間模型圖7,計算對比結(jié)果見圖8～圖10。

新老承臺之間采用Interaction中tie建立綁定約束。原承臺跨中對稱面的位置采用對稱約束，樁基底部采用z方向豎向約束。采用接觸有限元的罰函數(shù)法來模擬樁土體之間的接觸問題。對樁身采用彈性模型，而對地基土考慮土體的彈塑性，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬地基中的彈塑性變形以及樁土接觸性狀，通過反復(fù)細(xì)化有限元網(wǎng)格和調(diào)整樁土接觸面參數(shù)，最終摩擦系數(shù)取0.2。

圖8 鋼管支撐應(yīng)力云圖

圖9 承臺應(yīng)力云圖

圖10 樁基應(yīng)力云圖

3.3 非線性結(jié)果分析

(1)鋼管支撐實體空間計算壓應(yīng)力和桿系結(jié)構(gòu)計算基本吻合，分別為160.9 MPa和167 MPa,支撐的空間應(yīng)力分布計算和桿系結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果相近。

(2)取1/2模型承臺的受力近似一個雙向板結(jié)構(gòu)，水平力對承臺彎曲效應(yīng)較加固前減弱，鋼支撐內(nèi)排和外排受力時，對承臺的作用基本相近，并無明顯差異；

(3)承臺主拉應(yīng)力:

空間計算1.958 MPa>[σ]，m法計算為2.28 MPa,m法的計算拉應(yīng)力結(jié)果偏大，兩者壓應(yīng)力計算結(jié)果基本吻合。

(4)m法計算較空間計算拉應(yīng)力主要集中在跨中頂部，分布在云圖中范圍不大，主要原因：第一，承臺頂部拉應(yīng)力局部過大，這個拉應(yīng)力基本由水平荷載產(chǎn)生，水平荷載在計算時取值了1.5倍安全系數(shù)，該荷載死偏安全假定的，且為偶然組合工況，若考慮荷載分項系數(shù)，混凝土的實際主拉應(yīng)力將減??；第二，建模時未考慮主拉應(yīng)力最大處的受力鋼筋的影響。m法計算結(jié)果偏大，且不能反映承臺的實際空間應(yīng)力狀態(tài),主要原因分析：m法未考慮主拉應(yīng)力最大處的受力鋼筋的影響，同時未考慮承臺的雙向受彎應(yīng)力狀態(tài)。

(5)樁基頂部不平衡拉應(yīng)力較小0.45 MPa <[σ]=1.43 MPa ，主壓應(yīng)力大于m法計算結(jié)果，主要是未考慮樁土共同作用。m法和空間有限元法均能滿足壓應(yīng)力要求。樁的壓應(yīng)力儲備具有較大的富裕系數(shù)。

4 結(jié) 論

本文通過整體考慮鋼支撐、承臺和人工挖孔樁三者組成的頂升支撐體系的受力特性，采用通用有限元軟件ABAQUS有效模擬支撐體系的空間應(yīng)力分布，改進了只采用彈性地基梁假設(shè)計算方法在土彈簧計算時采用近假定和單一采用桿系結(jié)構(gòu)或板單元模擬承臺而不能準(zhǔn)確反映承臺和基礎(chǔ)的空間力學(xué)特性的不足，考慮了結(jié)構(gòu)的非線性特點，計算收斂良好；并與m法計算結(jié)果進行對比分析，驗證了鋼支撐、承臺和人工挖孔樁頂升底盤結(jié)構(gòu)體系空間計算的精確性，其研究結(jié)果可供大行程同步頂升支撐系統(tǒng)工程項目提供有益參考。

參 考 文 獻

[1]Dug S J,Chen J,Zhu J D.Numcrical modcling of jacking process for underpass bridge through railway line[J].Underground Construction and Ground Movement,2006:128-133.

[2]雷 劍.橋梁整體升高技術(shù)在某鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋改造中的應(yīng)用 [D].西安：長安大學(xué),2008.

[3]吳 杰.上海吳淞大橋北引橋整體頂升施工技術(shù)[J].中國市政工程，2003(5):34-38.

WU Jie.Construction techniques of whole-body-jacking-up for north access of Shanghai Wusong bridge[J].China municipal engineering，2003(5):34-38.

[4]陳智強.廈門仙岳路改造工程既有橋梁頂升技術(shù)[J].公路,2012(9):79-86.

CHEN Zhi-qiang.Technology of existing bridge lift-up in xianyue road reconstruction project of xiamen city[J].Highway,2012(9):79-86.

[5]夏洪波,劉世忠.單箱五室連續(xù)彎箱梁橋旋轉(zhuǎn)的頂升關(guān)鍵技術(shù)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2012，31(4)：36-40.

XIA Hong-bo,LIU Shi-zhong.The key technology of rotative jacking-up of single-box five-cell continuous curved bridge[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University，2012，31(4)：36-40.

[6]吳毅彬,陳歷耿,朱紹鋒.云南安寧白塔橋整體同步降落施工工藝[J].公路，2011(2)：64-68.

WU Yi-bin,CHEN Li-geng,ZHU Shao-feng.Synchronous landing construction technology of anning baita bridge in yunnan.[J].Highway,2011(2)：64-68.

[7]陳歷耿,朱紹鋒,吳毅彬.滬寧高速公路既有橋梁維修加固及施工技術(shù)[J].城市道橋與防洪,2010(7)：129-132.

CHEN Li-geng,ZHU Shao-feng,WU Yi-bin.The maintenance and reinforcement and construction technology of Huning highway bridge [J].Urban Road and Bridge and Flood Control,2010(7)：129-132.

[8]馮滿耀.濟南燕山立交橋PLC控制液壓同步頂升的施工技術(shù)[D].濟南：山東大學(xué)，2008.

[9]瀟 然.液壓控制技術(shù)在法國米勞大橋的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2005,34(2):3-75.

XIAO Ran.Hydraulic control technology in the application of french miyue bridge [J].Construction Technique,2005,34(2):73-75.

[10]項寶余.頂升技術(shù)在鐵路既有上跨結(jié)構(gòu)凈空改造中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè),2009 (3)：85-88.

XIANG Bao-yu .Application of jacking up technique to headroom improvement of existing structures over railway[J].Bridge Construction,2009(3)：85-88.

[11]袁 鑫 大跨度剛構(gòu)橋施工階段風(fēng)險分析 [D].西安：長安大學(xué)，2008.

[12]彭 瑋.杭申線老橋頂升支撐設(shè)計及結(jié)構(gòu)安全分析[J].上海公路，2011(3):29-32.

PENG Wei.The design of jacking support system and structure safety analysis of the old bridge of HangShen road[J].Shanghai Highway，2011(3):29-32.

[13]航道橋梁整體同步頂升技術(shù)指南 [S].浙江省港航管理局.

[14]Xin F,Xiao D,Yang J R.Construction monitoring of jacking construction of steel-concrete composite beam in self-anchored suspension bridge[J].Civil Engineering and Urban Planning,2012:2012.