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牡丹桥引桥支座更换方案研究

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浏览:- 发布日期:2018-01-23 13:46:56【

施 工 技 术 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2009年12月 第38卷 增刊 牡丹桥引桥支座更换方案研究 李 杰1 ,陈 淮1 ,朱建强2 ( 1. 郑州大学土木工程学院,河南郑州 450001; 2. 河南省交通规划勘察设计院有限责任公司,河南郑州 450052) [摘要]以洛阳牡丹桥引桥为研究对象,详细分析引起桥梁支座病害的原因,针对支座更换提出三个方案:逐墩顶升 更换;同墩横向同步,纵向分步顶升相邻2个墩;同墩横向同步,纵向分步顶升相邻5个墩。在此基础上利用有限 元方法建立梁单元整体模型和实体单元局部模型,就这些支座更换方案进行计算与分析。通过计算可知三个方案 均可行,考虑顶升施工的方便、安全等因素,推荐施工时采用方案一逐墩顶升更换支座。 [关键词]预应力混凝土连续桥梁;V形墩;桥梁加固;支座更换 [中图分类号]U447


[文献标识码] A[文章编号] 100228498 (2009) S120252205 Study on Bear ing Replacement Plan ofMudan Approach Br idge Li J ie1 , Chen Hua i1 , Zhu J ianq ia ng2 (1. School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, He’nan 450001, China; 2. He’nan Provincial Comm unications Planning Survey & Design Institute Co. , L td. , Zhengzhou, He’nan 450052, China) Abstract: For LuoyangMudan app roach bridge, the paper analyzes bearing disease causec in detail. Based on analysis, aiming at bearing rep lacement, three p lans are respectively put forward. The three p lans are every p ier bearing step by step to be rep laced, transverse bearings synchronously and longitudinal adjacent two bearings respectively to be rep laced, trans2 verse bearings synchronously and longitudinal adjacent five bearings respectively to be rep laced. At last, using finite ele2 ment method to build LuoyangMudan app roach bridge integrate and partial finite elementmodel, it analyzes and checks re2 p lacement p lans. Through analysis, it is come to conclusion that the p lans of bearing rep lacement are all feasible. Consid2 ering convenience and security of construction, the p lan of every p ier bearing step by step to be rep laced is recommended. Key words:p restressed concrete continuous girder; V2shaped p ier; strengthening of existing bridges; bearing rep lace2 ment [收稿日期] 2009209223 [作者简介] 李 杰,郑州大学土木工程学院讲师,博士,河南省 郑州市科学大道100 号 450001,电话: 15890192830, E2mail: public_li@126. com


1 工程概况 牡丹桥引桥设为一联,跨径组合为( 21m + 19 × 30m + 21m)的21跨连续梁结构,全联固定支座设置一 处,位于9 号V形墩南侧肢顶部,其余V形墩双肢顶 部均为活动支座;第1 跨为21m现浇混凝土梁,第21 跨为了接主桥为21m斜交现浇混凝土梁(梁平面为直 角梯形) ;其余跨墩顶13m长为现浇钢筋混凝土结构, 跨中17m为预制预应力混凝土空心板;引桥下部为纵 桥向V形墩,扩大基础,V形墩上部设置与梁体隔离的 预应力混凝土拉板,桥台为四柱分离式桩柱式桥台,桥 面全宽34m,设计荷载为汽超- 20,桥梁局部如图1所 示。 牡丹桥始建于1992年10月,后因故停工, 1999年 4月复工,同年11月大桥建成正式投入使用。目前大 桥出现较多病害, 2009 年5 月对该桥梁进行检测,根 据桥梁检测结果及《城市桥梁养护技术规范》CJJ99 - 2003规定,引桥评估等级为E,桥梁的技术状况很差, 图1 洛阳牡丹桥引桥局部示意 已经严重影响桥梁的安全使用, 其中桥台上GJZ板式 橡胶支座有丢失、脱空、剪切变形现象,经调查共有16 块支座脱空。部分V 墩上盆式橡胶支座中间钢板外 橡胶密封圈老化开裂,经检测有113个盆式支座密封 圈老化,另9号固定盆式橡胶支座垫石破碎,钢垫板脱 空[ 1 ]。本文以牡丹桥引桥支座更换工程为研究对象, 252 利用有限元方法建立桥梁整体梁单元模型和局部实体 单元模型,考虑橡胶支座的使用年限、工作状况等因 素,详细分析引起支座病害的原因,并在此基础上结合 桥梁加固,对引桥的支座更换方案进行详细检算和分 析。 2 桥梁支座病害原因分析 2. 1  桥梁病害和支座现状 引桥0号桥台盖梁发现7条斜裂缝,部分裂缝贯 穿梁底, 侧面裂缝高度超过盖梁中心轴, 最大缝宽 3. 5mm,裂缝宽度和位置如图2 所示。梁体横向东移 将0号台东侧挡块挤碎,引桥桥台板式橡胶支座存在 丢失、脱空和剪切变形现象,如图3所示。 图2 0号桥台裂缝分布示意(单位:mm) 图3 桥台支座损坏照片 引桥9 号V 形墩南侧固定支座下墩身出现斜裂 缝,最大缝宽3cm,缝长1. 35m。此外预制空心板与现 浇混凝土梁交界附近梁体下缘出现宽度0. 2mm的横 向裂缝。9号V形墩上固定盆式支座垫石边部出现破 碎、钢垫板出现脱空,如图4所示。 图4 9号墩支座损坏照片


