保通条件下中承式拱桥吊杆更换受力及变形性能分析

保通条件下吊杆更换对中承式拱桥力学性能影响分析高燕梅1、周志祥1、许华东2（1.重庆交通大学，重庆，400074，2.重庆市设计院，重庆，400015）摘要：本文针对桥下净空较小时，采用在桥下设置临时支架进行吊杆更换，仅需在新吊杆张拉锚固时中断交通，可显著减小对道路交通的不利影响。建立空间有限元模型，分析了旌湖大桥吊杆更换时对吊杆横梁和拱肋受力及变形影响，分析表明更换时对拱肋内力影响较大，吊杆横梁若发生较大的位移，都将会导致纵梁或桥面板的开裂，进而提出吊杆更换时吊杆横梁支撑点容许最大向上位移量。关键词：中承式拱桥，临时支架，保通条件，吊杆更换，力学性能，有限元法中图分类号：U443.38文献标志码：AStudyonMechanicalEffectofSuspenderReplacementtoHalf-ThroughArchBridgewithTemporaryTrafficClosureGAOYanmei1,ZHOUZhixiang1,XUHuadong2(1.ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China;2.ChongqingArchitecturalDesignInstitute,Chongqing,400015,China)Abstract:Jinghubridgeisahalf-througharchbridgewithasmallunderbridgeclearance,toconductsuspenderreplacement,temporarypiersaresetunderbridge,trafficclosureisrequiredonlywhenthetensionandanchorofsuspender,thusunfavorableeffectoftrafficclosureissignificantlyreduced.Thispaperanalyzedmechanicaleffectofsuspenderreplacementtotransversegirderandarchribusingspatialfiniteelementmodelanalysis(FEM).Resultsshowthatsuspenderreplacementhasasignificanteffectoninternalforceofarchrib,providedthatlargedisplacementarecasedtosuspenderandtransversegirder,longitudinalgirderordeckwillcrack,therefore,allowablemaximumdisplacementsoftransversegirdersupportswhenconductingsuspenderreplacementareproposed.Keywords:half-thougharchbridge,temporarypiers，suspenderreplacement,trafficcondition,structuralperformance,finiteelementanalysis1.引言中下承式混凝土拱桥造型优美，跨越能力大，近30年得到日趋广泛的应用。但随着时间的推移，吊杆耐久性、可靠性引发的问题日渐突出，许多早期修建的桥梁吊杆严重锈蚀应及时更换，以确保桥梁的安全运营，延长桥梁的使用寿命，避免恶性事故的发生。目前，中下承式拱桥吊杆更换方法大致可以分为临时吊杆法、临时兜吊法和临时支架法。临时支架是在被更换吊杆下吊点的横梁下设置临时钢支架，用临时支架代替被更换吊杆支撑住横梁，安全可靠，此方法仅需在新吊杆张拉锚固时中断交通，所以可以实现基本保通条件下的吊杆更换，显著减小对道路交通的不利影响。并且该方法无需在桥面穿孔，对原桥无损坏，适合桥下净空较小，方便搭设支架的桥梁[2.3.8.]。为了确保吊杆更换时桥梁的安全，需要对桥梁的受力及变形性能进行仔细研究，结合旌湖大桥，分析了吊杆更换对吊杆横梁和拱肋受力及变形影响[10]。2.工程概况四川德阳市旌湖大桥为主跨90m的中承式提篮拱桥（图），设计荷载等级为汽－20、挂－100。检测结果表明，结构承载能力满足设计要求，但作为重要部件的吊杆，表面防护层严重损坏，内部钢收稿日期：2013-12-10；修订日期：基金项目：科技部973计划（2012CB723300）“桥梁结构行为演化理论与安全监测方法研究”作者简介：高燕梅(1974-)，女，四川宜宾人，讲师、硕士，主要从事桥梁结构行为与新技术研究。E-mail：[e-mail]；丝锈蚀严重（图2），吊杆力与上次检测一致性差，可认为其出现轻度功能性病害，需对吊杆进行更换[5]。图1德阳旌湖大桥图2吊杆PE套破损及钢丝锈蚀状况Fig.1DeyangJinghuBridgeFig.2theBreakagePEFaggingandtheCorrosionSteelWires3.保通条件下吊杆更换施工方法德阳旌湖大桥位于德阳市主要交通干道上，交通量很大且绕行道路过长，中断交通将给当地人民生活带来严重不便并产生较大的不良社会影响。而且此桥桥下净空较小，方便在桥下设临时支架。因此提出在可实现保通条件下，用临时支架法进行吊杆更换，（图3），主要施工工序包括桥下安装临时支架→拆除旧吊杆→安装新吊杆（中断交通）→调索（中断交通）[5.6]。图3保通条件下的吊杆更换方法Fig.3themethodofSuspenderReplacementwithTemporaryTrafficClosure采用上述方式更换吊杆，施工简单，操作方便，结构行为易于控制，仅需在用张拉千斤顶对吊杆进行加载或卸载，才中断交通，其余时间均可实现限载限速条件下的道路保通，可显著减小对道路交通的不利影响。