连续梁桥桥墩纠偏的顶推受力分析

连续梁桥桥墩纠偏的顶推受力分析

该梁桥位于中国，具有成熟的施工技术和舒适的行驶方式。连续梁桥在使用过程中会出现主梁下挠、预应力损失、梁体开裂、主梁及桥墩偏位等病害。其中，桥墩的过量偏位是其中危害较大的一种病害，直接危及到桥梁的安全。因为过大的桥墩水平位移（包括桥墩的纵向与横向偏位）容易导致桥墩混凝土开裂、桥墩稳定性降低等影响桥梁安全运营问题。过大的桥墩水平位移影响到桥梁的安全，需要通过安装顶升设备和施加顶推力实现桥墩纠偏。墩柱倾斜因为水平推力而产生，其复位只需施加一个反向的水平推力。为保证结构安全，推力应越小越好，只需要桥墩缓慢回位即可。施工过程为：将连续梁体顶升，解除桥墩顶面摩擦力，使其发生恢复性反弹，在梁体与支座之间设置新的滑动面，减小支座滑动面的摩擦系数，从而减小摩擦力，然后再给桥墩施加与倾斜方向相反的水平推力，实现墩柱的纠偏复位，使桩顶的偏位能够基本消除，并将这种状态保持。如果桥墩出现裂纹，则需要将裂缝注浆封闭，将桥墩外包混凝土加固。一般而言，为了节约支架成本和加快施工进度，在桥墩安全允许的前提下，可以将竖向顶升千斤顶放置在桥墩顶部来顶升主梁。在主梁顶升后，则在主梁底部安装纵向和横向复位千斤顶来纠偏。在上述施工过程中，梁体顶升是一个关键工序，涉及到主梁顶升的拉应力是否超标、桥墩的拉压应力是否满足要求、桥墩的稳定性是否满足规范要求和复位千斤顶与主梁的局部应力问题。1#桥墩倾斜变位某桥的上部桥跨设计为5×16m钢筋混凝土连续板桥，全长91m。其中第1、2跨位于圆曲线内，第3、4、5跨位于直线内，在圆曲线内桥面加宽1.4m，第3、4跨为加宽渐变段，最大超高值为8%，桥墩采用双柱式桥墩，柱中心间距5.4m，柱直径1.2m，桩基直径1.5m，墩柱轴线与桩基轴线重合。3#桥墩发生倾斜变位，现场检查发现，3#桥墩下游侧立柱顶面沿桥纵向侧偏位84.0cm，横向向下游侧偏位17.0cm。3#桥墩上游侧立柱顶面沿桥纵向侧偏位82.0cm，横向向下游侧偏位17.0cm，如图1所示。由于3#桥墩的偏位最大，且桥墩最高，而4#桥墩则相对较小，故分析时针对3#桥墩来开展计算。2防止主梁开裂为了保证梁体整体抬升，须将墩台各支座下多个千斤顶同步匀速缓慢顶升，采用位移辅助控制。整体顶升过程中相对位移不得超过2mm。整体顶升需按照步骤分阶段进行，每一顶升阶段中最大顶升位移不得超过2mm，相邻阶段间应留有一定的时间间隔，以供梁体逐步分散转移内力以及临时支撑的稳定，间隔时间至少应有30min以上，以防止主梁开裂。已有研究表明：将混凝土主梁顶升1.5cm不会使梁体开裂，由于该桥是运营了8年的板桥，所以其主梁顶升量按1cm控制，低于1cm的话则无法将移动滑板放置在桥墩与主梁之间。利用Ansys建立主梁的全桥实体模型，截面与约束等按实桥的情况进行建模分析，按实体单元进行建模。分析3#桥墩的主梁向上顶升1cm工况下的主梁受力。主梁混凝土材料为C30。计算结果表明：主梁向上顶升1cm后，除了3#桥墩处的主梁发生向上位移外，还会对相邻的桥墩产生影响（主要是2#和4#桥墩产生向上位移），使得其支承力减小，从而产生内力重分布，增大3#桥墩处顶推力。