2. 2 病害原因分析 为了分析大桥以及支座产生病害的原因, 利用 MIDAS/CIV IL 2006 软件建立牡丹大桥引桥的梁格体 系全桥模型,支座采用软件中的节点间弹性连接,设置 不同的刚度模拟单向、双向滑动支座以及固定支座,考 虑0. 3%的纵坡、2%横坡。空心板、V形墩、承台、桩基 础和扩大基础、桥台、连接墩采用梁单元模拟,预应力 筋采用梁单元预应力荷载方式加载。全桥模型共计4 364个节点, 8 164个单元。计算模型如图5所示。分 析中按照支架现浇和预制梁架设两个施工过程,考虑 一期、二期恒载,预应力筋的作用,以及汽车活载(《公 路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JF2 GD6222004汽超220,按照八车道布载) 、温度效应以及 不均匀沉降等因素。 图5 M IDAS有限元计算模型 为了对0号桥台支座部位进行详细分析,利用大 型有限元通用软件ALGOR建立桥台空间实体单元计 算模型,模型中用实体单元模拟支座垫石实际大小,将 桥台支座反力的集中力用分布力模拟,桥台基础底部 固结,模型共计1 445个节点, 1 232个单元,如图6所 示。 图6 S桥台ALGOR有限元计算模型 由于V形墩支座支承区域受力复杂,为了详细分 析病害原因以及后续加固分析,利用大型有限元通用 软件ALGOR建立V形墩空间实体单元局部模型,模 型中用实体单元模拟支座垫石实际大小,将支座反力 的集中力用分布力模拟,桥台基础底部固结。模型共 计9 108个节点, 6 189个单元,如图7所示。 图7 V形墩有限元计算局部模型 表1为有限元分析部分关键部位变形和应力结 果,可以看出这些部位在所模拟的成桥状态下应力均 超出了材料设计强度,可能出现开裂,进而不能满足极 限承载能力状态和正常使用极限状态的要求,对应支 座将产生过大变形进而出现破坏。 那么,根据有限元数值分析以及桥梁检测数据,大 桥支座出现病害的原因可以归纳为以下几点: 2009增刊 李  杰等:牡丹桥引桥支座更换方案研究 253 表1 关键部位变形及应力汇总 部位及结果 位移/mm 竖向纵向横向 应力/MPa 最大主拉应力最小主拉应力 说明 桥台- 2. 0 1. 5 0. 1 2. 9 - 7. 0盖梁桩柱部位 9号V形墩 - 1. 6 1. 0 0. 3 3. 0 最不-利14.V6形墩支座部位主应力   1)根据检测报告可以看出,桥台盖梁、3个V形墩 (分离式基础)横向出现高差,个别支座脱空后支反力 重新分配,此外考虑基础不均匀沉降,最终导致部分区 域盖梁和一些支座破坏。 2)由于牡丹桥纵向自由长度较长(仅在9号墩设 置固定墩) ,所以温度变化时产生主梁的纵向变形较 大,整个桥梁纵向的约束仅由9号V形墩南侧的固定 支座限制变形,再考虑到V形墩支座下部局部区域受 力复杂,各种因素综合在一起,导致9号墩固定支座出 现破坏。 3)板式橡胶支座正常使用寿命一般为10~15年, 牡丹桥虽1999年通车,但梁体架设、支座安装多完成 于1996 年,基本达到使用寿命。由于以上一些内、外 原因,导致桥梁病害进一步加重,上部结构的变形逐渐 加大,一些支座脱空损坏后,反力重新分配,超过支座 承载能力,使支座产生大的变位,最终使支座出现病 害。


