三跨连续梁桥整体抬升原文翻译解读

1、三跨连续梁桥整体抬升Changjie Xu; Lige Xu; and Jian Zhou摘要一座三跨连续梁桥必须整体抬升 3 米以满足增长的通行能力需求。 本文主要 介绍了抬升系统机械装置、 施工过程以及桥梁抬升监测。 为了确定施工过程中的 控制阈值和保证一系列提升的安全性， 我们建立了一个三维有限元模型来分析桥 的应变和应力分布特性。 在多次分析下， 这三跨连续梁桥成功地被抬升。 本工程 采用的设计和施工方法为相似的工程项目提供了十分有用的借鉴。关键词： 连续梁桥；整体抬升；有限元分析；监测1 基本介绍随着中国经济的快速发展， 交通基础设施的需求量日益增加。 例如通航等级 必须提高以保证越

2、来越大的船只顺利通行， 主要原因是桥梁在运营期间的过度沉 降。必要的升级包括对桥梁支座的替换和对由自然灾害引起的桥梁位移的调整。 这些问题需要通过增加或减小已存在桥梁的净空来调整。通常，桥梁的拆除和重建是在同一个地方。 这个方法相当于建造一个新的桥 梁，但并没有后者所造成的时间和金钱的浪费， 也不会严重影响交通。 随着这种 新型整体控制抬升的技术出现， 一大批简支梁桥和连续梁桥可以不用通过重建就 能满足功能上的要求。这种技术能创造大量的经济和社会效益。 在 1983年，Ramey 开发了一种桥梁抬升和监测系统， 均匀的提升了一座四跨连续钢筋混凝土桥面以 及四片钢筋混凝土梁桥。 在不改变上部结构

3、的情况下， 这项技术能在最短的施工 时间内完成调整工作， 而且花费只有拆除重建的三分之一或更少。 大型液压均匀 抬升大型部件的系统是一个新的安装技术， 与传统的抬升方法不同， 这种方法采 用刚性支柱、聚合升降机、水力原理、计算机控制系统和现代施工方法。这个系 统能抬升数吨的结构部件至目前的高度然后安装， 能通过长时间的空中滞留和微 调控制部件的运动和应力分布。 在结构工程领域， 整体抬升技术首次应用到一座 房子再到建筑物的水平移位。 在桥梁工程领域， 这种方法最开始应用在桥梁建造 过程中，如法国的米劳大桥。其他的学者也调查了简支梁桥的抬升问题。然而， 在连续梁桥抬升问题的研究一直非常局限， 没

4、有任何一种相关的统一的技术标准 存在。在当前的工程实践中， 对运用到桥梁的抬升技术的可行性研究与其他工程 领域是并行的。 桥梁抬升的主要风险是对千斤顶高差的控制， 一旦高差超过报警 值时，结构将被破坏。尤其注意的是，连续梁桥是静不定的，必须预测在抬升的 过程中各种现象的出现。另一个风险是，桥可在水平方向上失去稳定性或移动。 因此，必须准备一个恰当的反馈。希望本研究能够为类似工程提供相应的指导。 2 工程背景常沪深线路是连接上海市和浙江省的重要交通动脉。 由于经济的发展， 航运 压力不断增加， 大型船舶无法通过现有的桥的净空。 因此， 负责航运的部门决定 根据内河通航标准将线路标准从 IV 级提

5、高到 III 级，因此桥梁净空的高度需要 提高 3米。然而，考虑到线路大多数桥梁是根据 IV 级设计，必须确定修改这些桥梁的快速、经济的解决方案。 三跨连续梁桥是这条线路上典型的桥型，难以改造。那座桥在 1997 年施工 完成，总长 36+60+36 米（图 1、2）。其结构由预应力混凝土变截面箱梁构成， 墩顶截面高度是 3.5 米，两端和跨中截面 1.6 米。箱体的顶板厚度为 0.25 米， 底板厚 0.3 米，腹板厚是 0.5 米。桥面由 2 米宽的人行道和 16米宽的行车道组 成。桥面横坡为 1.5%，纵坡为 2.5%。该桥梁下部结构为柱式桥墩、承台和桩基 础构成。图 1：桥梁立面图（单