采用上述方式更换吊杆，施工简单，操作方便，结构行为易于控制，仅需在用张拉千斤顶对吊杆进行加载或卸载，才中断交通，其余时间均可实现限载限速条件下的道路保通，可显著减小对道路交通的不利影响。4.有限元模型的建立为了研究吊杆更换时桥梁的主要结构行为，采用MADISCivil对主要受力结构进行模拟，其中整体坐标和截面坐标的选取见图4。模型中拱肋、横撑采用空间梁单元模拟，吊杆采用空间杆单元模拟，桥面板采用实体建模，以便于观察桥面板的应力状况。对吊杆单元施加“初拉力”荷载来模拟吊杆张拉力作用，“初拉力”的大小取该桥检测时的实际测量数据。释放吊杆单元与拱肋单元及横梁单元之间的转动约束，桥面板和吊杆横梁之间采用刚性连接。考虑到吊杆更换时不中断交通，结构的荷载考虑恒载和活载共同作用，活载包括汽车荷载和人群活载按照规范规定的方法在全桥布置。桥面板下的临时支撑采用墩柱来模拟，当更换吊杆时，临时支撑墩柱下端固结，上端支撑吊杆横梁处采用弹性刚度较大的弹性支撑，因此模拟桥面系作用于加载的千斤顶上。当临时支撑激活时，对应吊杆钝化使其退出结构受力。吊杆更换完成后，激活对应吊杆使其参与结构受力[1.4]。图4德阳旌湖桥空间有限元模型Fig.4thefiniteelementmodelanalysis(FEM)ofDeyangJinghuBridge5.吊杆更换对拱肋内力影响分析采用临时支架法进行吊杆更换，当旧吊杆拆卸时，拱肋内力和位移将发生很大的变化，而新的吊杆安装上后，理论上拱肋的内力恢复成原来的状左岸右岸上游下游态。以下为临近L/4截面处取下从左岸向右岸第四对旧吊杆的计算结果：图5成桥状态拱肋弯矩图图6取下第四对吊杆拱肋弯矩图Fig.5theBendingMomentDiagramofArchRibFig.6TheBendingMomentDiagramofArchRibintheOperationBridgeStagewithUnloadingtheForthSuspender图7成桥状态拱肋轴力图图8取下第四对吊杆拱肋轴力图Fig.7theAxialForceDiagramofArchRibFig.8theAxialForceDiagramofArchRibinOperationBridgeStagewithUnloadingtheForthSuspender表1成桥状态各关键截面内力值表2取下第四对吊杆各关键截面内力值Table1theInternalForceValueforKeySectionsTable2theInternalForcevalueforKeySectionswithintheOperationBridgeStageunloadingtheforthsuspender内力截面位置max()FxkNmin()FxkNmax()QykNmin()QykNmax()MykNmmin()MykNm内力截面位置()FxkN()QykN()MykNm左拱脚-23068.65-23623.59-19.91-289.2-3138.15-3762.58左拱脚-22664.65-234.86669.35左/4l-12575.81-12637.36-425.92-496.19-395.18-1018.38左/4l-11785.18-3.62-5718.41左3/8l-9919.91-9949.21-222.59-291.021031.69751左3/8l-9736.5-554.32-433.61拱顶-8987.54-8984.03-276.74-340.582732.842423.67拱顶-8676.2-486.114003.21右/4l-9963.81-9935.55324.32258.33259.7578.11右/4l-9593.64223.212403.28右3/8l-12648.25-12587.88507.06438.14-988.62-1627.42右3/8l-12245.58508.16177.24右拱脚-23627.28-23091.18290.4930.34-2113.85-2764.16右拱脚-22802.79233.36-7071.17从以上计算结果可以得知，当更换左岸第四对吊杆时，左拱脚的弯矩从-3762.58变为669.35，弯矩的方向发生了相反的变化。其余的控制性断面均有较大幅度的变化，最接近更换吊杆的断面左半跨/4l断面处，弯矩从-1018.38增大到-5718.41，弯矩值是原来的5.6倍。右拱脚的弯矩从-2764.16增大到-7071.17，是原来的2.6倍。KN.M-10000-8000-6000-4000-2000020004000成桥施工阶段1施工阶段2施工阶段3施工阶段4施工阶段5施工阶段6施工阶段7施工阶段8施工阶段9左拱脚左半拱L/4拱顶右半拱L/4右拱脚KN.M-10000-8000-6000-4000-2000020004000成桥施工阶段1施工阶段2施工阶段3施工阶段4施工阶段5施工阶段6施工阶段7施工阶段8施工阶段9左拱脚左半拱L/4拱顶右半拱L/4右拱脚图9各施工阶段关键截面Y方向弯矩最值图Fig.9theMaximalValueofYDirectionMomentwithKeySectionsintheConstructionStages经过空间有限元的模拟计算分析，从上图9可知，吊杆在拆卸和安装的过程中，吊杆对应拱肋截面的内力变化最大，甚至出现弯矩反号现象，最大截面弯矩增大了5.6倍，所以吊杆更换过程中，内力的变化不容忽视，需对控制性断面进行监控。6.吊杆更换对吊杆横梁影响分析设置临时支撑更换吊杆时，需要在临时支架上安装千斤顶支撑横梁，使该吊杆部分卸载，横梁、纵梁、桥道系恒载及桥上活载均由临时支架承受。在千斤顶顶升过程中，横梁不可避免的将发生一定位移，由此对桥道系结构产生影响。当横梁位移过大时，可能造成桥道板变形过大而开裂，为此首先将第4对吊杆处施加1cm向下强迫位移，分析纵梁和桥道板的受力情况（如图11）[7.9]。图10成桥状