高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 湖南長沙 410075；中鐵九局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司 廣州佛山 528000

摘要：本文依托某高鐵特大橋工程為研究對(duì)象，為不改變原橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更換破損支座，采用有限元計(jì)算軟件（ANSYS）參數(shù)化（APDL）建模進(jìn)行仿真模擬、分析、計(jì)算進(jìn)行比選，從而制定出更安全、更可靠的施工方案，為今后同類型橋梁頂升更換支座提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;簡支箱梁;整體同步;頂升支座;數(shù)值分析

橋梁整體同步頂升技術(shù)對(duì)既有橋梁支座進(jìn)行改造，對(duì)高速鐵路的交通及環(huán)境影響較小，可產(chǎn)生良好的社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)效益。但是橋梁頂升施工難度、風(fēng)險(xiǎn)較大，因此精準(zhǔn)合理的結(jié)構(gòu)數(shù)值分析是施工方案和施工工藝的保證。

本文依托某高鐵特大橋工程通過數(shù)值模擬求解出高鐵橋梁支座更換時(shí)的千斤頂選擇和布置方案以及更換過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支座反力及撓度的變化規(guī)律，為高鐵橋梁支座更換同步頂升監(jiān)控提供控制理論數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)類似工程提供指導(dǎo)及參考。

1.有建立限元模型

高鐵橋梁結(jié)構(gòu)的主要組成部分包括： 31.5m 預(yù)應(yīng)力箱梁、鋼軌、扣件、軌枕、道床板、支承層等，相應(yīng)的計(jì)算模型如下圖：

根據(jù)某設(shè)計(jì)確定箱梁界面形式，橋梁及上部軌道結(jié)構(gòu)的材料均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系;橋梁、支承層、道床板均采用Solid65實(shí)體單元模擬，各單元之間通過共節(jié)點(diǎn)連接;預(yù)應(yīng)力筋采用Link8 單元模擬;鋼軌采用Beam188單元模擬;扣件采用Combin14和Combin39單元模擬。橋梁固定端上方的底座板與梁體之間的剪力槽通過耦合節(jié)點(diǎn)之間的三個(gè)方向自由度進(jìn)行精確模擬，并通過對(duì)約束處施加強(qiáng)制位移來模擬實(shí)際頂升過程。

2.橋梁千斤頂布置數(shù)值分析

2.1千斤頂選擇

（1）橋梁-軌道重量計(jì)算

某橋梁（簡支梁）雙塊式無砟軌道設(shè)備重量為3.489～4.035（t/線/m）、本設(shè)計(jì)為方便施工將直、曲線合并設(shè)計(jì)，采用的橋面二期恒載為：整體式聲屏障按158kN/m;欄桿、插板式聲屏障按136kN/m計(jì)算。

（2）千斤頂數(shù)量計(jì)算

由于墩頂作業(yè)空間小，頂升作業(yè)是在橋梁運(yùn)行空窗期，橋上不允許列車通行，故千斤頂主要承受橋梁-軌道結(jié)構(gòu)自重和二期恒載之和。綜合考慮各種不利因素的影響，可計(jì)入1.2倍以上的增大系數(shù)比較適合。

通過計(jì)算可知，千斤頂需要頂升的總重量為：1323.8×1.2=1588.56T≈1600T;

千斤頂噸位：1600T÷4=400T（理論選4個(gè)千斤頂即可）

綜上，因本工程采用了12臺(tái)千斤頂（200t），可提供2400T的頂升力，安全儲(chǔ)備系數(shù)達(dá)到了1.72，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足施工需求。

2.2千斤頂布置

臨時(shí)支撐及千斤頂布置圖如圖所示。臨時(shí)支撐采用鋼墊塊臨時(shí)支撐，由槽鋼焊接而成。

本工程采用12臺(tái)200T液壓自鎖千斤頂，千斤頂?shù)陌惭b采用汽車吊機(jī)+手拉葫蘆結(jié)合方式安放至設(shè)計(jì)位置。由于墩頂作業(yè)空間小，設(shè)備數(shù)量多、體積大，故千斤頂采用對(duì)稱布置的原則，首先在墩頂應(yīng)力分布鋼板上將千斤頂及臨時(shí)支撐的擺放位置放線標(biāo)記，有利于實(shí)際施工布置。具體布置方式采用直線布置或品字形布置，如下圖。

2.3千斤頂布置數(shù)值計(jì)算分析

本次支座更換過程將在同一橋墩上的四個(gè)盆式橡膠支座附近采用直線式和品字形布置千斤頂，數(shù)值仿真將在每個(gè)支座附近分別沿直線和品字形施加約束來模擬千斤頂直線式的布置。在采用千斤頂直線式和品字形布置完成后，此時(shí)將由千斤頂承擔(dān)在橋梁-軌道結(jié)構(gòu)自重作用下的支座反力，通過ANSYS有限元軟件分析結(jié)構(gòu)在自重作用下的受力情況，來判斷千斤頂布置方式的合理性。

