李鋒丹

(山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司 濟(jì)南市 250000)

0 引言

T形鋼筋混凝土梁橋因具有形式簡單、自重較小、施工便捷、造價低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)在我國上世紀(jì)七、八十年代大量修建[1]。經(jīng)過多年運(yùn)營，尤其是隨著時代進(jìn)步與運(yùn)輸車輛載重的不斷增大，在長期汽車荷載作用下，T形鋼筋混凝土主梁支點(diǎn)及跨中裂縫、橡膠支座老化、變形損毀、橋頭跳車等病害大量發(fā)生。在主梁結(jié)構(gòu)尚能滿足行車要求的情況下對舊橋進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的更換或者重建是不經(jīng)濟(jì)的，因此便需要單獨(dú)更換T梁的橡膠支座。同步頂升技術(shù)的日趨成熟顯然為此類需整橋更換支座的橋梁改造提供了更加廣闊的發(fā)展前景。

1 工程概況

研究分析依托于哈爾濱市呼蘭區(qū)二道河橋，該橋?yàn)殇摻罨炷罷梁橋，橋梁設(shè)計(jì)時荷載等級采用汽-20、掛-100，跨徑布置為7×20.00m，橫向7片T形主梁；下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土蓋梁接柱式墩臺、鉆孔樁基礎(chǔ)。改造以前該橋存在的主要病害為橡膠支座老化、變形、剪切破壞嚴(yán)重，此外，主梁跨中梁底存在橫向裂縫，且主梁間橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)混凝土損毀、露筋。結(jié)合病害分析，該橋進(jìn)行了同步頂升更換全橋支座施工、裂縫灌縫、主梁粘貼鋼板等加固改造，且竣工后進(jìn)行了靜力、動力荷載試驗(yàn)，現(xiàn)已正常運(yùn)行。

2 同步頂升原理簡述

同步頂升技術(shù)又叫做同步位移升降控制技術(shù)，其最先在大型建筑物的移動中采用，比如我國的國家體育場主館鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)施工就是應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步與公路橋梁設(shè)計(jì)理念的提升在橋梁施工領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，其原理簡單說來就是應(yīng)用若干可以承載的頂升裝置通過機(jī)電智能化控制系統(tǒng)統(tǒng)一且協(xié)調(diào)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的頂升或下落[2]。目前較多采用液壓頂升設(shè)備，同步頂升技術(shù)實(shí)際施工工序眾多，簡單歸納總結(jié)，其簡化后的操作步驟大致如下：

(1)確定被頂升結(jié)構(gòu)物的重量，經(jīng)計(jì)算分析從而選定合適的頂升設(shè)備型號，頂升力需具備足夠的安全儲備。

(2)確定頂升點(diǎn)位置及區(qū)域，對于橋梁即選擇主梁上利于頂升的區(qū)域及區(qū)域大小。

(3)確定頂升量大小，需根據(jù)具體施工操作空間需求進(jìn)行頂升量的確定。

(4)頂升施工，施工時需注意緩速進(jìn)行，且需密切監(jiān)測被頂升結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

(5)頂升完畢，保持頂升狀態(tài)，更換橋梁支座。

(6)支座更換完畢，在檢查確定后對頂升設(shè)備進(jìn)行回油、卸載，完成支座更換。

頂升系統(tǒng)典型組成如圖1所示。

圖1 頂升系統(tǒng)組成圖

3 支座更換過程的有限元模擬

3.1 結(jié)構(gòu)有限元模型建立

借助MIDAS/CIVIL空間計(jì)算軟件建立二道河橋模型，模型中共劃分368個單元、261個節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)1、21、41、61、81、101、121、141、161、181、201、221、241、261處為模擬支座位置。根據(jù)現(xiàn)場支座更換情況，擬定頂升高度為10mm，頂升方式為單側(cè)主梁支座處整體同步頂升[3]。有限元分析如圖2所示，頂升過程模擬如圖3所示。

圖2 有限元計(jì)算模型圖

圖3 單側(cè)整體頂升模擬圖

根據(jù)二道河橋原設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行結(jié)構(gòu)自重計(jì)算，并考慮一定的頂升安全儲備后最終選擇采用QF50T-12.5b型分離式液壓千斤頂設(shè)備組進(jìn)行二道河橋頂升施工，該型號頂升設(shè)備的頂升噸位為50t。

