测力可调支座在改善桥梁受力状态中的应用

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52桥梁结构城市道桥与防洪2012年10月第10期测力可调支座在改善桥梁受力状态中的应用付炳峰，闰保华，潘可明3(1．北京地铁建设管理有限公司，北京市100027；2．北京公路联络线有限公司，北京市100161；3．北京市市政工程设计研究总院，北京市100082)摘要：某桥异形板区域单点支承的异形板结构，由于受各种综合因素影响，桥梁基础产生不同程度的沉降，从而对异形板整体受力状态产生影响，造成中横梁抗剪能力不足。对该横梁受力进行分析，为改善其受力状态，提高加固措施(或材料)的利用效率，运用主动加固的理念，创造性地采用“测力可调支座”结合钢盖梁支顶(叮r形钢盖梁支顶)，较好地解决了异形板桥梁加固的难题。关键词：桥梁；异形板；中横梁；受力分析；主动加固；测力可调支座中图分类号：U445．7+2文献标识码：B文章编号：1009—7716(2012)10—0052—05桥面1概述某桥异形板区域为整体现浇异形板结构，南北向长约35．6m，东西向宽约65m，中部为南北向沉降缝，将其分为对称的东西两块。桥梁上部为现浇预应力混凝土异形连续板，结构高度0．76m，下部为与其整体现浇的中横梁，高3．16m；桥梁中墩(19—1轴东、西两处桥墩)为独柱1．5m×2m墩柱上接球形固定支座。桥梁始建于1993年，由于各上种综合因素影响，桥梁基础产生不同程度的沉降，图219-1轴剖面图从而对异形板整体受力状态产生影响。中横梁是较为严重，经核算其抗剪能力不足，不满足设计要关键的受力构件，由于中支点横梁的抗剪能力不求。梁侧面支点附近大量的斜裂缝表明主拉应力过足，开裂较为严重，为防止基础进一步产生沉降，大，斜截面抗裂性差，原桥预应力钢束布置过于平提高中支点的抗剪能力，改善中横梁受力状态，须缓，斜截面抗件承载力不够，因此异形板桥中支点加对其进行加固。见图1、图2。劲梁斜截面加固补强是该桥加固设计的核心问题。2．2加固理念基于以上因素，设计加固思路突出主动加固理念，提高加劲梁的抗剪能力，提出切实可行的“钢弹簧支顶”订形盖梁上设置测力可调支座支顶的方案。其原理是通过对耵形钢盖梁的支顶变形，产生附加力来改善被加固结构：加劲梁、板的受力条件。采用midas—civil有限元程序计算，结合工程实际情况进行模拟分析(见图3)。计算荷载工况：工况l——恒载(自重+二期恒载)；工况2——恒载+现况沉降；工况3——恒载+现况沉降+3000kN蔷窒召凝土鬈曩混凝t异需雯程凝士顶力；工况4一恒载+现况沉降+3000kN顶力+图1异形板区域平面圈汽车活载。2横梁受力分析及加固方案2．1横梁受力状态中横梁是最关键的受力构件，目前混凝土开裂收稿日期：2012—06—06作者简介：付炳峰(1978一)，男，山东德州人，工程师，主要图3桥梁异形板计算模型从事城市轨道交通工程施工及建设管理工作。 2012年10月第1O期城市道桥与防洪桥梁结构53异形板加劲梁抗剪承载力极限状态验算，在加N0DALSOLUTI~ANSySⅡEC10200810：04：09固前强度计算不满足要求，相差近10％。采用“钢弹簧”在支点两侧4．5m范围各支顶3000kN的向上顶力，考虑各项损失，使用阶段可以保留2500kN以上的预顶力，解决了抗剪承载力不足的问题，同时预留了30％以上的安全储备。见图4、图5。图7竖向挠度计算云图3主要施工方法及要点在既有桥梁19—1轴东、西两处墩柱两侧各增图4新设“钢弹簧支顶”TT形盖梁立面(单位：cm)设钢结构立柱，墩柱与既有承台采用锚栓固定连接。钢结构墩柱支撑钢结构框架盖梁，框架盖梁上结构平面设置“测力可调盆式橡胶固定支座”对横梁进行支顶，通过框架盖梁的弹性变形，将支反力施加到原型盏粱l结构的横梁，达到设计顶力后，锁定固定支座，将-卜-¨四哥一}原桥的“单点支承”结构，转化为“三点支承”结构，型盏粱从而改善了横梁的受力条件。