摘要：大跨斜拉橋支座病害對結構受力影響較大，需對其進行更換處理.為保證馬桑溪長江大橋主橋支座更換過程中結構的安全性，基于ABAQUS建立墊石實體模型，驗算其承載能力，同時利用MidasCivil軟件建立全橋有限元模型，計算支座頂升的頂升力、頂升過程中梁體應力及索力的變化，并分析伸縮縫對支座更換的影響.結合施工監控的結果表明更換支座過程中主梁應力和索力變化均較小，結構安全儲備較高.在頂升過程中，支座墊石安全可靠，但未解除伸縮縫約束會增加頂升難度，造成頂升失敗，因而更換支座前先將橋面約束解除.

　　關鍵詞：斜拉橋;支座更換;有限元法;內力分析;施工監控

　　據交通部統計，截至2019年底我國橋梁總數已超過了100萬座，位居世界第一，其中公路橋梁已超過87.83萬座[1].隨著我國橋梁服役期的不斷增長，其安全性、耐久性及維護管理的問題日益嚴重，安全保障問題也日益突出，較大部分橋梁在服役期間由于環境影響、車輛荷載增加以及材料老化等原因呈現出各種結構性病害[2-4].支座作為橋梁上部結構與下部結構之間的傳力構件，正常運營過程中往往會出現各種病害，對結構的受力有很大影響[5-6].

　　因此，在橋梁結構的服役期內，會對病害嚴重的支座進行更換處置[7-11].目前多采用結合結構內力優化的多點同步頂升的方法進行支座更換[12-13]，報道較多的為梁橋支座的更換[14-16]，而對于大跨斜拉橋的支座更換工程實例較少[17-18]，對于外部約束對支座更換的影響研究也不多.因此，對于斜拉橋大噸位支座的更換以及伸縮縫約束對支座頂升影響的研究有較大的工程應用價值.

　　1工程概況

　　馬桑溪長江大橋位于大渡口區馬桑溪到巴南區花溪鎮先鋒村石子山之間，是主城區內環高速公路跨越長江的公路橋梁.主橋為(179+360+179)m的三跨預應力混凝土雙塔雙索面漂浮體系斜拉橋.

　　主梁截面形式采用預應力混凝土分離式三角箱形斷面，梁中心高度3m，主橋中跨和邊跨設置為半立方曲線的預拱度.全橋共118對斜拉索，由PE材料包裹好的φ15.24低松弛鋼絞線組成，其標準強度為1860MPa.主橋下部結構為空心薄壁墩，索塔形式采用倒Y型，箱型斷面.馬桑溪長江大橋0號臺處的2個橡膠支座(型號分別為GPZ20SX雙向活動支座、GPZ20DX單向活動支座)磨損嚴重，對結構受力及正常運營產生了較大的影響，需對其進行更換.本文先考慮了伸縮縫影響的支座更換前的頂升力計算和千斤頂布置，以及為防止頂升過程中對結構造成損傷，進行支座墊石和主梁結構的計算，然后進行施工監控測點布置，最后進行監控數據的分析.

　　2頂升力的計算及千斤頂布置

　　為得到千斤頂頂升力的設計值，便于施工中千斤頂的布置，采用有限元軟件MidasCivil建立主橋全橋模型，計算頂升到設計值2cm時支座的反力值.全橋共842個節點、595個單元，除拉索使用只受拉單元外，其余單元均采用梁單元模擬.全橋有限元模型.塔底采用固結約束，橋臺處約束Dy、Dz，拉索與主梁節點間采用剛性連接，主梁和主塔橫梁間采用彈性連接.拉索的初拉力值采用《2019年度馬桑溪長江大橋檢測評估報告》中的索力值.

　　2.1伸縮縫影響分析

　　馬桑溪長江大橋大渡口側橋臺處設有SSFB-480伸縮縫，在計算千斤頂頂升力時需考慮其約束作用.在MidasCivil模型中建立橋臺與主梁間的彈性連接，主要考慮其豎向剛度的影響，由于伸縮縫的設計參數中沒有豎向剛度，因此結合設計圖，將位移箱及橫梁的抗推剛度設為伸縮縫的豎向剛度(計算值為1000000kN/m).通過設置節點強制位移2cm來模擬支座頂升，計算得總支座反力為39364kN，而沒有考慮伸縮縫影響時的支反力為34335kN，減少了5029kN.此外，由于馬桑溪長江大橋橋面整治工程需更換伸縮縫，因此可以先將伸縮縫拆除，再進行支座更換.

　　2.2千斤頂布置

　　將解除伸縮縫影響后計算得到的頂升力34335kN取為34400kN，因此單個支座的頂升力為17200kN.為避免局部壓力過大，對結構造成損傷，擬采用每個支座布置16個200t的千斤頂.在千斤頂的頂部和底部均放置2cm厚的鋼墊板.

