一种基于有限元模拟分析的桥梁斜向顶升施工方法与流程

本发明涉及一种桥梁斜向顶升施工方法，特别是涉及一种基于有限元模拟分析的桥梁斜向顶升的施工方法，属于桥梁顶升施工
技术领域：
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背景技术：
：随着我国经济的快速发展，桥梁工程发展迅猛，公路桥梁数量已达80万座，成为我国建造的靓丽名片。桥梁作为重要的交通枢纽，其承载能力、通行能力及桥下净空等均在沟通交通方面起着重要作用。随着各地区发展的需要，存在桥下净空不满足规划改造需要的情况，需对现役桥梁进行适当改造，以满足规划的需要。在这种情况下，若拆除重建，不仅成本高，浪费资源，还会污染环境，影响交通。为了能够提高桥梁的再利用率，使其满足现行的通航、新建线路等新规划的要求，在不拆除桥梁的情况下，桥梁顶升施工技术被广泛应用。目前桥梁顶升技术尚无现行的参考标准，顶升工程的质量只能依靠设计人员的经验，不利于顶升技术的推广应用。业内普遍认为，标准化、规范化及快速化是顶升技术未来的发展方向及要求。从近几年的顶升施工案例中可以发现，传统顶升施工工艺存在较大的局限性，且耗费大量的人力及物力、施工周期长，同时其安全性和工程质量难以保证，在桥梁斜向顶升施工中尤为突出。桥梁斜向顶升(斜顶)施工即利用液压千斤顶对桥梁两侧或前后实现不同高度抬升的施工过程。在计算机及液压千斤顶飞速发展的时代，将数值模拟应用于桥梁顶升施工中具有重要的指导价值和参考性。在顶升施工前，可针对特定的桥梁斜向顶升进行数值模拟计算，通过对比不同桥型、不同跨度、不同顶升高度、不同顶升顺序状态的顶升模型，确定出最优施工顺序和施工工序，将施工中可能存在的问题、风险等进行预知，对施工重难点和关键施工工序提前做好预防措施和施工安排，确保斜向顶升过程中的质量与安全。技术实现要素：本发明可通过有限元模拟分析不同跨径、不同顶升高度的顶升过程，分析总结顶升过程中主梁应力、位移及支座反力的变化规律，确定顶升施工顺序、顶升步距、顶升不同步时受力最不利位置、顶升装置数量、摆放位置及不同顶升角度下的结构稳定性控制措施等，制定合理的斜向顶升施工方案，以解决桥梁斜向顶升施工中存在的安全性和工程质量难以保证等问题和不足。本发明的技术方案为：一种基于有限元模拟分析的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于，包括以下步骤：a.有限元模型的构建、分析及顶升施工方案的确定，包括：a.1模型的建立，对顶升过程中桥梁的受力体系进行模拟分析；a.2顶升过程中液压千斤顶数量的选取；a.3选定顶升方案支撑状态下不利工况分析，并根据模拟分析结果，得到危险界面，并提出应急措施和现场优化处置措施；a.4顶升施工方案的确定。进一步，还可以包括以下步骤：b.按所述的有限元模型的构建、分析及顶升施工方案确定的方案进行顶升施工，包括：b.1顶升支撑体系施工；b.2限位装置安装；c.顶升，过程包括：c.1试顶升；c.2监控量测；c.3正式顶升。本发明的施工方法考虑了顶升施工的路径、时间效应等对结构受力和变形的不利影响，通过科学严谨的有限元模拟分析，具有施工快、成本低、技术先进和保证安全及质量等特点。附图说明图1为本发明的施工方法的施工工艺流程图；图2为本发明的施工方法的顶升调控流程图；图3为本发明的施工方法的千斤顶顶升时示意图；图4为本发明的施工方法的千斤顶大样图；图5为本发明的施工方法的液压顶升系统简图；图6为本发明的施工方法的箱梁顶升前桥梁图；图7为本发明的施工方法的顶升设备与桥梁位置图；图中：1-箱梁；2-液压千斤顶；3-限位装置；4-桥台；5-矩形垫板；6-计算机控制器；7-油缸控制阀；8-高精度位移传感器；9-速度控制网/电磁阀；10-传感器电缆；11-液压泵；12-油缸；13-固定支座；14-受力千斤顶组；15-备用千斤顶组。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案的具体实施方式进行详细说明。1.总体步骤一种基于有限元模拟分析的桥梁斜向顶升施工方法，参见图1和图2所示流程图，总体上包括以下步骤：a.