1.直線式布置自重作用下主梁結(jié)果分析

本次模擬采用三跨簡支梁，可將中間跨簡支梁結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、支反力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）應(yīng)力分析

由應(yīng)力云圖與梁底順橋向及橫向應(yīng)力圖可知，最大拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在支座位置邊緣，個(gè)別區(qū)域大于C50混凝土軸心極限抗拉強(qiáng)度3.10MPa，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在數(shù)值模擬過程中支座處約束條件的失真和應(yīng)力集中造成的，由于實(shí)際中配置了縱向橫向鋼筋，本次模擬進(jìn)行了未配置鋼筋，所以不會(huì)對(duì)實(shí)際造成危險(xiǎn)。對(duì)于跨中位置，梁底最大拉應(yīng)力約為0.2MPa，小于3.10MPa，最大壓應(yīng)力約為3.3MPa，小于軸心極限抗壓強(qiáng)度33.5MPa。最大第一主拉應(yīng)力約為0.5MPa，也小于3.10MPa。梁頂主要承受壓應(yīng)力，均小于33.5MPa，第一主拉應(yīng)力約為0.75MPa，同樣小于3.10MPa。

（2）位移分析

根據(jù)位移云圖可知，在支座位置由于約束作用，基本不發(fā)生位移，自重作用下最大撓度出現(xiàn)在跨中位置，在直線布置千斤頂時(shí)豎向最大位移達(dá)到了約3.5mm。

（3）支反力分析

在自重作用下，各排支座數(shù)據(jù)如上表所示，由于本次采用等截面箱梁，本次模型的總重量包括整體梁重和二期恒載（軌道結(jié)構(gòu)），經(jīng)計(jì)算在1300T左右。

總重量=（6711+6852）÷10=1356.3T;通過支反力推算出質(zhì)量大約在1356.3T左右，基本符合。

2.品字形布置自重作用下主梁結(jié)果分析

對(duì)部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)施加約束，模擬品字形千斤頂布置。

（1）應(yīng)力分析

由應(yīng)力云圖與梁底順橋向及橫向應(yīng)力圖可知，最大拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在支座位置邊緣，個(gè)別區(qū)域大于C50混凝土軸心極限抗拉強(qiáng)度3.10MPa，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是在數(shù)值模擬過程中支座處約束條件的失真和應(yīng)力集中造成的，由于實(shí)際中配置了縱向橫向鋼筋，本次模擬進(jìn)行了未配置鋼筋，所以不會(huì)對(duì)實(shí)際造成危險(xiǎn)。對(duì)于跨中位置，梁底均處于受壓狀態(tài)，由于預(yù)應(yīng)力的存在，最小壓應(yīng)力約為0.3MPa，最大壓應(yīng)力約為2.75MPa，小于軸心極限抗壓強(qiáng)度33.5MPa。最大第一主拉應(yīng)力約為0.5MPa，也小于3.10MPa。梁頂主要承受壓應(yīng)力，均小于33.5MPa，第一主拉應(yīng)力約為0. 5MPa，同樣小于3.10MPa。

（2）位移分析

根據(jù)位移云圖可知，在支座位置由于約束作用，基本不發(fā)生位移，自重作用下最大撓度出現(xiàn)在跨中位置，在直線布置千斤頂時(shí)豎向最大位移達(dá)到了約1.4mm。

（3）支反力分析

在自重作用下，與直線式布置一致。

3結(jié)語

通過對(duì)兩種千斤頂布置方式在自重情況下的模擬計(jì)算，結(jié)構(gòu)主要承受壓應(yīng)力，其中直線式布置，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在支點(diǎn)位置及跨中底面，不考慮約束條件的失真和應(yīng)力集中導(dǎo)致的支座處應(yīng)力奇異，梁底順橋向最大拉應(yīng)力為0.2MPa，最大壓應(yīng)力約為3.3MPa，最大第一主拉應(yīng)力約為0.75MPa，最大豎向位移3.5mm;

品字形布置，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在支點(diǎn)位置及跨中底面，同樣不考慮約束條件的失真和應(yīng)力集中導(dǎo)致的支座處應(yīng)力奇異，最大壓應(yīng)力約2.75MPa，最大豎向位移約1.5mm。

綜上分析，最終采用千斤頂品字形布置方案進(jìn)行施工，順利完成橋梁頂升更換支座施工，工后各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

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作者簡介：

王東利（1970-），男，河北圍場縣人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闃蛄汗こ獭?/p>

基金項(xiàng)目：

中國中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（重大專項(xiàng)課題，編號(hào)：2020-專項(xiàng)-02）