3 桥梁支座更换方案分析 支座更换应配合桥梁的维修加固,维修加固以原 设计荷载条件下功能性恢复、加固为主,结合新规范加 强抗震设计,改善结构受力性能,确保安全。因此在进 行桥梁结构加固措施时,同时应考虑全桥支座更换,并 且严格控制加固设计、更换施工对原结构的损伤,此外 加固措施应尽量减少对交通影响。支座更换较为成熟 的方法是采用梁体整联顶升技术[ 2~8 ] ,通过PLC控制 液压同步顶升系统保证纵横向同步顶升,建立完善的 现场监控、检测系统,通过位移传感器严格控制相邻墩 台顶升位移差,应变计监控梁体应力、应变的变化,确 保结构安全。 3. 1 支座更换方案 牡丹桥引桥一联共计21 跨,上部梁体自重超过 30 000 t,所以无法采用整联顶升,因此根据该桥梁支座 病害状况以及结构分析的结果,以相邻梁体顶升高差 不超过14mm 控制(确保顶升时梁体顶面不出现开 裂) ,选用100 t的千斤顶,提出了三个支座更换方案, 具体如下所述。 1)方案一 逐墩顶升,逐墩更换支座,各墩顶纵横 向同步,最大顶高14mm,需千斤顶48个。 2)方案二 中间墩(3~19号)支座更换按同墩横 向同步,纵向分步顶升相邻2 个墩考虑,顶升4 跨;最 大邻墩间顶高按不大于7mm控制,需千斤顶144个。 3)方案三 中间墩(4~17号)支座更换按同墩横 向同步,纵向分步顶升相邻5 个墩考虑,顶升6 跨;最 大邻墩间顶高按不大于4mm控制,需千斤顶240个。 3. 2  分析工况 为了确保支座安放的可靠性,首先需要对V形墩 支座下区域局部进行加固,根据V形墩支座下面局部 区域加固方案和桥梁支座更换方案,计算工况为: ①工 况1 V形墩支座下区域局部加固方案分析; ②工况2  逐墩顶升更换,重点检算0号台及1、2、19、20、21号 墩(方案一) ; ③工况3 同墩横向同步,纵向分步顶升 相邻2个墩考虑(方案二) ,具体步骤如表2~4所示; ④工况4 同墩横向同步,纵向分步顶升相邻5个墩考 虑(方案三) ,具体步骤如表5~8所示。 表2 0号桥台顶升过程中的顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 最终14 7 7 step1 7 step2 7 7 step3 7 表3 1号墩支座顶升过程中的顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 221 222 最终7 14 14 7 7 step1 7 7 step2 7 7 7 step3 7 7 表4 2号墩支座顶升过程及顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 221 222 321 322 最终0 7 7 14 14 7 7 step1 7 7 step2 0 7 7 7 7 step3 7 7


