论文部分内容阅读
摘要：本文对拱桥顶升的可行性进行了初步探讨。以下承式系杆拱桥为例，对顶升时需要考虑的因素进行了分析，以求对以后类似桥梁改造提供有效的思路。文中重点应用ANSYS有限元软件对各种顶升方案进行了分析，得出了应力-误差规律，为方案必选和施工提供了可靠有力的依据。
关 键 词：拱桥 顶升 有限元分析 应力 监测
引言
近年来，在苏南地区，很多骨干航道现有大部分桥梁梁底中心标高过低(这些桥梁最初建成时能满足较低等级的通航要求)，已无法满足航道通航等级提高后的通航要求。这些桥梁大部分具有结构完整，功能完好等特点，部分桥梁体现了当时国内较先进的设计水平，但是这些桥梁由于建造时间比较长，已不能满足各骨干航道进一步建设发展的需要，特别是通航高度的不足更是如此。
通过分析比较及初步可行性论证后，建议将国际先进、国内已有初步工程应用的同步顶升技术应用到苏南骨干航道旧桥改造工程中，这样可在不损坏现有桥梁结构的基础上，采用同步顶升技术对桥梁进行顶升，以满足高等级通航净空的要求。
桥梁顶升施工技术在50年代开始用于铁路桥梁架设、移位和落梁。60年代，随着液压技术的快速发展,液压顶升技术开始用于整体屋面同步顶升。近年来顶升技术已经逐渐应用于桥梁与路桥等的加高技术之中，在国内该技术已有初步工程应用，典型工程应用主要包括：
天津狮子林桥、204国道盐城总渠公路桥、上海吴淞大桥北引桥、湖州屺风大桥、湖州南林大桥等，但目前尚无相关的技术规范可供参考，对顶升技术应用于桥梁等工程的可行性研究及相关的技术研究分析仍远远落后于工程实践。
1 有限元分析模型
在顶升可行性研究中选取下承式拱桥的某一具体桥梁进行结构计算和理论分析,对顶升过程中可能出现的各种工况下的结构应力应变进行分析，以对桥梁结构进行顶升的方案比选和可行性作出判断，同时为施工监测具体部位做参考。
实际顶升过程中可能会因为顶升过程中对结构产生附加应力，从而影响结构受力体系尤其是吊杆的拉力，所以建议在顶升过程结束后重新进行吊杆索力测试，对照测试结果进行调整。
下承式系杆拱桥多为单拱结构，整体结构属于静定结构，如采用整体顶升方式，则主要应分析其局部受力即顶升点附近位置的局部应力，采用ANSYS进行三维有限元分析。
1.1工程概况
本次分析所采用桥梁模型上部结构为预应力混凝土系杆拱＋预应力空心板，下部结构为柱式墩、钻孔桩配承台基础，桥台采用柱式台和桩基础。该桥主桥为下承式预应力混凝土系杆拱桥，总跨径55.38m，桥面宽度为2×0.5m(防撞墙宽)＋2×1m（系杆宽）+17m（机动车道宽）。拱肋轴线为二次抛物线，计算跨径为L为55.0m，计算矢高f为13.6m，矢跨比为1：5。主桥的系杆、拱肋、风撑、端横梁、中横梁采用C50混凝土，行车道板采用C40混凝土，板间铰缝采用C50钢纤维混凝土。吊杆采用内芯61Φ7mm的高强钢丝束的拉索，型号为OVMLZM(K)7-61 I型冷铸锚式吊杆。拱截面刚度EI=0.29×1020。
图2.1.1 桥梁主跨立面布置图
1.2 分析方法与工况
本次采用ANSYS进行建模，系杆拱桥作为上部静定结构，分析采用三维模型，顶升点设置在端横梁上，考虑顶升时误差的影响。
系杆拱桥从上部结构来看属于静定结构，外加位移不会产生附加应力。但从实体结构来看，顶升时有若干个顶升点以及限位装置，对其位移产生限制，若顶升时产生不均匀位移，则会在结构中产生附加内力；同时顶升时横梁和系杆的应变也会引起拉杆及拱肋受力的变化，从而产生附加内力。
桥梁顶升时不可避免会产生误差，而误差的允许阀值却鲜有研究。本部分同过使用ANSYS模拟同一截面各不同千斤顶的误差来分析系杆和拱的受力，通过误差逐渐增大的方式来观察轴力和弯矩的变化，最终得到误差的允许阀值。同时考虑桥面铺装结构的应力作为参照。
本桥梁顶升假定使用四个千斤顶，分别布置于端横梁上，并在每一工况中假定一千斤顶不工作，另一千斤顶以每次1mm竖向位移逐级顶升来模拟误差，直至产生的应力超过材料的强度极限。工况一为某一千斤顶产生误差的情况；工况二为对角千斤顶同时产生误差的情况。通过分析得出最不利工况后，以次工况中最薄弱受力处截面刚度作为判断值，以得到系杆拱桥整体顶升可行性标准。
1.3有限元模型与分析结果
图2.3.1 有限元分析模型（不含桥面结构）
