既有斜拉桥支座更换结构内力分析与对策

　　摘要：大跨斜拉桥支座病害对结构受力影响较大，需对其进行更换处理.为保证马桑溪长江大桥主桥支座更换过程中结构的安全性，基于ABAQUS建立垫石实体模型，验算其承载能力，同时利用MidasCivil软件建立全桥有限元模型，计算支座顶升的顶升力、顶升过程中梁体应力及索力的变化，并分析伸缩缝对支座更换的影响.结合施工监控的结果表明更换支座过程中主梁应力和索力变化均较小，结构安全储备较高.在顶升过程中，支座垫石安全可靠，但未解除伸缩缝约束会增加顶升难度，造成顶升失败，因而更换支座前先将桥面约束解除.

　　关键词：斜拉桥;支座更换;有限元法;内力分析;施工监控

　　据交通部统计，截至2019年底我国桥梁总数已超过了100万座，位居世界第一，其中公路桥梁已超过87.83万座[1].随着我国桥梁服役期的不断增长，其安全性、耐久性及维护管理的问题日益严重，安全保障问题也日益突出，较大部分桥梁在服役期间由于环境影响、车辆荷载增加以及材料老化等原因呈现出各种结构性病害[2-4].支座作为桥梁上部结构与下部结构之间的传力构件，正常运营过程中往往会出现各种病害，对结构的受力有很大影响[5-6].

　　因此，在桥梁结构的服役期内，会对病害严重的支座进行更换处置[7-11].目前多采用结合结构内力优化的多点同步顶升的方法进行支座更换[12-13]，报道较多的为梁桥支座的更换[14-16]，而对于大跨斜拉桥的支座更换工程实例较少[17-18]，对于外部约束对支座更换的影响研究也不多.因此，对于斜拉桥大吨位支座的更换以及伸缩缝约束对支座顶升影响的研究有较大的工程应用价值.

　　1工程概况

　　马桑溪长江大桥位于大渡口区马桑溪到巴南区花溪镇先锋村石子山之间，是主城区内环高速公路跨越长江的公路桥梁.主桥为(179+360+179)m的三跨预应力混凝土双塔双索面漂浮体系斜拉桥.

　　主梁截面形式采用预应力混凝土分离式三角箱形断面，梁中心高度3m，主桥中跨和边跨设置为半立方曲线的预拱度.全桥共118对斜拉索，由PE材料包裹好的φ15.24低松弛钢绞线组成，其标准强度为1860MPa.主桥下部结构为空心薄壁墩，索塔形式采用倒Y型，箱型断面.马桑溪长江大桥0号台处的2个橡胶支座(型号分别为GPZ20SX双向活动支座、GPZ20DX单向活动支座)磨损严重，对结构受力及正常运营产生了较大的影响，需对其进行更换.本文先考虑了伸缩缝影响的支座更换前的顶升力计算和千斤顶布置，以及为防止顶升过程中对结构造成损伤，进行支座垫石和主梁结构的计算，然后进行施工监控测点布置，最后进行监控数据的分析.

　　2顶升力的计算及千斤顶布置

　　为得到千斤顶顶升力的设计值，便于施工中千斤顶的布置，采用有限元软件MidasCivil建立主桥全桥模型，计算顶升到设计值2cm时支座的反力值.全桥共842个节点、595个单元，除拉索使用只受拉单元外，其余单元均采用梁单元模拟.全桥有限元模型.塔底采用固结约束，桥台处约束Dy、Dz，拉索与主梁节点间采用刚性连接，主梁和主塔横梁间采用弹性连接.拉索的初拉力值采用《2019年度马桑溪长江大桥检测评估报告》中的索力值.

　　2.1伸缩缝影响分析

　　马桑溪长江大桥大渡口侧桥台处设有SSFB-480伸缩缝，在计算千斤顶顶升力时需考虑其约束作用.在MidasCivil模型中建立桥台与主梁间的弹性连接，主要考虑其竖向刚度的影响，由于伸缩缝的设计参数中没有竖向刚度，因此结合设计图，将位移箱及横梁的抗推刚度设为伸缩缝的竖向刚度(计算值为1000000kN/m).通过设置节点强制位移2cm来模拟支座顶升，计算得总支座反力为39364kN，而没有考虑伸缩缝影响时的支反力为34335kN，减少了5029kN.此外，由于马桑溪长江大桥桥面整治工程需更换伸缩缝，因此可以先将伸缩缝拆除，再进行支座更换.

　　2.2千斤顶布置

　　将解除伸缩缝影响后计算得到的顶升力34335kN取为34400kN，因此单个支座的顶升力为17200kN.为避免局部压力过大，对结构造成损伤，拟采用每个支座布置16个200t的千斤顶.在千斤顶的顶部和底部均放置2cm厚的钢垫板.

　　3结构验算

　　3.1垫石计算

　　由于千斤顶布置于垫石靠近边缘的位置，在顶升过程中会导致局部受压，引起垫石破坏，造成顶升失败.为防止垫石局部受压破坏，采用ABAQUS建立垫石的实体有限元模型.结构尺寸、配筋图及有限元模型。

　　模型共26644个节点，33329个单元.垫石C40混凝土采用塑性损伤模型，钢材采用弹塑性模型.垫石和钢垫板均采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元进行模拟.垫石底采用固结约束，钢筋与垫石采用内嵌方式进行连接，钢板与垫石采用绑定约束.荷载采用压强进行施加，每块钢板上施加1.2MPa.