3. 3 数值分析结果 由于V形墩的双肢支座下面区域应力较复杂,个 别V形墩正应力超过C25混凝土轴心抗拉设计值。因 此鉴于V形墩支承区域受力复杂,设计单位提出支座 下面V形墩局部区域粘贴钢板,钢板间焊接角钢拉杆。 本次加固选取V形墩支座支承反力最大的墩进行局部 结构分析,即V形墩两肢支座下面区域粘贴Π形钢板, 254 施工技术 2009增刊 表5 0号桥台顶升过程及顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 221 222 321 322 最终14 12 11 8 7 4 3 step1 3 3 3 3 3 step2 4 4 step3 4 4 4 4 4 step4 1 1 1 1 1 step5 2 2 2 step6 1 1 step7 3 表6 1号墩支座顶升过程及顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 221 222 321 322 最终14 14 14 10 9 5 4 step1 4 4 4 step2 4 4 4 4 step3 4 4 4 step4 4 4 step5 1 1 1 step6 3 3 3 step7 1 step8 3 3 3 表7 2号墩支座顶升过程及顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 221 222 321 322 421 422 最终6 9 10 14 14 10 9 5 4 step1 4 4 4 4 step2 4 4 4 4 4 step3 4 4 4 4 step4 4 4 step5 1 1 1 1 1 1 step6 4 4 step7 1 1 step8 2 2 表8 3号墩支座顶升过程及顶升高度mm 序号 墩台号 0 121 122 221 222 321 322 421 422 521 522 最终0 4 5 9 10 14 14 10 9 5 4 step1 4 4 4 4 4 4 step2 4 4 4 4 step3 4 4 step4 4 4 4 4 step5 1 1 1 1 step6 2 2 step7 4 4 step8 2 2 两肢钢板间焊接角钢。粘贴Π形钢板板厚分别以8、 10、12mm进行检算,角钢选择L 100 ×10。根据数值分 析可得,粘贴Π形钢板板厚从8mm增至12mm,且角钢 选择L 100 ×10时, 正应力由加固前2. 3MPa 降为 1. 54MPa,小于C25混凝土轴心抗拉设计强度,该加固 方案可行。 支座更换方案一为逐墩顶升更换,分析中重点检 算0号台、1、2、19、20、21 号墩顶升时对应墩顶梁体应 力。根据分析结果可得,逐墩顶升,逐墩更换支座,各 墩顶纵横向同步,最大顶高14mm。顶升1、2、19、20号 墩,对应墩顶主梁组合应力最大达到1. 5MPa,顶升21 号墩对应第21跨跨中梁底应力较大,梁底应力超过设 计强度,建议梁底加固后进行顶升,即方案一可行。 支座更换方案二为同墩横向同步,纵向分步顶升 相邻2个墩考虑,根据分析结果可得,同墩横向同步, 纵向分步顶升相邻2个墩7mm,可以看出顶升过程中, 梁体应力较小(梁顶应力介于0. 5~1. 5MPa) ,故方案 二可行。 支座更换方案三为同墩横向同步,纵向分步顶升 相邻5个墩考虑根据分析结果可得,同墩横向同步,纵 向分步顶升相邻5个墩,顶升6跨,最大邻墩间顶高按 不大于4mm控制的顶升过程中,梁体应力较小(梁顶 应力介于1. 0 ~1. 6MPa) ,方案三可行,但顶升过程复 杂,工作量大,需要多方协调控制。 可以看出, 3个更换方案均可行,但方案一所用千 斤顶最少,施工最为简单,推荐该方案为支座更换的施 工方法。


4 结语 以上对洛阳牡丹桥引桥的支座病害现状进行详细 描述,分析产生这些病害的原因,并提出了3个支座更 换方案,应用有限元方法对支座更换过程的V形墩和 桥台等关键部位的应力和承载能力进行数值分析, 3 个支座更换方案合理可行, V 墩支座下面局部区域的 加固效果明显。通过研究可以总结以下几条结论和建 议 1)经过检算,三个支座顶升更换方案均可行:方案 三相对较保守,顶升工作量大;方案二较为安全可行; 方案一所需同步工作的千斤顶数量最少,支座更换施 工最为简单,可靠性和安全性最好,推荐采用方案一。 2)支座更换施工应与V 形墩局部加固同步进行 (在粘贴钢板前,建议在地面对连续梁进行顶升,此时 V形墩两肢卸载,便于V形墩局部加固加固) ,施工前 需进行详细施工组织安排和设计,确保施工过程的同 步性。 3)支座更换施工过程中应限制交通,建议选择车 辆较少的时间进行施工,条件允许时应封闭交通。 参考文献: [ 1 ]  郑州大学土木工程学院. 洛阳牡丹桥维修加固工程结构检算 分析报告[ R ]. 郑州, 2009. [ 2 ]  于慧楠. 整体同步顶升梁板更换桥梁支座的应用研究[D ]. 长春:吉林大学, 2007. 2009增刊 李  杰等:牡丹桥引桥支座更换方案研究 255 [ 3 ]  焦海峰,王现卫. 整体顶升法更换桥梁支座施工控制要点[ J ]. 中国市政工程, 2008, (1) . [ 4 ]  王军. 桥梁橡胶支座整体更换施工技术研究[ J ]. 市政技术, 2007, (2) . [ 5 ]  葛素娟,李静斌,陈淮. 河南甄坟沟大桥支座更换布置方案研 究[ J ]. 施工技术, 2009, (7) . [ 6 ]  陈志远. 预应力混凝土连续梁桥支座的更换施工[ J ]. 城市道 桥与防洪, 2006, (2) . [ 7 ]  杜金生; ,廖军, 魏洪昌. 沙河特大桥橡胶支座更换施工[ J ]. 公路交通科技(应用技术版) , 2007, (11) . [ 8 ]  郑州大学土木工程学院. 先简支后连续桥梁结构性能及支座 更换关键技术研究[R ]. 郑州, 2006. 256 施工技术 2009增刊


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