分析模型中拱、系杆、横梁部分采用三维梁单元，拉杆采用杆单元，桥面铺装采用壳单元，截面信息在实常数中赋予。
工况一时结果如下图所示：
图2.3.3 工况一下桥梁轴力图（δ=14mm） 单位：KN
图2.3.6 工况一下桥梁变形图（δ=14mm） 单位：KN·m
工况二时结果如下图所示：
图2.3.8 工况二下桥梁轴力图（δ=10mm） 单位：KN
图2.3.11 工况一下桥梁变形图（δ=10mm） 单位：KN·m
2 数据总结与分析
以下为顶升时桥梁结构受力总结表，其中应力是由轴力换算得出，顶升最大误差由结构应力强度控制。
表3.1 桥梁结构受力表
力类型
误差值 轴力（KN） 应力（MPa） 弯矩
（KN·m） 剪力
（KN） 面板应力（MPa）
正 负 压 拉
工况一 12mm 23.40 -39.08 1.46 -2.44 -2282 247.64 -1.12
14mm 27.30 -45.59 1.71 -2.85 -2662 288.91 -1.31
工况二 9mm 16.25 -41.94 1.02 -2.62 -1655 237.56 -0.98
10mm 18.06 -46.59 1.13 -2.91 -1839 263.95 -1.10
由以上不均匀误差顶升引起的桥梁结构受力分析可以看出，在工况一情况下容许的误差在12mm，此时控制值是拉应力，发生在一侧拱脚附近；工况二情况下容许误差在9mm，此时控制值也为拉应力，发生在两侧拱脚。
3 结论
（1）由应力可见，系杆拱桥对顶升时的误差比较敏感，顶升时發生较小的误差就会引起拱较大的受力，所以顶升前应针对特定桥梁做顶升受力分析，在受力较大位置做重点监测，同时在拱脚、1/4拱、1/2拱、系杆的相应位置也应做应力监测，一旦发现顶升过程中应力较大，就应该及时寻找原因，调整千斤顶顶升值，进行补偿性顶升直到过大的应力消除才开始进行下一步施工。同时在顶升时对桥梁挠度要做重点观测，以校对顶升误差。
（2）千斤顶顶升容许误差和截面刚度呈线性关系，对应于千斤顶同步顶升的误差为5mm，则该系杆拱桥顶升时最薄弱处（即拱脚处）刚度要求经线性换算为EI≥0.52×1020。另系杆拱桥拱受力较为较大，一般不允许带裂缝工作，所以仅做无裂缝顶升控制。
关 键 词：拱桥 顶升 有限元分析 应力 监测
引言
近年来，在苏南地区，很多骨干航道现有大部分桥梁梁底中心标高过低(这些桥梁最初建成时能满足较低等级的通航要求)，已无法满足航道通航等级提高后的通航要求。这些桥梁大部分具有结构完整，功能完好等特点，部分桥梁体现了当时国内较先进的设计水平，但是这些桥梁由于建造时间比较长，已不能满足各骨干航道进一步建设发展的需要，特别是通航高度的不足更是如此。
通过分析比较及初步可行性论证后，建议将国际先进、国内已有初步工程应用的同步顶升技术应用到苏南骨干航道旧桥改造工程中，这样可在不损坏现有桥梁结构的基础上，采用同步顶升技术对桥梁进行顶升，以满足高等级通航净空的要求。
桥梁顶升施工技术在50年代开始用于铁路桥梁架设、移位和落梁。60年代，随着液压技术的快速发展,液压顶升技术开始用于整体屋面同步顶升。近年来顶升技术已经逐渐应用于桥梁与路桥等的加高技术之中，在国内该技术已有初步工程应用，典型工程应用主要包括：
天津狮子林桥、204国道盐城总渠公路桥、上海吴淞大桥北引桥、湖州屺风大桥、湖州南林大桥等，但目前尚无相关的技术规范可供参考，对顶升技术应用于桥梁等工程的可行性研究及相关的技术研究分析仍远远落后于工程实践。
1 有限元分析模型
在顶升可行性研究中选取下承式拱桥的某一具体桥梁进行结构计算和理论分析,对顶升过程中可能出现的各种工况下的结构应力应变进行分析，以对桥梁结构进行顶升的方案比选和可行性作出判断，同时为施工监测具体部位做参考。
实际顶升过程中可能会因为顶升过程中对结构产生附加应力，从而影响结构受力体系尤其是吊杆的拉力，所以建议在顶升过程结束后重新进行吊杆索力测试，对照测试结果进行调整。
下承式系杆拱桥多为单拱结构，整体结构属于静定结构，如采用整体顶升方式，则主要应分析其局部受力即顶升点附近位置的局部应力，采用ANSYS进行三维有限元分析。
1.1工程概况