若后期桥梁使用过程中，基础继续发生沉降，可对支座进行再次调7045045070试，改善横梁受力状态。lO403．1钢墩柱(盖梁)安装图5TT形盖梁与GM40既有墩平面(单位：cm)钢盖梁及墩柱采用Q345D钢板加工制作，所2．3钢盖梁受力分析有焊缝均为连续焊缝，对接和平接焊缝为I级，必对于横梁加固采用有限元计算程序ANSYS，须焊透。钢板内外表面采取防锈处理，喷砂除锈到结合工程实际情况进行模拟，计算模型及结果见Sa2．5级，内外表面喷涂防锈防腐漆。钢墩柱底部图6、图7。采用板单元，利用对称原理建立1／4模采用地脚锚栓锚固于既有承台顶面。钢墩柱安装型，约束条件：墩底固结，对称面节点固定轴向位移和完成后，为满足支座安装要求，保证钢盖梁顶面与朝轴向的转角，在支座垫板范围施加竖向荷载1500中横梁底部预留50mm士1em高度。kN(每一支座支顶3000kN)。在此竖向荷载作用3．2测力可调支座安装下，盖梁最大挠度值9．5mm。3-2_1支座性能该处使用的测力可调支座是针对该桥专门研究设计的专利产品，支座设计承载力6000kN，水平剪力900kN，在受力过程中支座本身变形小于1mm。与一般桥梁支座不同，它具有两个性能：测力和调高(调整范围是5～15mm)。调高功能实现方式为：用千斤顶将梁体顶升一定高度，将旋转柄插入旋转柄插孔，旋动T型螺纹进行微调，调节完毕后，可用螺钉选人螺纹锁死孔内，用来锁死调节好的支座高度。测力功能实现方式为：由于支座的橡胶垫带有油囊，并在注油机上安有油压表，可在注油设备注油过程中方便地读出支座承压过程中所图6计算模型有的压力，利用这个功能可以检查出某个墩是否 54桥梁结构城市道桥与防洪2012年10月第10期下陷，支座是否有空托现象。后将支座上半部分顶升至梁底预埋钢板密帖，此3_2_2测力可调支座安装时上预埋板的螺栓孔与支座上座板的孔中心基本3．2．2．1准备工作对齐，孔中心偏差不超过±1mm。将支座上锚固螺(1)准确测量钢结构墩柱盖梁与梁底的有效操栓穿入孔中并与上预埋的螺栓孔旋人锁死，卸下作空间距离是否满足49—51cm，确定使用液压顶顶升工具。此时，支座上座板(包括中间板)与上预的规格为WJH200，顶升力为100t。埋板锚固密帖。然而，上座板(包括中间板)被提升(2)鉴于顶升安装调试工作是在不断交的情况后，中间板底面与盆内腔的橡胶垫之间出现间隙。下进行，为确保安全，确保畅通，准确计算梁体及待上座板固定好之后，下座板此时与钢垫板中心桥面结构物重量，计算车辆通行荷载，计算新建钢线重合。结构墩柱盖梁的承重，以及安装调试所需要的承压(6)同步液压顶、限位仪及千分表的布置力，确定布顶数量为l2套，原则上采用布顶顶升力按设计要求及理论数据计算结果，均匀将液压与安装调试支座所需的承压力相匹配，误差在1顶布置于支座两侧，且液压顶布置于3条平衡线MPa以内。上，与支座间预留出相应的操作空间，以满足支座(3)由于安装调试支座是依据桥梁现状而采取调试的作业要求，相对称处也按此方法布置。为增的技术措施，所安装调试的支座与图纸设计将略大液压顶与梁底间的受力面积，在梁底与液压顶有差异，但此误差在2mm以内。间安装钢垫板。然后，接通高压油路，调试液压油(4)安装支座垫板。支座安装前，对支座安装泵的输油管道，检查油管密封情况。将限位仪分别位置测量放线，在既有横梁底打孔，孔径95mm，安置于钢结构盖梁两端的下端，钢结构盖梁两端深度275mm，每处支座4个孔，冲入植筋胶，将支的正上方梁底部，原桥梁支座两侧，钢结构墩柱座垫板(含地脚螺栓套筒)固定于梁底，确保其平处，并连接到电脑数控显示器上。将千分表安置于整，四角高差不超过2mm。钢结构墩柱盖梁两端的边缘处。