3#桥墩处的主梁的最大压应力值达到2.35MPa，出现在主梁的下缘，3#桥墩处的主梁的最大拉应力值达到1.64MPa，出现在主梁的上缘。虽然最大拉应力值小于抗拉强度标准值，但在顶升过程中应控制顶升速度，加强混凝土裂纹的观测，防止意外情况发生。3顶升力作用下的稳定性用实体单元Solid45建立3#桥墩的Ansys实体模型，分析主梁向上顶升1cm工况下的3#桥墩受力情况。按现场实测的3#桥墩线形数据来进行建模。施加在桥墩底部的顶升竖向力为：1.2×（3#桥墩处的支反力+顶升后相邻桥墩传来的力+施工临时设备的重量）。通过计算，3#桥墩处主梁的顶升力按331t考虑，桥墩顶部共计7个千斤顶。按最不利工况考虑，此时墩顶没有顶推恢复力。分析工况为同时考虑桥墩自重和墩顶主梁的顶升时产生的竖向力（331t）。为了减小墩顶主梁顶升时产生的竖向力对桥墩根部产生的弯矩值，可以将顶升千斤顶不放置在墩柱顶部截面的中心线上，而是放置在靠近2#桥墩的那一侧，以减小偏心距。在顶升力的作用下，墩顶发生2.6mm的竖向位移，1mm的横向位移和24.8mm纵向位移，墩顶的纵向变位有继续变大的趋势。如果将千斤顶放置在墩顶截面的中心线上，则会产生2.5mm的横向位移和41.6mm的纵向位移。在顶升力的作用下，3#桥墩将会产生0.82MPa的拉应力，位于3#墩的下游墩柱的中间；3#桥墩将会产生4.39MPa的压应力，位于3#墩的下游墩柱与横梁的交界处。对比计算发现，减小顶升力对桥墩根部的偏心距，会减小墩顶产生的位移和主拉应力。由于顶升的7个千斤顶除了在墩顶布置2个外，其余5个布置在墩顶横梁上，因此需要重点分析3#桥墩顶部横梁的变形与拉应力情况。在竖向千斤顶的作用下，千斤顶下的局部拉应力达到0.78MPa，横梁底部的最大拉应力达到0.72MPa；千斤顶下的局部压应力达到2.31MPa，均满足规范要求。为了与实体单元对比，用Beam188单元建立了3#桥墩的梁单元模型，分析在顶升力作用下的稳定性，梁单元模型的两种工况的计算结果与实际单元的计算结果相比，竖向位移与横向位移的结果都相差不大，纵向位移相差5mm，总的来说区别不大，结果是一致的。在梁单元模型的分析结果中，桥墩的最大纵向弯矩位于墩的底部，大小为1.13×106N·m，而横向弯矩与扭矩的数值很小，可以忽略不计。桥墩作为压弯结构，其顶推过程中的稳定问题是至关重要的。在顶升力的作用下，3#桥墩的第一阶稳定系数为10.777，失稳模态是纵向弯曲失稳，满足规范大于4的要求。4顶升千斤顶的推高结合连续梁桥顶推纠偏的实际情况，利用Ansys分析了在桥墩顶部布置千斤顶来实现主梁顶升的关键工序，分析了多种工况，得到了以下结论：(1）考虑了3#桥墩的纵桥向偏位与横桥向偏位，使计算结果更接近实际情况，在顶升力和自重的作用下，墩顶将会增大竖向、横向和纵向位移，其中墩顶的纵向位移变大最为明显。将千斤顶在靠近2#桥墩的那一侧，以减小偏心距，可以减小墩顶主梁顶升时产生的竖向力对桥墩根部产生的弯矩值和墩顶产生的位移值。桥墩的梁单元模型的计算结果与实际单元的计算结果相比，差别不大。(2）桥墩作为压弯结构，其顶推过程中的稳定问题是至关重要的。在自重与顶推力作用下的稳定系数大于10，满