3.2 頂升過程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在單側(cè)支座同步頂升時的應(yīng)力、位移等變化，計(jì)算模型中通過“支座強(qiáng)制位移”邊界條件定義單側(cè)梁端頂升10mm來模擬主梁單側(cè)頂升并運(yùn)行模型計(jì)算。對T形梁橋關(guān)鍵的設(shè)計(jì)控制主梁應(yīng)力、主梁跨中撓度、梁端主應(yīng)力及頂升跨非頂升側(cè)主梁支反力的變化情況進(jìn)行提取，通過與成橋狀態(tài)恒載下理論計(jì)算值進(jìn)行對比，以此來模擬分析更換支座過程中主梁結(jié)構(gòu)的各力學(xué)指標(biāo)變化情況。數(shù)據(jù)提取及分析對比結(jié)果如圖4～圖7所示(圖中1#～7#梁是以橫橋向上游至下游編號)。

圖4 主梁跨中撓度對比圖

圖5 主梁跨中梁底應(yīng)力對比圖

圖6 主梁支點(diǎn)主應(yīng)力對比圖

圖7 另一側(cè)支點(diǎn)反力對比圖

由圖4～圖7分析對比結(jié)果可以看出：在結(jié)構(gòu)同步頂升施工時，主梁跨中撓度、梁底應(yīng)力、支點(diǎn)附近主應(yīng)力及頂升跨非頂升端支反力指標(biāo)均大于原靜態(tài)成橋階段，但變化幅度均小于10%，說明同步頂升施工對主梁力學(xué)指標(biāo)有影響，但影響不大。

根據(jù)對比分析結(jié)果，還可以發(fā)現(xiàn)邊梁的撓度變化較中梁大，但主梁跨中應(yīng)力與位移變化規(guī)律并非完全一致，而是中間主梁的應(yīng)力變化更為顯著。結(jié)合橋梁現(xiàn)場病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橫向連接部分出現(xiàn)混凝土破損、開裂露筋等較大病害，導(dǎo)致各片主梁間橫向聯(lián)系削弱，橋梁的橫向協(xié)調(diào)受力被削減，進(jìn)而導(dǎo)致了上述現(xiàn)象的發(fā)生。這一結(jié)果也說明了對于T形鋼筋混凝土梁而言，其跨中撓度及主梁應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)受橫向聯(lián)系完好程度的影響是顯著的，結(jié)構(gòu)的病害發(fā)生往往是橫向聯(lián)系先出現(xiàn)了問題。二道河橋橫向聯(lián)系病害調(diào)查照片如圖8所示。

圖8 T梁橫向聯(lián)系損毀現(xiàn)狀圖

3.3 分析結(jié)果

通過對單側(cè)主梁支座模擬提升10mm，通過有限元軟件的仿真計(jì)算，得出二道河橋主梁的跨中撓度、跨中梁底應(yīng)力、支點(diǎn)附近主應(yīng)力及頂升跨非頂升端支反力等指標(biāo)參數(shù)的理論值，并與模型原始初態(tài)理論值進(jìn)行比較分析。總結(jié)如下：

(1)同步頂升施工進(jìn)行時，主梁的跨中撓度、應(yīng)力等力學(xué)指標(biāo)均略高于原態(tài)時效應(yīng)值，但影響程度不大。

(2)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系構(gòu)件的較嚴(yán)重病害，導(dǎo)致各片主梁間不能協(xié)調(diào)受力，使得原本應(yīng)均勻變化的主梁撓度及跨中應(yīng)力值出現(xiàn)了不均勻的變化規(guī)律，也導(dǎo)致了邊梁撓度出現(xiàn)更大增長。

(3)頂升施工時由于整體抬升，導(dǎo)致另一側(cè)主梁的既有支座產(chǎn)生更大的反力作用。

4 加固效果評定

前文主要分析了同步頂升更換支座施工對橋梁結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力的影響。截稿前，二道河橋加固維修工程已施工完畢，為驗(yàn)證施工的質(zhì)量及加固后橋梁的承載能力指標(biāo)，二道河橋加固后進(jìn)行了靜力、動力荷載試驗(yàn)，以全面、準(zhǔn)確地評定橋梁加固后的使用性能參數(shù)[4]。