　　3結構驗算

　　3.1墊石計算

　　由于千斤頂布置于墊石靠近邊緣的位置，在頂升過程中會導致局部受壓，引起墊石破壞，造成頂升失敗.為防止墊石局部受壓破壞，采用ABAQUS建立墊石的實體有限元模型.結構尺寸、配筋圖及有限元模型。

　　模型共26644個節點，33329個單元.墊石C40混凝土采用塑性損傷模型，鋼材采用彈塑性模型.墊石和鋼墊板均采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元進行模擬.墊石底采用固結約束，鋼筋與墊石采用內嵌方式進行連接，鋼板與墊石采用綁定約束.荷載采用壓強進行施加，每塊鋼板上施加1.2MPa.

　　經計算，墊石最大壓應力為1.1MPa，無等效塑性應力;鋼板最大應力為1.73MPa;鋼筋最大應力為3.23MPa;結構最大變形量為0.029mm.在整個頂升過程中，墊石都處于彈性階段，安全可靠，無需做局部加固處理.

　　3.2主橋結構計算

　　為保證頂升過程中結構的安全，在MidasCivil中建立頂升過程的施工階段，將頂升高度2cm劃分為3個階段共20個步驟進行模擬：前5步按照2mm為增量，下面5步以1mm為增量，最后10步增量為0.5mm.分別計算每個步驟主梁應力以及索力值.

　　由于支座處梁體頂升產生的局部效應對近端梁體及索力的影響較大，而對于遠端的影響可忽略不計，因此計算時選取邊跨L/4截面和大渡口側上下游的29#索進行分析.限于篇幅，僅列出初始階段、頂升高度為5、10、15、20mm時的主梁的應力以及索力值.

　　(增量為最后階段相對于初始階段的值). 當頂升高度為20mm時，邊跨L/4截面上、下游側主梁應力均為-8.91MPa，相對于未頂升時的變化量為0.13MPa，截面仍為受壓狀態，且應力貯備較大;上、下游側的29#索力均減少10.51kN，對結構的安全性并無影響.

　　4支座更換施工過程中的監控

　　為確保支座更換過程中主橋關鍵截面的應力增量以及索力變化在合理的范圍，本次監控內容為更換過程中主梁的應力增量、索力變化以及對PLC同步頂升系統的頂升值進行校核.其中采用運營監測系統監控主梁應力，采用索力動測儀測量索力，采用千分表對頂升值進行測量校核.

　　4.1監控測點布置

　　應力監控選擇邊跨大渡口側L/4和L/3截面，應變儀固定在箱梁底部，每側布置2個;索力則選擇大渡口側上游29#和下游29′#進行監控;千分表底座安裝在千斤頂底部的鋼墊板上，測桿垂直頂于梁底.

　　4.2監控測量結果分析

　　現場采用PLC同步頂升系統進行施工，實現位移和壓力的雙控，同時采用千分表進行位移校核.頂升力與頂升高度關系，從有限元計算值和現場實測值的對比來看，兩者變化趨勢基本一致，都大致呈線性變化，有限元計算值比實測值大178kN，結構安全.現場索力測量按照每頂升5mm記錄一次，上游29#、下游29′#索同時測量.上游29#、下游29′#索的實測值和計算值對比.從中可以看出計算值均比實測值大6～8kN，但計算值的增量與實測值增量基本一致，且兩側實測增量差值僅0.4kN，說明千斤頂同步工作效果較好.

　　主梁應力每頂升2mm讀取1次，表示L/3和L/4截面主梁應力增量的實測值和計算值對比.從中可以看出，L/3截面應力增量約為0.12MPa，L/4截面應力增量為0.13MPa.2個截面的實測增量和計算增量基本一致，說明有限元模擬較為準確，頂升過程中主梁應力安全貯備較高.

　　5結論

　　為避免支座病害對結構造成安全影響，對馬桑溪長江大橋支座更換設計進行計算分析，給出了主梁設計頂升高度所需要的頂升力，分析了伸縮縫剛度對頂升的影響，以及驗算了支座墊石的強度.對施工過程中橋梁結構控制截面應力和索力進行了監控，結果表明：

　　1)頂升過程中支座墊石安全，計算結果可靠，千斤頂的布置合理.2)未拆除伸縮縫對結構頂升影響較大，建議在更換大噸位伸縮縫時先將伸縮縫拆除，減少結構的約束.3)主梁應力和索力變化均較小，結構安全儲備較高，上游側和下游側主梁應力和索力變化基本一致，說明施工過程中千斤頂同步工作效果較好;主梁最大應力和索力的增量與有限元計算結果相近，表明該支座更換方法是切實可行的，可為今后大跨徑斜拉橋大噸位支座更換提供參考.

　　參考文獻：

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　　作者：楊明1，陳暢1，王宗山1，張向和2