　　经计算，垫石最大压应力为1.1MPa，无等效塑性应力;钢板最大应力为1.73MPa;钢筋最大应力为3.23MPa;结构最大变形量为0.029mm.在整个顶升过程中，垫石都处于弹性阶段，安全可靠，无需做局部加固处理.

　　3.2主桥结构计算

　　为保证顶升过程中结构的安全，在MidasCivil中建立顶升过程的施工阶段，将顶升高度2cm划分为3个阶段共20个步骤进行模拟：前5步按照2mm为增量，下面5步以1mm为增量，最后10步增量为0.5mm.分别计算每个步骤主梁应力以及索力值.

　　由于支座处梁体顶升产生的局部效应对近端梁体及索力的影响较大，而对于远端的影响可忽略不计，因此计算时选取边跨L/4截面和大渡口侧上下游的29#索进行分析.限于篇幅，仅列出初始阶段、顶升高度为5、10、15、20mm时的主梁的应力以及索力值.

　　(增量为最后阶段相对于初始阶段的值). 当顶升高度为20mm时，边跨L/4截面上、下游侧主梁应力均为-8.91MPa，相对于未顶升时的变化量为0.13MPa，截面仍为受压状态，且应力贮备较大;上、下游侧的29#索力均减少10.51kN，对结构的安全性并无影响.

　　4支座更换施工过程中的监控

　　为确保支座更换过程中主桥关键截面的应力增量以及索力变化在合理的范围，本次监控内容为更换过程中主梁的应力增量、索力变化以及对PLC同步顶升系统的顶升值进行校核.其中采用运营监测系统监控主梁应力，采用索力动测仪测量索力，采用千分表对顶升值进行测量校核.

　　4.1监控测点布置

　　应力监控选择边跨大渡口侧L/4和L/3截面，应变仪固定在箱梁底部，每侧布置2个;索力则选择大渡口侧上游29#和下游29′#进行监控;千分表底座安装在千斤顶底部的钢垫板上，测杆垂直顶于梁底.

　　4.2监控测量结果分析

　　现场采用PLC同步顶升系统进行施工，实现位移和压力的双控，同时采用千分表进行位移校核.顶升力与顶升高度关系，从有限元计算值和现场实测值的对比来看，两者变化趋势基本一致，都大致呈线性变化，有限元计算值比实测值大178kN，结构安全.现场索力测量按照每顶升5mm记录一次，上游29#、下游29′#索同时测量.上游29#、下游29′#索的实测值和计算值对比.从中可以看出计算值均比实测值大6～8kN，但计算值的增量与实测值增量基本一致，且两侧实测增量差值仅0.4kN，说明千斤顶同步工作效果较好.

　　主梁应力每顶升2mm读取1次，表示L/3和L/4截面主梁应力增量的实测值和计算值对比.从中可以看出，L/3截面应力增量约为0.12MPa，L/4截面应力增量为0.13MPa.2个截面的实测增量和计算增量基本一致，说明有限元模拟较为准确，顶升过程中主梁应力安全贮备较高.

　　5结论

　　为避免支座病害对结构造成安全影响，对马桑溪长江大桥支座更换设计进行计算分析，给出了主梁设计顶升高度所需要的顶升力，分析了伸缩缝刚度对顶升的影响，以及验算了支座垫石的强度.对施工过程中桥梁结构控制截面应力和索力进行了监控，结果表明：

　　1)顶升过程中支座垫石安全，计算结果可靠，千斤顶的布置合理.2)未拆除伸缩缝对结构顶升影响较大，建议在更换大吨位伸缩缝时先将伸缩缝拆除，减少结构的约束.3)主梁应力和索力变化均较小，结构安全储备较高，上游侧和下游侧主梁应力和索力变化基本一致，说明施工过程中千斤顶同步工作效果较好;主梁最大应力和索力的增量与有限元计算结果相近，表明该支座更换方法是切实可行的，可为今后大跨径斜拉桥大吨位支座更换提供参考.

　　参考文献：

　　[1]交通运输部.2019年交通运输行业发展统计公报[N].中国交通报，2020-05-12(2).

　　[2]周建庭，郑丹.桥梁安全保障的思考[J].中国公路，2020(17)：30-35.

　　[3]周建庭，郑丹.保障我国桥梁安全的战略思考[J].中国工程科学，2017，19(6)：27-37.

　　[4]张喜刚，刘高，马军海，等.中国桥梁技术的现状与展望[J].中国公路，2017(5)：40-45.

　　[5]邱文，邹开泰.高速公路桥梁支座病害分析及修复[J].公路，2021，66(2)：129-132.

　　[6]王俊新.山区公路弯坡桥支座相关病害成因分析及处治对策[D].重庆：重庆交通大学，2017.

　　[7]李东昇，李国清，和江，等.客货共线铁路连续梁支座病害整治技术[J].铁道建筑，2020，60(12)：26-29.

　　作者：杨明1，陈畅1，王宗山1，张向和2