有限元模型的构建、分析及顶升施工方案的确定，包括：a.1模型的建立，对顶升过程中桥梁的受力体系进行模拟分析；a.2顶升过程中液压千斤顶数量的选取；a.3选定顶升方案支撑状态下不利工况分析，并根据模拟分析结果，得到危险界面，并提出应急措施和现场优化处置措施；a.4顶升施工方案的确定；b.按所述的有限元模型的构建、分析及顶升施工方案确定的方案进行顶升施工，包括：b.1顶升支撑体系施工；b.2限位装置安装；b.3采用桥梁斜向顶升系统为顶升动力；c.顶升c.1顶升准备；c.2试顶升；c.3监控量测；c.4正式顶升。2.进一步细化的步骤c根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：所述液压千斤顶的上部和箱梁的下部设有矩形垫板，垫板面尺寸大于千斤顶支座5～10cm，垫板厚度不低于2cm，垫板材型为钢板。参见图3和图4。3.进一步细化的步骤d根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：在模拟桥梁受力体系的支座反力计算时，应考虑桥梁结构的自重、桥面铺装、护栏、横梁等恒载的作用，计算得出桥梁位移及支座反力结果。4.进一步细化的步骤e根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：有限元模拟借用的软件有midas-civil、abaqus等有限元软件。5.进一步细化的步骤f根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：所述步骤a.2顶升千斤顶为4组，在千斤顶数量的选取时，每组千斤顶数量由有限软模拟结果确定；根据具体施工过程中的主要特点对顶升过程进行模拟，每一施工阶段均应满足结构局部应力不超限、主梁不得局部破坏、体系稳定、支架变形控制在允许范围内等要求，若发生此种情况，则应对模型进行相应调整，如在相应位置增设支架、改变千斤顶数量或增减每一次顶程等，并记录和反应在最后的施工方案中；根据仅考虑重力作用下梁跨的支座内力和主梁受力的特点，初步确定千斤顶的数量、位置以及顶程。千斤顶的位置在模型中按均匀布置，数量的确定根据具体需要及布置的便捷性，暂定不同工况。而后分别分析不同工况下支撑位置处应力变化的特点，确定一种合适的工况作为顶升方案。6.进一步细化的步骤g根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：在顶升方案支撑状态下不利工况分析时，将全部不利工况进行模拟，通过实际施工过程中撤除相应位置处的支撑对其进行分析，例如，分析以下四种工况：①单边外侧两个支撑状态失效；②双边外侧两个支撑状态失效；③单边中间两个支撑状态失效；④双边中间两个支撑状态失效。7.进一步细化的步骤h根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：当使用有限元模拟进行复核和纠偏时，如发现位移或局部应力偏大情况的发生，应及时根据监测数据对顶升力及千斤顶的位置进行相应调整。而后通过有限元对调整后施工方案的合理性进行进一步分析，当能够满足要求时，再实施相应的施工方案，在实施的过程中仍需不断对施工过程进行监控与分析，直至施工的完成。8.进一步细化的步骤i根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：顶升支撑体系反力基础选取，若采用原基础，梁下空间若能满足千斤顶的安放条件，则应以原结构承台、桥台或盖梁作为反力基础；但当梁下空间无法安放千斤顶时，可在盖梁上搭设钢牛腿，用化学锚栓把钢牛腿锚固在盖梁上；当以上均无法实现的话，可选择地面搭设支架作为反力基础。可以在盖梁上搭设钢牛腿，用化学锚栓把钢牛腿锚固在盖梁上；也可选择地面搭设支架作为反力基础。9.进一步细化的步骤j根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：采用安装限位装置方式，即在桥台上部、箱梁的两侧通过设置垫块方式，或采用角钢限位架安装在桥台帽上方式，以避免受千斤顶安装的垂直误差及顶升过程中其它不利因素的影响，和在顶升过程中可能会出现微小的水平位移。参见图3和图6中所示的限位装置。10.