徐 浩，黄耀莹

(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

随着我国交通运输业的发展以及桥梁使用时间的增加，部分桥梁出现了大大小小的影响结构安全运营和耐久性的问题，如支座脱落、垫石破损等，此时需要采用顶梁钢支架对梁体进行顶升以更换支座等部件。张敏等为了保证钢箱梁支架结构设计的安全合理性及安装施工的高效性，对采用钢管支架法施工的斜拉桥进行了合理支架设计[1]。吕小龙等对现浇组合梁翼缘施工的支架受力情况和经济性进行了分析[2]。在工程中，采用哪种钢支架形式既经济安全又合理是目前需要解决的问题。因此本文以某桥进行梁体顶升、更换支座为工程背景，对不同形式的顶梁钢支架进行了验算。

1 工程概况

某高速公路第16跨桥梁15#墩柱发生纵向偏移(墩柱偏移约30～40 cm，梁体向右侧偏移约40 cm)，造成桥梁支座脱落，垫石破损。该桥跨越汉江任河，全长2 596.02 m，箱梁跨径组合为3×30 m+16×40 m+30×30 m+24×30 m，其中15#桥桩基长15.7 m，墩高20.12 m，位于深水区，给高速公路通行车辆带来重大安全隐患。为此，对桩基进行加固与替换，采用钢结构支架对梁体进行顶升，然后拆除被破坏的墩柱，并对桩基进行加固。为保证支架的安全性，对支架进行顶升过程的全面验算，确保施工过程中支架的强度、刚度、整体稳定性和局部稳定性。

按照规范要求[3-6]，钢支架各构件采用Q235钢材，高度为23 m。沿纵桥向间距为5.6 m，横桥向为四根钢管，间距为(3.65+3+3.65) m。各钢管的高度相同，桥面横坡由钢盖梁上的钢垫箱和钢垫板组成。钢管采用φ630 mm、壁厚24 mm的无缝钢管。横向联系采用32C工字钢及20#槽钢。斜撑采用16#工字钢。钢盖梁采用三根50C工字钢并排放置，并每隔一段距离上下各自焊接一块厚度为20 mm的钢板。相关布置如图1和图2所示。

图1 钢支架纵横向示意图(cm)

图2 钢支架俯视图(cm)

2 钢支架方案设计

本工程分别采用有限元软件进行了四种设计方案的强度和刚度验算、弹性和弹塑性屈曲计算以及局部验算。

在顶升梁体过程中，钢支架主要承受梁体自重以及桥面铺装等二期恒载作用。考虑分项荷载如下：

箱梁自重：箱梁面积A=1.21 m2，则q1=1.21×26=31.52 kN/m；人行道、栏杆、护栏：取q2=19 kN/m；桥面铺装：q3=24×0.1×10.75=25.8 kN/m；防水层：q4=0.2×0.01×12=0.024 kN/m；防水混凝土：q5=25×0.15×12=45 kN/m。以上分项计算的均布荷载为：

在上述荷载的作用下，考虑以下两种梁体作用体系，分别计算钢支架的顶升力：(1)直接按简支梁计算，将一跨箱梁自重及二期恒载作用下的反力当作顶升力，此时R=53.98×40/2=1 079.6 kN；(2)考虑四跨连续梁体系，计算自重及二期恒载作用下顶升支反力，此时R=1 022.1 kN。

四种设计方案分别为：方案一满布斜撑钢支架；方案二间隔去掉斜撑钢支架；方案三保留顶上四节斜撑钢支架；方案四侧向去掉部分斜撑钢支架。

钢支架各构件的材料规格与钢材如表1所示。依据《钢结构设计规范》(GB50017-2017)[3]，Q235钢材容许弯曲应力[σw]=145 MPa，容许轴向应力[σ]=140 MPa，容许剪应力[τ]=85 MPa。

表1 材料参数表

3 钢支架设计

建立顶梁钢支架的整体有限元模型，进行同步顶升和非同步顶升两种情况下四种方案的钢支架有限元分析。钢管墩、钢盖梁、横向联系以及斜撑均采用梁单元模拟，共由3 513个节点、3 893个单元组成。采用相互作用中的绑定将钢盖梁的三片工字钢连接，采用MPC梁将钢盖梁和钢管支墩连接在一起。另外，施工的操作空间必须满足拆卸材料的吊运，因此，有必要去掉一部分斜撑的布置形式。分别进行四种方案的计算，并且把两侧顶上的斜撑由16#工字钢换成了32C工字钢。四种方案计算模型分别如图3所示。