4.1 靜載試驗(yàn)分析

根據(jù)荷載試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范的要求，本次靜力荷載試驗(yàn)采用兩輛35t的陜西重汽車輛進(jìn)行加載。測試項(xiàng)目包括加固后主梁跨中的撓度變形、主梁跨中應(yīng)變數(shù)據(jù)指標(biāo)。采用電阻應(yīng)變片實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)，撓度測試儀器則采用電測撓度儀配合精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。測試結(jié)果可為驗(yàn)證加固后橋梁的受力狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)?，F(xiàn)場加載示意圖如圖9(跨中偏載工況加載示意圖)所示。試驗(yàn)結(jié)果以荷載校驗(yàn)系數(shù)來表征，校驗(yàn)系數(shù)為荷載試驗(yàn)實(shí)測值與按規(guī)范計(jì)算值的比值，荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)小于1時，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際工作時是安全的。荷載試驗(yàn)測得校驗(yàn)系數(shù)值分布如圖10所示。

圖9 荷載試驗(yàn)加載示意圖(單位：cm)

圖10 校驗(yàn)系數(shù)數(shù)據(jù)分布圖

由圖10中主梁跨中撓度及跨中應(yīng)變測試校驗(yàn)系數(shù)分布圖可以看出：在靜力荷載作用下，試驗(yàn)跨實(shí)測撓度均小于設(shè)計(jì)荷載下計(jì)算理論撓度值，校驗(yàn)系數(shù)在0.53～0.85之間，跨中梁底應(yīng)變值校驗(yàn)系數(shù)在0.64～0.90之間。荷載校驗(yàn)系數(shù)均小于1，滿足安全使用要求，也說明二道河橋在同步頂升更換支座、粘貼鋼板等加固改造后靜態(tài)工作性能良好。

4.2 動載試驗(yàn)分析

動載試驗(yàn)可測試結(jié)構(gòu)振動方面的各種參數(shù)指標(biāo)，現(xiàn)場采集的這些動態(tài)指標(biāo)標(biāo)線為結(jié)構(gòu)的振動和振動頻率及分布特性，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動性能[5]。動力荷載試驗(yàn)?zāi)茉陟o力承載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上更好地反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)在行車動荷載作用時結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本橋采用DHDAS-5937動態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)參數(shù)采集。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖11所示。

圖11 DHDAS-5937動態(tài)測試系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場測得的振動指標(biāo)，在車速為40 km/h的行駛狀態(tài)下，試驗(yàn)跨測得的最大沖擊系數(shù)值是1.233，小于設(shè)計(jì)荷載作用下模型的理論計(jì)算值1.346，說明結(jié)構(gòu)動力性能良好。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，舊橋原有的橋頭跳車現(xiàn)象在更換新支座后也改觀很多，可以看出更換支座對橋頭跳車病害的改良是有利的。

5 結(jié)論

依托哈爾濱市二道河橋?qū)嶋H工程，借助Midas有限元計(jì)算分析軟件，模擬分析了采用單側(cè)整體同步頂升更換橋梁支座的施工過程，并對比計(jì)算頂升施工時主梁跨中撓度、應(yīng)力及非頂升端支反力等指標(biāo)的影響程度，并結(jié)合橋梁靜力、動力荷載試驗(yàn)驗(yàn)證橋梁加固改造后的效果?？偨Y(jié)得出如下結(jié)論：

(1)單側(cè)同步頂升施工時結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)及跨中應(yīng)力、跨中撓度等指標(biāo)均略高于原態(tài)，且受橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)的破損程度影響較大。

(2)靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果表明更換支座后結(jié)構(gòu)的靜態(tài)受力性能能夠滿足規(guī)范計(jì)算結(jié)果要求，動力荷載試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)改造后的動力性能良好，尤其是橋頭跳車現(xiàn)象明顯改善。

(3)采用同步頂升更換橋梁支座不僅實(shí)用、可行，而且造價低、施工速度快，這也為類似橋梁改造提供了思路和參考。