本次分析所采用桥梁模型上部结构为预应力混凝土系杆拱＋预应力空心板，下部结构为柱式墩、钻孔桩配承台基础，桥台采用柱式台和桩基础。该桥主桥为下承式预应力混凝土系杆拱桥，总跨径55.38m，桥面宽度为2×0.5m(防撞墙宽)＋2×1m（系杆宽）+17m（机动车道宽）。拱肋轴线为二次抛物线，计算跨径为L为55.0m，计算矢高f为13.6m，矢跨比为1：5。主桥的系杆、拱肋、风撑、端横梁、中横梁采用C50混凝土，行车道板采用C40混凝土，板间铰缝采用C50钢纤维混凝土。吊杆采用内芯61Φ7mm的高强钢丝束的拉索，型号为OVMLZM(K)7-61 I型冷铸锚式吊杆。拱截面刚度EI=0.29×1020。
图2.1.1 桥梁主跨立面布置图
1.2 分析方法与工况
本次采用ANSYS进行建模，系杆拱桥作为上部静定结构，分析采用三维模型，顶升点设置在端横梁上，考虑顶升时误差的影响。
系杆拱桥从上部结构来看属于静定结构，外加位移不会产生附加应力。但从实体结构来看，顶升时有若干个顶升点以及限位装置，对其位移产生限制，若顶升时产生不均匀位移，则会在结构中产生附加内力；同时顶升时横梁和系杆的应变也会引起拉杆及拱肋受力的变化，从而产生附加内力。
桥梁顶升时不可避免会产生误差，而误差的允许阀值却鲜有研究。本部分同过使用ANSYS模拟同一截面各不同千斤顶的误差来分析系杆和拱的受力，通过误差逐渐增大的方式来观察轴力和弯矩的变化，最终得到误差的允许阀值。同时考虑桥面铺装结构的应力作为参照。
本桥梁顶升假定使用四个千斤顶，分别布置于端横梁上，并在每一工况中假定一千斤顶不工作，另一千斤顶以每次1mm竖向位移逐级顶升来模拟误差，直至产生的应力超过材料的强度极限。工况一为某一千斤顶产生误差的情况；工况二为对角千斤顶同时产生误差的情况。通过分析得出最不利工况后，以次工况中最薄弱受力处截面刚度作为判断值，以得到系杆拱桥整体顶升可行性标准。
1.3有限元模型与分析结果
图2.3.1 有限元分析模型（不含桥面结构）
分析模型中拱、系杆、横梁部分采用三维梁单元，拉杆采用杆单元，桥面铺装采用壳单元，截面信息在实常数中赋予。
工况一时结果如下图所示：
图2.3.3 工况一下桥梁轴力图（δ=14mm） 单位：KN
图2.3.6 工况一下桥梁变形图（δ=14mm） 单位：KN·m
工况二时结果如下图所示：
图2.3.8 工况二下桥梁轴力图（δ=10mm） 单位：KN
图2.3.11 工况一下桥梁变形图（δ=10mm） 单位：KN·m
2 数据总结与分析
以下为顶升时桥梁结构受力总结表，其中应力是由轴力换算得出，顶升最大误差由结构应力强度控制。
表3.1 桥梁结构受力表
力类型
误差值 轴力（KN） 应力（MPa） 弯矩
（KN·m） 剪力
（KN） 面板应力（MPa）
正 负 压 拉
工况一 12mm 23.40 -39.08 1.46 -2.44 -2282 247.64 -1.12
14mm 27.30 -45.59 1.71 -2.85 -2662 288.91 -1.31
工况二 9mm 16.25 -41.94 1.02 -2.62 -1655 237.56 -0.98
10mm 18.06 -46.59 1.13 -2.91 -1839 263.95 -1.10
由以上不均匀误差顶升引起的桥梁结构受力分析可以看出，在工况一情况下容许的误差在12mm，此时控制值是拉应力，发生在一侧拱脚附近；工况二情况下容许误差在9mm，此时控制值也为拉应力，发生在两侧拱脚。
3 结论
（1）由应力可见，系杆拱桥对顶升时的误差比较敏感，顶升时發生较小的误差就会引起拱较大的受力，所以顶升前应针对特定桥梁做顶升受力分析，在受力较大位置做重点监测，同时在拱脚、1/4拱、1/2拱、系杆的相应位置也应做应力监测，一旦发现顶升过程中应力较大，就应该及时寻找原因，调整千斤顶顶升值，进行补偿性顶升直到过大的应力消除才开始进行下一步施工。同时在顶升时对桥梁挠度要做重点观测，以校对顶升误差。
（2）千斤顶顶升容许误差和截面刚度呈线性关系，对应于千斤顶同步顶升的误差为5mm，则该系杆拱桥顶升时最薄弱处（即拱脚处）刚度要求经线性换算为EI≥0.52×1020。另系杆拱桥拱受力较为较大，一般不允许带裂缝工作，所以仅做无裂缝顶升控制。