6、位： CM）3 抬升系统介绍由于设备的局限性和负荷分布不均匀， 传统抬升技术无法消除附加应力， 可 能会导致结构破坏。 雷米开发了一种针对于混凝土连续梁桥的抬升监测系统。 在 上层建筑下方是千斤顶和挠度传感器。电缆连接传感器（变形和 / 或应力）至记 录仪，再依次连接到运行控制系统或计算机。 控制系统将接收由安装在每组液压 缸附近的传感器传出的包含位移和应力的信号。 这些被记录的数据将与混凝土应 力计算的微分位移限值比较。 分流器用于缓和液压系统对千斤顶的压力变化。 运 行控制系统随后指示油控制阀确定多少油流入每个气缸。 这样，本系统将能在整 个过程自动根据负荷分布完全同步地调节气缸压力。 这

7、个过程称为一个闭环反馈 系统。应用于本项目的可编程逻辑控制器（ PLC）整体提高系统是一种先进的升降 系统，结合了液压压力和位移控制。 系统采用双闭环压力和位置控制。 准确地计 算了桥梁的重量的同时对液压千斤顶分组。 提升过程中， 传感器闭合回路根据附 加应力减少的分布形成。本系统的同步精度为 2 mm。图 2: 抬升操作之前的桥形状4 有限元分析 这座桥是三跨连续预应力混凝土变截面箱梁桥。 结构是超静定， 对差动位移 引起的位移比较敏感。吊装过程中的高差会导致附加应力。本文中，使用 ANSYS 分析抬升过程中高程差的负面影响。 根据混凝土强度标准， 获取了材料允许的最 大高程差，理论数据施工

8、监测提供在建模的过程中， SHELL63单元来模拟顶板、底板箱梁腹板。 link8 杆单元 模拟预应力钢绞线。 在计算中， 在顶部的第一个墩轴承是固定支座， 而其余的是 滑动支座。桥的三维有限元模型如图 3 所示。图 3：桥的三维有限元模型通过模拟三跨连续梁桥墩抬升过程和分析可能的高程差， 得到八个可能的条 件，如图 4 所示。强迫位移用于相应的桥墩，并使用混凝土极限强度为指标。应 力等值线的最大应力超过混凝土的强度。 最后，在每个条件允许的情况下得到最 大高差。图 4：所有可能的操作模式（箭头代表比较大的位移） 目前中国判断极限应力的标准常采用两种： 材料强度和名义强度。 该桥箱梁 采用 C

9、50 混凝土，其抗拉强度为 2.45 MPa，抗压强度为 28.5 MPa 。标称拉应力 使混凝土产生了 0.2 毫米的裂缝， 充分暴露了材料的性能。 这个值可通过实验确 定， C50混凝土标称拉应力为 3.2 MPa。混凝土强度主要取决于标称拉应力。通 过有限元分析， 得到了一个由恒载和预应力引起的应力值控制部分， 即桥梁吊装 前的初始应力条件。 在这一部分应扣除总的允许应力满足要求， 那就是， 通过抬 升引起的上肢的最大拉应力不能超过 1.30 兆帕，下肢拉应力应小于 1.27 MPa。 从理论上讲，只要在升降过程中的应力增量小于允许值， 结构的安全是有保证的。 通过分析，相应的最大高差允

10、许每个条件如表 1 所示。表 1 ：每个条件允许高差（单位： mm）操作条件材料强度决定的高差允许值名义强度决定的高差允许值总结以上的分析， 如果材料强度值作为判断标准， 由设计者提出的 5 毫米的 门槛高差值对于大多数条件非常大。 在抬升过程中， 混凝土箱梁十分容易出现局 部裂缝。相反， 采用混凝土名义拉应力作为判断值是安全的， 并能充分利用钢筋 与混凝土协同工作的特性。 虽然允许混凝土产生一定宽度的裂缝不影响结构的安 全性，但是在施工过程中必须加强监测， 以保证桥梁的安全。 如果突然发生变化， 或应力非常大，应立即停止进行抬升过程并确定导致这一情况的原因。4 施工过程主要建设任务是根据图

11、5 所示的流程执行。具体的工作将在后续的小节详细 介绍。阻断交通，清理现场，清除伸缩缝解除墩帽，上下系梁浇筑安装桥梁抬升支撑系统安装抬升限位装置安装千斤顶和调试保持千斤顶的压力，截断柱子缓慢抬升，每次 10CM，共抬升 3M延长柱子拆除千斤顶和起重设备，凿开上 / 下系梁，重建桥面系和恢复交通图 5：执行进程4.1 浇筑系梁 桥的边墩有坚固的墩帽， 因此， 千斤顶可以依靠盖帽和上横梁。 浇筑在桥墩 周围的上梁叫上系梁。然而，中墩没有墩帽。因此，系梁需要浇筑在桥墩的顶部 和底部，千斤顶和钢支撑然后放在这些梁上。 对现浇钢筋混凝土梁桥墩系梁， 既 有系梁可用于横向。 垂直方向，支架必须设置， 混凝