将测力机油管与3．2．2．2安装调试支座支座油囊油管连接好，安装位移指针、探测仪。(1)施工平台准备工作(7)顶升及测力调试工作根据确定的施工方案，做好施工场地工作平台对需要安装调试支座的钢结构墩柱盖梁进行的搭设，如现场已布置施工平台，则对其加固。并详细检查，记录有无裂缝和下沉等情况。如一切正搭建支座专用承重平台(承重不小于3t)。常，启动同步液压系统，同步顶升，控制顶升速度(2)支座安装前准备工作在1mm／min，依据测力调高支座的操作需求，配合清理上预埋板及下垫板杂物，使其平面干净平顶升，顶升高度控制在8mm以内(如墩柱有异样整，清理上预埋板螺栓孔，方便安装螺栓。将上预情况出现立即停止)。由专业技术人员于工程车操埋板及下垫板画出十字定位线，要求定位线上下作间操作，并认真观察记录设备所显示数据，控制对齐，并且上预埋板定位线应与其4个螺栓孔的顶升力不超过设计要求。施工平台上技术人员应中心对角线的中心点重合，偏差不超过±1mm。支重点观测盖梁与异形板变化，(如有异样出现立即座开封，去掉包装后，于支座上下面画出十字定位停止操作)。为保证顶升测力调试的效果，详细记录线，偏差不超过±1mm。监测盖梁挠度的变化。参考数据：100t时2．7mm，(3)支座及顶升设备吊装200t时5．3mm，300t时8mm。将支座整体吊装至支座承力平台上，将高空作当盖梁挠度变化值达到设计要求时，通过旋转业顶升所需设备吊装至施工平台上。中间钢衬板增加支座高度，将中间板旋转至与内(4)支座就位盆橡胶垫密帖。然后顶升设备还原，开启测力机，使用辅助工具将支座由承力平台平移至钢垫进行测压，测压过程中要及时观察百分表位移，同板上(辅助工具：利用耐磨板及硅油润滑材料辅助时记录压力表压强。根据压强值按附表计算支座平移支座)。支座被移至钢垫板上后，利用工具将的实际承载力。如支座承载力未满足要求的300t，支座按设计要求调整就位，要求将支座上下面的需再次顶升对中间钢衬板高度进行调节，直至支十字定位线与上预埋件、下垫板的十字定位线重座承载力符合设计要求。合，其偏差不超过±lmm。(8)支座安装调试后观察测量及收尾(5)支座安装支座调试至符合设计要求，经观察无异样，检支座调节就位之后，将其4个吊装板拆除。然查所记录数据无差错，测量结果与数据相符合，则 2012年l0月第10期城市道桥与防洪桥梁结构55证明支座已经满足技术使用要求，固定支座中间表1施加顶力过程中钢盖梁应变数据表钢衬板。然后，将下座板进行电弧焊接处理，采取断续焊，每边两条焊缝，焊脚高度为10mm，焊缝长度为250mm，焊缝间隙为200mm，施工过程依照《电弧焊机通用技术条件》(GB—T8118)要求进行焊接，焊接质量应符合《建筑机械焊接质量规定》(TJ12．1—1981)相关要求。焊接完毕后，去药皮打磨平整，喷涂养护，安装防尘围板。整理施工平台所有设备，支座安装调试工程完毕(见图8)。满足设计要求。(2)施加顶力过程中各测点应变随顶力变化见图10。16．00014．00012．000图8测力可调支座安装及调试照片g10．000篓s．ooo4监控量测6．o0040004．1监测项目2．000匿：0．000为准确掌握千斤顶施加顶力过程中以及顶力010020030040转换至支座后钢结构应力及应变的变化规律，顶鞭许九—～钢盏梁尔端南侧—-·一钢盏粱乐端北侧钢盖梁东端t缘升及支座转换阶段对两处钢盖梁应变(应力)进行16000全过程监测。钢盖梁应变(应力)监测测点布置见14000图9(两处桥墩相同：东侧测点由上至下，由北至南12．000依次编号D01一D12，西侧测点由上至下，由北至南l／。茸10．000依次编号XO1～X12)。／蜗8000’／6．000．／／／4000；⋯2．000；0．0000100200300400顶升力／t十钢盖梁西段南侧十捌盖粱西段北侧-．