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 高燕梅高燕梅 1 1 周志祥 周志祥 1 1 许华东 许华东 2 2 1 重庆交通大学 重庆 400074 2 重庆市设计院 重庆 400015 摘要 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 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 中图分类号 U443 38 文献标志码 文献标志码 A Study on Mechanical Effect of Suspender Replacement to Half Through Arch Bridge with Temporary Traffic Closure GAO Yanmei1 ZHOU Zhixiang1 XU Huadong2 1 Chongqing Jiaotong University Chongqing 400074 China 2 Chongqing Architectural Design Institute Chongqing 400015 China Abstract Jinghu bridge is a half through arch bridge with a small under bridge clearance to conduct suspender replacement temporary piers are set under bridge traffic closure is required only when the tension and anchor of suspender thus unfavorable effect of traffic closure is significantly reduced This paper analyzed mechanical effect of suspender replacement to transverse girder and arch rib using spatial finite element model analysis FEM Results show that suspender replacement has a significant effect on internal force of arch rib provided that large displacement are cased to suspender and transverse girder longitudinal girder or deck will crack therefore allowable maximum displacements of transverse girder supports when conducting suspender replacement are proposed Keywords half though arch bridge temporary piers suspender replacement traffic condition structural performance finite element analysis 1 引言引言 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 收稿日期 收稿日期 2013 12 10 修订日期 修订日期 基基金金项项目目 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 作作者者简简介介 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 362639258 部钢丝锈蚀严重 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 1 Deyang Jinghu Bridge Fig 2 the Breakage PE Fagging and the Corrosion Steel Wires 3 保通条件下吊杆更换施工方法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 3 the method of Suspender Replacement with Temporary Traffic Closure 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 MADIS Civil 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 4 the finite element model analysis FEM of Deyang Jinghu Bridge 5 吊杆更换对拱肋内力吊杆更换对拱肋内力影响分析影响分析 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 左岸 右岸 上游 下游 的吊杆安装上后 理论上拱肋的内力恢复成原来 的状态 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 5 the Bending Moment Diagram of Arch Rib Fig 6 The Bending Moment Diagram of Arch Rib in the Operation Bridge Stage with Unloading the Forth Suspender 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 7 the Axial Force Diagram of Arch Rib Fig 8 the Axial Force Diagram of Arch Rib in Operation Bridge Stage with Unloading the Forth Suspender 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 Table1 the Internal Force Value for Key Sections Table2 the Internal Force value for Key Sections with in the Operation Bridge Stage unloading the forth suspender 内力 截面位 置 max Fx kN min Fx kN max Qy kN min Qy kN max My kN m min My kN m 内力 截面位 置 Fx kN Qy kN My kN m 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 8 l 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 8 l 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 左半跨断面处 弯矩从 1018 38 增大到 4l 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 2000 0 2000 4000 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 2000 0 2000 4000 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 9 the Maximal Value of Y Direction Moment with Key Sections in the Construction Stages 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 成桥状态三根纵梁弯矩图 图 11 第四对吊杆横梁向下 1cm 强制位移弯矩图 Fig 10 The bending moment diagram of the Fig 11 The bending moment diagram of the Longitudinal Beams with the Operation stage fourth suspender beam with 1cm forced down displacement 图 12 成桥状态桥面板上缘顺桥向应力云图 图 13 4 吊杆横梁强制位移时桥面板上缘顺桥向应力云图 Fig 12 the Stress Nephogram of Deck With Fig 13 the Stress Nephogram of Deck With the Fourth the Operation Stage Suspender Beam with 1cm Forced Down Displacement 分析表明 当 4 横梁发生 1cm 向下强迫位移 后 纵梁 桥道板的应力发生了较大改变 其中 桥道板下缘应力从 0 759 受压 变到 2 167 受拉 趋于 C40 的抗拉强度标准值 桥道板有开裂趋向 从而造成结构损伤 所以需要严格控制吊杆横梁 在千斤顶顶升过程中的竖向位移 因此在施工中 桥面板绝对不允许开裂 即桥面板的上缘更换吊 杆时产生的拉应力不能超过 C40 混凝土的抗拉强 度标准值 因此吊杆横梁的最大允许上升位移量 即由此条件进行控制 表 3 临时支撑点桥面板应力达到最大允许值时的最大允许位移值 Table3 the Maximum Allowable Displacement of Deck at Temporary Support when It Reached the Maximum Allowable Stress 吊杆临时 支撑点序号 临时支撑点向上 允许最大位移值 mm 桥面板上表面最大 拉应力值 MPa 第一对11 52 39 第二对11 12 40 第三对11 62 40 第四对11 12 39 第五对10 32 39 第六对10 02 38 第七对9 82 40 第八对9 32 41 吊杆临时 支撑点序号 临时支撑点向上 允许最大位移值 mm 桥面板上表面最大 拉应力值 MPa 第九对9 42 40 第十对9 72 40 第十一对10 02 39 第十四对11 32 38 第十五对11 52 39 第十六对11 62 40 第十七对11 62 40 第十八对11 42 40 7 结论结论 1 本文针对桥下净空较小的中承式拱桥时 建议采用可实现保通条件的临时支架法 更换吊杆 此方法仅需在张拉千斤顶对 吊杆进行加载或卸载 调整索力时才中 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 2 吊杆更换过程中 对更换吊杆处的拱肋 截面内力影响很大 经常出现弯矩反号 的现象 尤其是更换 4 吊杆时 拱肋 对应截面弯矩值增大了 4 6 倍 不容忽 视 需对拱肋控制性断面进行监控 3 吊杆更换过程中 用千斤顶顶升吊杆横 梁 横梁不可避免的会发生向上或者向 下的位移 当横梁位移过大时 可能造 成桥道板变形过大而开裂 从而人为的 造成结构损伤 因此按照桥面板的上下 缘在更换吊杆时产生的拉应力不能超过 C40 混凝土的抗拉强度标准值的原则 提出吊杆横梁的最大允许上升位移量 控制施工 参考文献参考文献 references 1 苏庆田 杨国涛 吴冲 吊杆更换对九堡大桥主桥受 力性能的影响分析 J 桥梁建设 2011 4 15 19 SU Qing Tian YANG Guo Tao WU Chong Analysis of Effect of Suspender Replacement on Mechanical Behavior of Main Bridge of Jiubao Bridge J Bridge Construction 2011 4 15 19 In Chinese 2 赵 洋 焦洪波 混凝土系杆拱桥吊杆更换施工 J 施 工技术 2011 4 33 36 ZHAO Yang JIAO Hong Bo Suspender Replacement Construction of Concrete Tied Arch Bridges J Technology of Construction 2011 4 33 36 In Chinese 3 王解元 潘德鹏 某拱桥系杆换索设计与施工 J 世 界桥梁 2010 2 66 69 WANG Jie Yuan PAN De Peng Design And Construction of Cable Replacement For Tied Member of a Tied Arch Bridge J World Bridges 2010 2 66 69 In Chinese 4 赵洋 卢玲 钢筋混凝土拱桥更换吊杆施工过程有限 元分析 J 铁道建筑 2013 5 13 15 5 许华东 封闭箱肋拱桥吊杆更换技术研究 D 重庆 重庆交通大学 2009 XU Hua Dong Study on Suspender Replacement Technology of Rib Arch Bridge With Enclosed Concret