4 强度和刚度验算

对四种方案的钢管墩进行了强度验算和刚度验算。

方案一的计算结果为：同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩最大组合应力为57 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.4 mm；非同步顶升的工况下在边墩的顶部附近，钢管墩最大组合应力为64.1 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.3 mm。

(a)方案一 (b)方案二

方案二的计算结果为：同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩最大组合应力为58.6 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.4 mm；非同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩的最大组合应力为65.2 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.4 mm。

方案三的计算结果为：同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩的最大组合应力为57.3 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.3 mm；非同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩的最大组合应力为64.3 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.3 mm。

方案四的计算结果为：同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩的最大组合应力为40.0 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.5 mm；非同步顶升工况下在边墩的顶部附近，钢管墩的最大组合应力为44.8 MPa，钢管墩的最大竖向挠度为3.6 mm。

由上可知，四种方案的钢支架均小于Q235钢材的容许应力值145 MPa，即钢管墩的强度都满足要求。

同时，对四种方案的连接系和钢盖梁进行了强度和刚度验算。以方案一的非同步顶升工况为例，连接系和钢盖梁应力云图如图4和图5所示。从图4～5中可知方案一的非同步顶升工况连接系的最大组合应力为144 MPa，钢盖梁的最大组合应力为41 MPa。各种支架方案的钢盖梁应力均小于《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》[4](JTJ 025-86)Q235钢材的容许应力值145 MPa。

图4 连接系应力云图

图5 钢盖梁应力云图

四种方案在同步顶升和非同步顶升工况下的连接系和钢盖梁计算结果如图6所示。从图6可知四种方案分别在两种工况下的对比情况。

图6 不同工况下各构件应力值对比曲线图

从图6中可以看出，各方案非同步顶升应力普遍大于同步顶升的应力，因此施工条件满足时在构件强度方面同步顶升优于非同步顶升。在不同方案和顶升形式下，连接系部位的应力远远大于其他构件部位，最大应力达到了116.4 MPa。不同构件位移图如图7所示，不同方案下钢盖梁的位移大于钢管墩的位移，方案四两种构件位移值最为接近。钢盖梁和钢管墩挠度均小于《公路桥涵施工技术规范》(JTGT F50-2011)[6]规定的L/400=9.1 mm。

图7 不同工况下不同构件位移值对比曲线图

5 稳定性计算

本文对钢支架的稳定性进行了计算，分别从弹性屈曲和弹塑性屈曲两方面进行了斜撑屈曲、钢管墩屈曲、钢管墩大范围屈曲三部分的稳定系数分析。以方案四为例，钢管墩大范围弹性失稳模态如图8所示，屈曲稳定系数对比结果如后页图9所示。

图8 钢管墩大范围弹性失稳模态(λ=13.36)云图

图9 不同工况下各关键部位屈曲稳定系数对比曲线图

从图8可以看出，方案四失稳形式为最顶部的斜撑，因此，在抢险顶梁钢支架架设时，此部位的斜撑需要加强。从图9可以看出不同方案在同步顶升和非同步顶升情况下，钢管墩的屈曲稳定系数远大于斜撑，且同步顶升的稳定系数较高。斜撑的屈曲系数在各个工况下都在4左右。

6 结语

本文设计分析了四种形式的顶梁钢支架，计算了在同步和非同步顶升下各个钢支架不同构件的应力变形和稳定性，得到如下结论：

(1)以上四种钢支架形式的钢管墩、连接系、钢盖梁的应力都满足规范要求。钢盖梁的挠度也均满足规范的要求。考虑施工的方便性以及结构整体稳定性的要求，方案三和方案四稳定性较差。建议注意斜撑的设计。

(2)为防止钢盖梁工字钢腹板的屈曲，应适当每隔一定距离焊接腹板加劲肋。腹板加劲肋的布置形式可为：加载点按30 cm间距，非加载点按50 cm间距。

(3)为了保证施工安全，施工过程中应尽量保证各千斤顶的同步顶升与同步落梁。