簡支變連續梁橋支座更換頂升方案對比及受力分析★

白杜娟

(陜西凱達公路橋梁工程建設有限公司，陜西西安 710068)

隨著我國基礎建設規模的不斷擴大，高速公路建設總里程亦不斷增加，先簡支后連續的預應力混凝土小箱梁橋得到大范圍應用。該橋型除了具有良好的整體性、高剛度、高抗扭性、可靠的橫向連接、良好的結構耐久性等特點外，還能夠適當降低梁高。橋梁支座是橋梁上部結構和下部結構的具有連接功能的結構部件，支座失效將會導致連續梁的梁體內產生的內力重分布，不能滿足結構正常的工作狀態的受力要求，從而影響橋梁結構的安全性。通過對支座的破壞形式的分析，得出引起支座失效的主要原因如下:

1)支座原材料存在質量問題;2)超載車輛對支座的破壞;3)未控制好支座墊石施工時的質量;4)梁頂板和底板在受彎和溫度作用下導致縱橫向應力分布不均。

橋梁支座在橋梁結構受力體系中具有承上啟下的重要作用，因此當支座發生病害導致支座失效時應當對橋梁支座進行更換，而更換支座應當不改變橋梁結構原有的受力狀態。橋梁結構的性能受到支座更換方案的影響，故更換方案應該與橋型相適應?，F今對于由多片小箱梁組成的先簡支后連續橋梁這一種新型橋型的支座更換的研究匱乏。因此，本文通過對重慶九谷沖大橋的支座更換來研究兩種不同方案對結構性能的影響，對比選出較為合適方案，為以后同類型橋梁支座頂升更換提供參考價值。

1 工程依托

九谷沖大橋位于重慶繞城高速南段，按左右幅設計，中心樁號為K100+141，右幅中心樁號為K100+326。橋梁全長249.52 m，跨徑總長:240.00 m，跨徑組合為:2×(4×30.0 m);單幅橋面采用16.75m 寬度，采用0.5m(護欄)+15.75m(行車道)+0.5 m(護欄)的橫向布置。

上部結構:采用先簡支后連續小箱梁;板式橡膠支座。

下部結構:橋墩為雙樁柱式、基礎為樁基，橋臺為U型橋臺、基礎為擴大基礎。

九谷沖大橋立面圖布置圖及施工現場分別見圖1～圖3。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖2 九谷沖大橋立面

圖3 九谷沖大橋橋面

2 支座更換頂升方案

根據九谷沖大橋定期檢測報告，該橋支座病害主要表現為以下幾種類型:

1)支座脫空;2)支座異常變形;3)支座開裂;4)支座老化;5)箱梁底面不平整;6)支座上部局部呈現出深度壓痕。支座上述病害已經嚴重影響了橋梁結構的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，通過評審會專家論證一致同意采用全橋更換支座的處理方案。根據支座頂升數量和頂升方式的不同，九谷沖大橋支座更換主要分為支座更換整體頂升和支座更換局部頂升兩種方案。

2.1 支座更換整體頂升方案

一般而言，支座更換整體頂升施工流程如下:首先將橋梁整體頂升到達設計高度，箱梁的頂升行程以2 mm作一個行程運行，逐級逐漸頂升，相鄰墩臺之間行程差控制在不超過4 mm的范圍內(經過計算分析，當相鄰墩臺間行程差超過5 mm時，這將會導致小箱梁的主梁在橋墩頂部位置開裂的現象)。箱梁頂升達到8 mm高度處(高度8mm是舊支座拆除新支座安裝的最小高度);取出支座，搭設臨時固定支架;安裝更換新支座;在所有的支座安裝完成后，拆除所有的臨時固定支架;落架梁體:更換新支座，然后，梁體以與頂升梁相反的順序連續下落。

九谷沖大橋支座更換整體頂升方案具體分為頂梁階段與落梁階段，其具體操作流程如下:

頂梁階段:

1)4號墩頂升到達8 mm高度處，3號墩頂升到達4 mm高度處，將4號臺已損壞支座拆除;

2)在4號墩位置臨時固定支撐，3號墩頂升到達8 mm高度處，2號墩頂升到達4 mm高度處，將3號墩已損壞支座拆除。

3)在3號墩位置設置臨時固定支撐，2號墩頂升到達8 mm高度處，1號墩頂升到達4 mm高度處，將2號墩已損壞支座拆除。

4)在2號墩位置設置臨時固定支撐，1號墩頂升到達8 mm高度處，0號臺頂升到達8 mm高度處，對1號墩、0號臺已損壞支座拆除，并依此對所有橋梁墩臺進行新支座的安裝。

落梁階段:

1)0號臺直接降落8 mm至支座完全受力，1號墩先降落4 mm;

2)1號墩再降落4 mm至支座完全受力，2號墩先降落4 mm;

3)2號墩再降落4 mm至支座完全受力，3號墩先降落4 mm;