进一步细化的步骤k根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：液压顶升准备工作包含桥面上布置若干标高和中线观测点，精确测量各点的标高值及桥梁偏移情况，并做好记录；在取得设计认可的基础上，确定各点的精确顶升高度；并做好顶升系统可靠性检验、顶升液压系统布置、顶升系统测试、确定观测点、称重等准备工作。11.进一步细化的步骤l根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：液压千斤顶试顶升过程中，当油泵压力表针开始移动时停止加压，记录压力读数、应变器读数、百分表读数，重新检查顶升设备，确保一切正常后方可正式顶升。试顶升结束后，提供整体姿态、结构位移等情况，为正式顶升提供依据。12.进一步细化的步骤m根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：所述步骤中试顶升(受力千斤顶组试调)的顶升进程控制在0.5cm左右。13.进一步细化的步骤n根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：正式顶升时按照百分表位移量逐级加压顶升，在每级顶升进程位置后均停留1分钟，记录位移量、压力及梁体应变器读书等监测数据，同时检查千斤顶间的工作油压与前面高程的误差，若高程误差和油压误差值超过控制值时，应进行调整方可继续顶升，以达到同步顶升的目的。顶升到位后，千斤顶保压，并在后续施工中经常观察、补压，防止梁体下沉，标高产生变化。14.进一步细化的步骤o根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：每个桥台上有两组千斤顶，一个为受力千斤顶组，另一个为备用千斤顶组，如图7所示。顶升过程中先是受力千斤顶组顶升进程每级设置为2～5cm；之后备用千斤顶组底部加垫块，顶部接触上部结构的底部并稳定；固定支座底部砌筑钢混结构垫块，抬高支座顶部至上部结构的底部；受力千斤顶组回油；两组类型千斤顶交替顶升和转换，直到箱梁顶升设计位置。15.进一步细化的步骤p根据o所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：所述步骤中逐级顶升(包括受力千斤顶组第一次顶升)的每级顶升进程控制在2～5cm，具体每级顶升控制进程以有限元模拟结果为准；且受力千斤顶组顶升进程设置的2～5cm，为控制的最外侧千斤顶顶进高度，也即是箱梁的顶升端位置处每级顶升进程控制在2～5cm，顶升端如图6所示。16.进一步细化的步骤q根据a、b和c所述的桥梁斜向顶升施工方法，其特征在于：桥梁顶升监控依照“顶升量测-判别-修正-顶升”的原则进行循环监测。监测的主要内容包括：应力、应变，位移(变形)、支座反力，裂缝变化，顶升力监测。将顶升过程中的监控量测数据(位移量、应力等)与有限元软件理论计算数据进行对比分析，若实测数据与计算数据相差较大，需查明原因，并通过更改相应顶升参数等措施进行调整。具体实施例1.有限元模型的构建及分析1.1模型的建立以xxx互通主线跨线桥斜向顶升工程为例，采用有限元软件abaqus建立模型。根据桥梁顶升的需要，对顶升过程中桥梁的受力情况进行分析。在计算支座反力时，应考虑桥梁结构的自重、桥面铺装、护栏、横梁等恒载的作用，计算所得的桥梁内力及支座反力结果见表1-1。表1-1互通主线桥(右幅)支反力汇总内力计算考虑恒载作用，主梁的最大弯矩为51981.8knm，最大剪力为7501.2kn.1.2顶升过程中千斤顶数量的选取根据具体施工过程中的主要特点对顶升过程进行模拟，每一施工阶段均应满足结构局部应力不超限(具体定义超限为：因局部应力集中而超过混凝土的抗压强度，不超过50mpa)、主梁不得局部破坏(具体定义局部破坏为：因局部受力不均而引起混凝土的破碎、开裂，其中开裂缝隙达到3mm)、体系稳定(具体定义体系稳定为：箱梁在顶升过程中与实际位置最大偏差超过5cm)、支架变形控制在允许范围内(具体定义允许的范围为：为有效控制顶升过程中箱梁位置的变化，支架的变形应控制在2cm之内)等要求，若发生此种情况，则应对模型进行相应调整，调整内容包括：在相应位置增设支架、改变千斤顶数量或增减每一次顶程等，并记录和反应在最后的施工方案中。根据仅考虑重力作用下梁跨的支座内力和主梁受力的特点，初步确定千斤顶的数量、位置以及顶程。