12、土可以在现场浇筑在该支架 上。在浇筑混凝土之前，墩顶面与横梁之间的摩擦力必须得到改进（图6）。图 6：系梁施工： （ a）铸造上 / 下系梁；（b）提高桥墩的表面摩擦4.2 千斤顶和支承结构的分布根据计算，桥的重量是 5600吨，每个千斤顶的最大承载能力是 200 吨。出 于安全考虑，10个千斤顶放置在中间墩柱两侧的对称位置， 如图 7和图 8。因此， 总共 40个千斤顶安装在墩 1和墩 2，在墩 0和墩 3，分别放置 16台千斤顶。全 桥共需 72 个千斤顶，一共提供 14400吨抬升能力。每个千斤顶必须安装在向下的方向。千斤顶的底部需要固定在钢板上，然后固定在盖梁上系梁。因此，千斤 顶也要

13、随着盖梁和上系梁的逐渐升高而逐渐升高。 根据液压控制系统的工作原理， 为了控制方便同一墩周围的千斤顶分为一组。 每个组都配有光栅尺，它是固定在 桥墩上为了监测抬升状态。在中央控制室的 PLC控制系统根据应力和位移信号调 节整个过程。千斤顶分布在各墩同步升降桥面系统， 它已经从底座分离。上层建 筑将在控制位移的装置的控制下实现设计水平。图 7：中墩的千斤顶和支撑分布图 8：边墩的千斤顶和支撑分布跟踪装置被设置在每个千斤顶的位置。 它是有一个机械元件，对于液压千斤 顶后续的延伸很重要。一方面，该装置能防止上层建筑突然下降， 液压故障可能 发生在高压线或千斤顶本身。另一方面，它能保证不断提高时，千斤

14、顶每一次的 抬升高度小于设计要求。支架系统设置在上系梁的底部（图 9）。该系统由分配梁、梁柱箍筋、支撑 杆和连接杆组成。支撑杆的主体是由 16根精钢杆组成。钢管支架的底部用螺栓 连接到墩帽或下横梁。在两钢管支撑之间设有连接杆。角钢杆作为拉杆或连接这 些钢管支撑的桥梁，形成稳定的结构，千斤顶位于上方并用螺栓挂在横梁上。 柱 子的箍筋有助于固定千斤顶和限制位移。图 9：: 边墩的支架结构4.3 限制系统为了防止提高过程中上部结构的水平位移，必须建立钢限制系统（图8）。这种钢框架，它是由一个焊接角钢构成，安装在边墩上。角钢的尺寸是 L180 12。限位装置连接下系梁，通过预埋件作为一个单一的实体。限

15、位装置和上系梁 侧面之间的间隙控制在 5 毫米之内。因此，如果在桥升降过程中任何横向超过 5 毫米的位移发生，这样的位移可以通过限制系统终止。4.4 截断桥墩一种新的无振动的钻石链用来截断桥墩 （图 10）。这种切割设备具有体积小、 切割能力强、无灰尘、无噪音、切口光滑的优势特征，并可在切割过程中通过水 冷却。钻石链具有很好的灵活性， 只需在桥墩后方的一个小空间。 切割链在连接 处形成一个闭环，包裹着导向轮。当轮高速旋转时，该柱可以迅速切断。图 10：墩切割原理4.5 桥墩的扩展和强化桥墩在桥提高了 3 米后必须进行扩展。 在浇筑时采用相同数量的垂直主夹具 和马镫，规格与原墩一样。 新的纵向主

16、筋和暴露在桥墩两端的主筋可用挤压套筒 链接（图 11）。图 11 ：桥墩的扩展和强化这种连接方式使钢满足防止钢筋不能交错的相关标准要求。 在完成连接钢筋 后，混凝土可开始浇筑。 抬升系统、支架系统和系梁可在 28 天的养护期后拆除， 确保现浇混凝土达到设计强度。最后，重建伸缩缝和支座，从而使交通恢复。如 图 12 所示，抬升项目顺利完成。图 12 ：经过抬升操作后的桥5 施工监测监测的基本要求就是确保项目安全。 因此，桥的挠度和内力应该满足吊装过程的设计要求。 为了达到这两个目标， 对施工过程的有效控制是必要的， 必须避 免意想不到的极端事件发生。 准确的测试可以反映荷载作用下结构的应力状态以