4)3號墩再降落4 mm至支座完全受力，4號墩直接降落8 mm至支座完全受力。

2.2 支座更換局部頂升方案

支座更換局部頂升方案與支座更換整體頂升方案施工過程不同:局部頂升方案是指將支座頂升至設計高程之后更換支座，并且在更換完成后落座，并依此在其他支座上執行相同的操作，并不需要全橋頂升到位后同時執行對支座的。箱梁的局部頂升和落架梁體的行程與整體頂升行程一致(按2 mm的單元行程運行，逐級控制頂升，控制相鄰墩臺間行程差異差不超過4 mm)。

關于局部頂升方案的具體施工順序設置為:

1)將4號墩主梁頂升到達8 mm高度，3號墩頂升到達4 mm高度，將4號墩支座更換完成后降落4 mm高度;

2)3號墩再次從4 mm高度頂升達到8 mm高度，2號墩頂升達到4 mm高度，將3號墩的支座更換完成后降落4 mm高度，同時4號臺再次降落4 mm高度;

3)2號墩再次從4 mm高度頂升達到8 mm高度，1號墩頂升達到4 mm高度，將2號墩的支座更換完成后降落4 mm高度，同時3號臺再次降落4 mm高度;

4)1號墩再次從4 mm高度頂升達到8 mm高度，0號臺主梁直接頂升達到8 mm高度，將1號墩及0號臺支座更換完成后全部降落8 mm高度，最終完成全聯支座更換。

3 有限元仿真模擬

本文運用有限元軟件MIDAS/Civil建立關于全聯整體空間的有限元模型(如圖4所示)，通過預先設定每個施工階段進行數值模擬及仿真分析。采用梁格法對橋梁上部結構進行建模，按照實際的工程概況對有限元模型的縱坡、橫坡以及邊界條件進行設置。模型中不考慮0號橋臺的不均勻沉降，同時支座通過彈性連接的方式進行模擬。按照支座頂升方案，九谷沖大橋支座更換整體頂升和支座更換局部頂升分別建立八個施工階段，其詳細施工步驟如表1所示。

圖4 M IDAS/Civil有限元模型圖

表1 施工階段劃分

4 計算分析

通過運用MIDAS/Civil建立的有限元模型中對各個施工階段進行數值模擬，分別得出關于整體頂升方案與局部頂升方案的各墩臺頂剪力值(如表2，表3所示)。

表2 關于整體頂升方案中各墩(臺)頂剪力 kN

表3 關于局部頂升方案中各墩(臺)頂剪力 kN

為了更加直觀地表示九谷沖大橋整體頂升方案與局部頂升方案對應的結構受力變化情況，將0號～4號橋墩/臺處隨施工階段的進行受力變化幅度最大梁片對應墩頂剪力、跨中彎矩以及墩頂彎矩值與CS0初始狀態比值如圖5～圖7所示。

圖5 墩頂剪力變化幅值

圖6 跨中彎矩變化幅值

圖7 墩頂彎矩變化幅值

根據表2，表3以及圖5～圖7可知:

1)整體頂升方案與局部頂升方案均會對小箱梁墩頂和跨中處彎矩產生較大影響，而對墩頂剪力影響程度較小。

2)對于支座更換整體頂升方案，在CS7中的1號墩墩頂處的墩頂剪力最大，相較于頂升前提高了0.22%;墩頂處的墩頂彎矩變化幅值最大發生在3號墩，為2.93%;變化幅值最大，提高了6.98%。

3)對于支座更換局部頂升方案，在CS5中的2號墩墩頂處的墩頂剪力最大，相較于頂升前提高了0.40%;3號墩墩頂處的墩頂彎矩最大，相較于頂升前提高了6.10%;第二跨梁片跨中彎矩最大，相較于頂升前提高了11.55%。

通過上述分析可以得出各個墩臺的支座頂升最大限值設為8 mm是合理的，同時整體頂升方案在墩頂剪力、跨中彎矩和墩頂彎矩變化幅值方面相比局部頂升受力更合理。

5 結語

為了選擇簡支變連續梁橋支座更換頂升合理方案并且研究頂升施工過程結構受力狀況，本文以九谷沖大橋4×30.0 m支座頂升更換為工程依托，詳細介紹了支座更換整體頂升方案和支座更換局部頂升方案，基于有限元軟件MIDAS/Civil建立關于全聯整體空間的有限元模型對頂升過程墩頂剪力、跨中彎矩和墩頂彎矩等進行了對比分析。研究結果表明:

1)各墩臺支座頂升最大行程宜取8 mm，此時能夠滿足支座更換的空間要求和結構受力要求;

2)從結構受力角度分析，在兩種頂升方案中，整體頂升方案的墩頂彎矩、剪力及跨中彎矩方面變化小于局部頂升方案，通過比較發現整體頂升方案更具有優勢。

3)雖然在兩種方案中小箱梁的墩頂及跨中彎矩在頂升過程中增加較多，但只要控制載荷不超過橋梁的頂升限值，該橋并不會出現裂縫，該橋結構上是安全的。

九谷沖大橋支座更換整體頂升方案的順利實施可為同類型橋梁順利更換支座提供參考意義。