千斤顶的位置在模型中按均匀布置，数量的确定根据具体需要及布置的便捷性，暂定五种工况，即一侧8、10、12、14、16个的千斤顶顶升。而后分别分析五种工况下支撑位置处应力变化的特点，确定一种合适的工况作为顶升方案(其中8、12、16个千斤顶支撑位置处的应力见表1-2a～1-2c)。表1-2a8个千斤顶支撑处的应力计算结果千斤顶序号及坐标(n；x,y,z)反力(单位：pa)1#971.205e+032#1.00473e+063#1.2241e+064#1.3115e+065#1.48751e+066#1.60039e+067#1.84816e+068#1.99317e+06表1-2b12个千斤顶支撑处的应力计算结果表1-2c16个千斤顶支撑处的应力计算结果由计算数据可知：在8个和10个工况下，各支点处受力会明显增大；当达到一定程度时，会破坏箱梁下部结构的混凝土。在14个和16个千斤顶两种工况下，各支点处力相对较小，但在一定程度上会造成仪器上的浪费，同时布置的位置越多，在实际施工过程中也会在一定程度上增加控制的难度。总体上来讲，12个千斤顶状态下相对合适，因而最终确定12个支撑作为实际施工时千斤顶的实际支撑数量。1.312个支撑状态下不利工况分析以一侧最多2个千斤顶失效为例进行分析，通过实际施工过程中撤除相应位置处的支撑对其进行分析，12个千斤顶顶升时的示意图见图3。主要分为如下四种工况(以gk1～gk4代表)：gk1:单边外侧两个支撑状态失效；gk2:双边外侧两个支撑状态失效；gk3:单边中间两个支撑状态失效；gk4:双边中间两个支撑状态失效。由计算结果可知：gk1的单边外侧两个支撑状态失效时，对同一边相邻位置支撑处的应力影响较大，容易造成其他位置处应力集中，造成箱梁混凝土的破坏，而另一侧的混凝土影响相对较小；而gk2的双边外侧两个支撑状态失效时，失效支撑位置附近支撑的应力均有一定程度的提高，相对于单边外侧两个支撑状态失效较为严重，且稳定性会受到一定的影响；gk3的单边中间两个支撑状态失效、gk4的双边中间两个支撑状态失效与gk1单边外侧两个支撑状态失效、gk2双边外侧两个支撑状态失效的情况相似，但因其不利状况发生在中间，故而稳定性相对于前者要好，但其影响仍不可忽略。针对gk1和gk2，必须严格控制，否则将使箱梁上部出现较大的拉应力，且不利于箱梁的稳定，尤其是gk2。针对gk3和gk4，同样应严格控制，否则将使梁底下部拉应力增加。在四种工况下，都存在使得相邻千斤顶位置处应力增加的情况，将会引起混凝土的局部破损。因而，在实际顶升过程中，应严格对千斤顶进行检查，避免顶升过程千斤顶失效情况的发生。当发现不利情况发生时，应及时进行优化调整，将损伤降低到最小。1.4顶升施工方案的确定通过有限元软件对实际施工过程进行模拟分析，能够在一定程度上预知施工过程中可能发生的不利情况，且为施工方案的确定打下基础。基于有限元计算所得数据，并结合现场的具体施工情况，可以对施工组织设计流程进行优化与调整。例如：在初步施工方案中，顶升步距设置为4cm，但循环顶升高度越大，主梁产生的拉应力越大，支撑位置处的反力就越大。由此可知，应尽量采用分级顶升，同时兼顾工期。当顶升步距为2cm时，既可以保证工期，又能保证施工过程中桥梁体系的安全。另外，千斤顶逐排顶升所引起的应力要远大于两排千斤顶同步顶升所引起的应力，且顶升不同步时，将在梁两侧湿接缝位置处产生较大的拉应力，横桥向底部边缘处拉应力可能会超过混凝土的极限抗拉强度，引起混凝土开裂。故而应采取同步顶升，而不是逐个顶升，能够在很大程度上起到保护结构的作用。1.5复核与纠偏通过前期的有限元计算分析，初步确定了桥梁顶升施工方案。但是，在后续整个顶升施工过程中，仍需时刻对监测数据进行分析。如发现位移或局部应力偏大情况的发生，应及时根据监测数据对顶升力及千斤顶的位置进行相应调整。而后通过有限元对调整后施工方案的合理性进行进一步分析，当能够满足要求时，再实施相应的施工方案，在实施的过程中仍需不断对施工过程进行监控与分析，直至施工的完成。2.按模拟确定的方案进行顶升施工2.1封锁公路交通为了确保顶升施工的安全，应采取相应措施，如对桥梁道路接入段及下部通行段采用钢围栏进行封闭。2.2顶升支撑体系的施工顶升反力基础确定是顶升技术中的关键环节，反力基础选取是否得当将直接影响顶升效果。