_铮I盏粱砥段上缘图10施加顶力过程中各测点应变随顶力变化曲线图图9钢盖梁测点布置图4．2监测数据(3)施加顶力过程中各测点应力随顶力变化见桥墩应变变化均以19—1轴西侧为例。图11。(1)施加顶力过程中钢盖梁应变数据见表1。(4)顶力转换至支座后盖梁应力变化见图12。由于第一次顶升施加300t顶力并转换至支5结论及建议座后，应力损失较大，难以满足要求。后进行了二次顶升调试，加大顶升力至380t，转换后的回弹变根据顶升及顶力转换至支座后对钢盖梁应变形量有所减小，最终支座反力达到250t左右，可及应力的监测结果，可总结如下结论： 56桥梁结构城市道桥与防洪2012年10月第l0期1200(1)在顶升阶段新增钢盖梁两侧梁端挠度均随1000顶升力的增加基本呈线性变化，挠度变化量与设／量800—／：计预期基本一致。氆600‘⋯一【^400’／／(2)在顶升阶段新增钢盖梁两端悬臂上缘拉应／I⋯．力基本呈线性变化，与挠度监测数据反映一致，应／200力变化量与设计预期一致。000l00200300-100(3)由于钢墩柱底部与既有承台间存在空隙、支顶升力／t一钢箍梁DO1钢盖粱DO4一钢盏槊D07_’—钢盖粱DIO座本身压缩变形、支座垫板压缩变形等因素影响，在应力转换至支座后将不可避免产生损失。在保证原结构、钢弹簧安全的前提下，可以适当降低“钢弹簧”刚度，加大位移量，降低施工操作难度。(4)GM40和GM41号墩柱支座转换后应力没有明显的下降趋势，应力变化平稳。支座承受力约为220～250t，可改善中横梁受力状态，满足受力要求。(5)该桥属于带载加固，特别是中墩的恒载反项升)j／t—·一翎盏梁XOI·钢盖架X04呻翎盖梁X07_．—钢盖粱XIO力占87％，如果仅仅采用传统的粘贴纤维、钢板等图11施加顶力过程中各测点应力随顶力变化曲线图措施，不能从根本上提高结构的承载能力。桥梁加固设计必须考虑分阶段受力的特点，尽量采用主动的加固设计方案，如：预应力技术、千斤顶支顶托换、“钢弹簧支顶”等措施。20．甲2甲甲甲甲参考文献昌占串c。当虫蜜器高昌[1]北京市市政工程设计研究总院．北京地铁十号线国光区间国贸一钢盖粱D01钢耋盖粱Do4—一锕盖粱。D。07—巍梨礁协桥一期异形板桥梁加固工程施工图[z]．2008．薯==二；：二：[2】潘可明，闰保华，杨冰．北京国贸桥异形板加固设计与研究【A]．第十九届全国桥梁学术会议论文集(下册)【C】．北京：人民交通i-⋯————‘一——————————————一————————————出版社。2OlO．七二一二二二二二二二二二二二二二二【3】庄军生，黎国清，张士臣测力式盆式橡胶支座【Pj．中国专利：蓁；南；南南；南；南星墨出南；南；由；由CN95229016．2．1996一l0—16．[4]GB50550—2010，建筑结构加固工程施工质量验收规范[s]．[5]JTG／TJ23—2008，公路桥梁加固施工技术规范[s】．图12顶力转换至支座后盖梁应力变化曲线图世界最大跨度公铁两用桥——黄冈长江大桥合龙长江上第六座公路铁路两用桥，也是目前世界同类桥梁跨度最大的黄冈长江大桥近日实现主跨钢梁合龙。黄冈长江大桥建成后，将真正实现大别山革命老区湖北黄冈市与武汉从公路、铁路及轨道交通方面全方位的“无缝对接”。黄冈长江大桥全长4008m，设计为双层桥面，下层为双线高速铁路，上层为4车道高速公路，主桥采用双塔双索面钢桁梁斜拉桥方案，其主跨567ITI，是目前世界已建和在建同类型桥梁中跨度最大的。投资23亿元的黄冈长江大桥于2010年2月动工，是新建武汉至鄂东黄冈城际铁路、黄冈至鄂州高速公路的共用过江通道的控制性工程，集公路、铁路及城际铁路三位一体。预计2013年底大桥建成通车，届时武汉至黄冈只需28min，成为武汉至华东地区的主要交通出口通道和区域内铁路公路综合交通大动脉。