17、 及有利于早期预测和调整。光栅尺作为监控系统，其精度为0.01mm，可以保证数据的精确度。监测的重点包括位移和应力。5.1 位移监测桥梁需要整体抬升 3 米。在这个项目中，抬升分步进行，每此 10 厘米，一 天最多抬升 30厘米。共抬升了 30次（图 13）。图 13：抬升过程中桥（ a ）边墩（ b ）中墩 在施工过程中位移监测的目的有二： 为了保证箱同步变形和保证桥面高度符 合提升后的设计值。选取横截面上桥墩作为监测断面。每一次的抬升后， 8 个测 量点的高程差在符合精度的条件下被监测。每一步的同步误差必须小于 3 毫米。 根据基于名义拉应力的理论计算， 累积出同步的高差必须控制在 5 毫

18、米。光栅布 置如图 14，位移监测结果见表 2。图 14：位移监测中的光栅布置点 表 2 ：位移监测结果（单位： mm）高程监测之前，确定初始仰角。 最低的墩作为起吊前的高程数据和记录其他 点的相对高程。 抬升过程结束后桥面标高为表 2所示。该表显示， 实际标高与设 计标高之差小于 20 毫米，符合监测方案的要求。通过监测，抬升过程结束后对 墩顶高程差的积累可保证在理论要求范围内。如表中所示， 0到 3号墩的抬升误 差分别为 7.0 毫米、 4.6 毫米、 7.6 毫米和 9.1 毫米，确定了测定值之间的最大 差值。因此，桥的实际累计最大高差是 4.5 毫米，非常接近 5 毫米的监测计划要 求

19、。5.2 应力监测 桥的应力监测是核查施工过程安全最直接的手段。据分析，当截面差小于 5 mm时，最大内力截面位于桥墩上。然而，应力分布方向不明。为了获得更好的 监测结果，墩顶梁两侧位置约 50 厘米外的截面为监测断面。应力监测断面和测 点位置如图 15 所示。图 15：应力监测断面和测点的位置选择 bx120-100aa 式应变计监测混凝土应力。 混凝土的应力监测的一个问题 是，在应变片键合线的差距是容易水分积累，导致不稳定、不稳定的读数。为了 解决这个问题， 安装在金属载体的应变仪包裹着防水布。 这个组件安装在混凝土 表面测试混凝土应变， 选择了有足够的胶结强度和性能慢性胶水， 同时选择耐

20、用 的铅材料。因此安装具有良好的长期稳定性。每一步抬升工序后， 确定了相应的应力值。 根据要求， 上肢的最大拉应力不 超过 1.30 MPa，下肢的拉应力应小于 1.27 MPa。在提高过程中的应力变化如图 16 所示。在本文中，只列举了 A2部分。图 16 表明，沿截面上缘的应力值均在警戒值范围。沿截面下缘的应力值略 大一些，但没有损伤结构。这种情况可能是由温度、测量误差、安全边际或是没 有考虑到的其他因素引起的。 另一个结论是， 在相同或对称位置测点的应力是不 相似或对称的。 这种情况可能是因为桥很宽， 导致提高了高度后左和右不完全一 致，且上层建筑两侧原有的应力是不完全对称的。然而，与纵

21、向比较，横向不同 步的高程差不影响桥梁安全， 因为数值是微不足道的。 当一个值太大时， 抬升计 划将立即调整。 监测数据没有表现出明显的规律性， 因为这些数据是基于抬升过 程中最危险截面的应力变化响应的。 在施工中， 抬升、监测和反馈和抬升调整这 一循环工序的目的是确保每次抬升操作后各测点的最大应力值小于警戒值。 然而， 每次抬升是不确定的， 这样整体上， 数据没有规律。 如果数据有一个特定的发展 趋势预示着结构有不安全隐患。 整个抬升过程中， 桥上并没有表现出任何新的缺 陷，如裂纹，且应力控制满足监控计划的要求。图 16: 抬升过程中沿截面 A2压力值的变化： （ a）上边缘；（ b）下边缘6 总结1. 这个抬升项目的预算是 997 万元，包括主体建设成本 640 万，357 万用 于道路连接、监测和其他。与拆除和重建的桥梁相比，该项目节省约 350 万元， 缩短工期约 20 个月。该项目的顺利完成为沿河流桥梁的改造提供了新的见解。 本文主要从案例分析的角度编写， 涉及了详细的抬升法的步骤， 包括有限元分析、 抬升准备、施工、应力监测，等等，最后介绍了最终的成果。2. 在桥的抬升过程，最大允许高差通常是由混凝土的强度决定。材料强度 和名义强度是两个常规标准。 混凝土材料的强度确定的容许值普遍偏小， 具有较 高的施