若采用原基础，梁下空间若能满足千斤顶的安放条件，则应以原结构承台、桥台或盖梁作为反力基础；但当梁下空间无法安放千斤顶时，可在盖梁上搭设钢牛腿，用化学锚栓把钢牛腿锚固在盖梁上；当以上均无法实现的话，可选择地面搭设支架作为反力基础。2.3限位装置安装受千斤顶安装的垂直误差及顶升过程中其它不利因素的影响，在顶升过程中可能会出现微小的水平位移，为避免出现此类情况，需在各桥墩上设置平面限位装置，限制纵横向可能发生的位移。限位支架应有足够的强度，并应在相应的限位方向上有足够刚度。可采用角钢限位架安装在桥台帽上，限制桥梁因为误差而引起的纵横向水平倾向位移。2.4液压顶升2.4.1千斤顶布置每个桥台上配置一组200吨位的千斤顶，每组12个，另准备一组相同型号的千斤顶备用，配备两组共24个200吨位千斤顶；工作压力为700bar的油管60根。自锁式千斤顶及其布置现场如图3。2.4.2顶升准备在顶升施工前，桥面上应布置若干标高和中线观测点，精确测量各点的标高值及桥梁偏移情况，并做好记录，在取得设计认可的基础上，确定各点的精确顶升高度。并作好如下准备工作：①顶升系统可靠性检验；②成立顶升指挥系统；③顶升液压系统布置，如图5所示；④顶升系统测试；⑤确定观测点；⑥称重。要求：a、为保证顶升过程的同步进行，在顶升前应测定每个顶升点处的实际荷载。b、称重时，应依据计算顶升荷载，采用逐级加载的方式，通过反复调整各组的油压，可以设定一组顶升油压值，使每个顶点的顶升压力与其上部荷载基本平衡。c、为观察顶升处是否脱离，需用百分表测定其行程。d、将每点的实测值与理论计算值进行比较，计算其差异量，由液压工程师和结构工程师共同分析原因，最终由领导组确定该点实测值能否作为顶升时的基准值。如差异较大，则作相应调整。2.4.3试顶升为了观察和考核整个顶升施工系统的工作状态以及称重结果的校核，在正式顶升之前，应进行试顶升，当油泵压力表针开始移动时停止加压，记录压力读数、应变器读数、百分表读数，重新检查顶升设备，确保一切正常后方可正式顶升。试顶升结束后，提供整体姿态、结构位移等情况，为正式顶升提供依据。2.4.4正式顶升通过试顶，调整各项参数完成后进行正式顶升，顶升流程见图1.正式顶升，须按下列程序进行，并作好记录：①操作：按预设荷载进行加载和顶升；②观察：各个观察点应及时反映测量情况；③测量：各个测量点应认真做好测量工作，及时反映测量数据；④校核：数据汇交现场领导组，比较实测数据与理论数据的差异；⑤分析：若有数据偏差，有关各方应认真分析并及时进行调整。⑥决策：认可当前工作状态，并决策下一步操作。顶升时按照百分表位移量逐级加压顶升，每2cm的最外侧千斤顶顶升位移为1个控制步长，在每个顶升步长位置均停留1分钟，记录位移量、压力及梁体应变器读书等监测数据，同时检查千斤顶间的工作油压与前面高程的误差，若高程误差和油压误差值超过控制值时，应进行调整方可继续顶升，以达到同步顶升的目的。顶升到位后，千斤顶保压，并在后续施工中经常观察、补压，防止梁体下沉，标高产生变化。2.4.5监控量测顶升过程监测的最基本要求是确保顶升过程中桥梁结构的安全和确保顶升过程中结构的角度和内力始终符合设计要求。桥梁顶升监控是一个“顶升量测-判别-修正-顶升”的循环过程。监测的主要内容包括：应力、应变，位移(变形)、支座反力，裂缝变化，顶升力监测，利用位移传感器对位移进行监测。同时将监测数据与有限元软件理论计算结果进行对比，对顶升施工过程的质量和安全起到有效的控制作用。①测点布置a.平面控制网通过在顶升位置桥面左右各设置一个测点，可以配合桥下百分表确定顶升高度，及时发现顶升不同步情况发生。基准点采用黄海高程系，在二等水准点下布置水准监测控制网，水准点的标石埋在桥附近视野良好、稳定性好的构筑物、基岩层或原状土层中。平面控制网设置于上下游两侧支座处，每个支座均设置1个。对坐标的测量主要采用精密全站仪进行，主梁顶升高度采用精密水准仪桥面观测及桥下安装分表进行控制。b.应变监测点布置于每片梁跨中地缘和支座处，采用钢弦式应变计；应力监测点沿横桥向支座断面处布置。c.位移监测点采用跨中挠度计配合桥面精密水准仪测量，沿横桥向跨中布置挠度计，同时在桥上跨中位置布设两个精密水准测点，用于观测主梁是否有扭转变形。d.支座反力测点沿横桥向每个支座处，采用液压式支座反力计进行。e.裂缝观测点设置于支座及跨中处，密切关注裂缝的发展状况。当前第1页12