地铁桥梁支座病害处理过程中梁体顶升技术研究

2.2 桥梁顶升对梁体及轨道的影响

桥上无缝钢轨除了受到列车动荷载、列车制动力、温度变化的作用，还会受到因桥梁顶升过程中的变形而产生额外附加力［21］。钢轨及道床将附加力传递至梁体，在梁体上产生反作用力。因此，需要考虑在桥梁顶升的过程中桥上构件和梁体相互作用产生的影响［22］。所以，有必要对顶升时轨道的受力状况及对梁体的影响进行计算分析。 2.2.1 顶升对轨道的影响分析

本工程需要对顶升桥梁位置的梁下支座进行维修，因此在本次施工大体上分为以下几步工序：第一步：松开轨道扣件；第二步：顶升对应梁体；第三步：病害支座维修；第四步：回落顶升梁体；第五步：紧固轨道扣件。顶升梁体过程中，由于无缝线路钢轨不能人为断开，由此会在钢轨中产生一个弯曲应力［23］。整体施工过程中，操作轨道时的轨道温度与锁定轨道时的轨道温度存在差值，会导致轨道生产伸缩力，从而产生钢轨温度力。

综上所述，梁体的顶升对桥上无缝线路的影响因素为：由于顶升产生的钢轨弯曲应力及温差产生钢轨温度力。控制好这些参数，就可以保证桥上无缝线路的安全。

2.2.2 顶升对梁体的影响分析

连续梁属于外部超静定结构，支座病害导致的不均匀位移会引起梁体内力发生变化，由此产生的梁体内附加应力严重时可导致梁体的开裂和破坏。由于顶升就是在梁体的某个支点产生竖向位移。因此，当连续梁的支点发生位移以后，梁体必定会产生内力。所以，对顶升力及顶升位移的控制是顶升施工中相当重要的内容。因此，对连续梁顶升位移的精确把握和控制至关重要［24］。同时由于在处理支座病害时需接触支座对梁体的约束，梁体可能因约束被解除而发生变形，梁体的变形影响到梁上钢轨，对梁上轨道在施工后的使用造成不利影响。因此，需对顶升过程中梁体产生的变形进行计算分析。

因此，顶升方案中应根据施工所需的梁体顶升高度及初步确定的顶升系统布

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置方案对千斤顶的顶力、连续梁梁体整体及局部的受力状况以及各截面应变进行计算。

2.2.3 轨道桥梁顶升的控制因素

对轨道桥梁的顶升会影响梁体及桥上轨道的受力状态。为确保在顶升过程中桥梁结构和无缝轨道不出现问题，需要在设计、施工和监测等环节对梁体的顶力，位移及应变，钢轨温度力及钢轨弯曲应力进行计算并实施有效控制。综合前面的分析，对于三跨连续梁顶梁支座顶升过程中的控制参数进行汇总，如表2-1所示。

表2-1 顶升控制参数表

Table 2-1 Table of jacking control parameters

控制参数 位移 顶力 梁体应变 钢轨温度应力 钢轨弯曲应力 控制内容 梁体受力 梁体受力 控制梁体应力 控制钢轨应力，避免钢轨断裂 控制钢轨应力，避免钢轨断裂 2.3 梁体顶升对梁上钢轨的影响

桥梁顶升对桥上无缝线路的影响因素为：温差产生钢轨温度力及由于顶升产生的钢轨弯曲应力。下面对这两方面影响因素进行研究。 2.3.1 钢轨温度力的计算

无缝线路，即是将钢轨通过焊接形成的长轨条，其包含以下特点：钢轨是连续的、长度极长，当轨道温度数值发生变化以后，钢轨必然会伸缩［25］。不过，在扣件的约束下，钢轨无法自由伸缩。此时，钢轨内部会生成轴向温度力［26］。该指标数据为：

σt=EαΔt （3-1）

在上述公式中，E代表的是弹性模量，其数值为2.1?105MPa；

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α代表的是线膨胀系数，其数值为11.8?106/℃

?t代表的是温度变化。

那么，一个钢轨所需要承受的温度力为：

Pt=σtA=2.48ΔtA （3-2）

Pt代表钢轨所需要承受的温度力，单位：N； A代表截面面积，单位：mm2。

?C因此，对于60kg/m的钢轨，轨温变化1时，产生的温度力为：19.2kN/C。

?2.3.2 解除约束后的钢轨温度力

由以上计算分析可知，当轨道约束解除后，钢轨所需要承受的温度力只与

?t有关，也就是说，约束解除后钢轨所需要承受的温度力的大小取决于施工期间钢轨温度与锁定轨温之差。

《北京市地铁运营有限公司企业标准技术标准公务维修规则》结合的要求，

当现场轨温高于锁定轨温5℃以上时，禁止桥梁的一切作业；当现场轨温低于锁定轨温5℃以下时，禁止桥梁缓冲区和伸缩区的作业。当现场轨温在锁定轨温－10℃～＋5℃之间时，可进行桥梁及轨道的作业。经查相关设计资料，该桥轨道的锁定轨道温度为21.5～23.5°C，本次梁体顶升过程中要求施工期间现场温度需在锁定轨温的-5℃到+5℃范围内，即施工期间桥上轨温需控制在16.5°C ～ 28.5°C范围内。根据以上条件对施工期间钢轨中的温度力进行计算，计算结果见表2-2。

表2-2钢轨温度力计算表

Table 2-2 Calculation table of rail temperature force

锁定轨温 （℃） 23.5 23.5 21.5 21.5 现场轨温 （℃） 16.5 28.5 16.5 28.5 温差 （℃） -7 5 -5 7 钢轨温度力 （kN） -134.4 96 -96 134.4 钢轨温度应力 （MPa） -17.4 12.4 -12.4 17.4 注：正、负分别表示压应力、拉应力

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2.3.3 顶升期间钢轨的弯曲应力

在顶升操作期间，钢轨受到梁体作用会向上运动，从而生成了钢轨内力。由于轨道扣件对钢轨产生纵向和竖向约束，因此可以认为钢轨属于外部超静定结构

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。顶升施工过程中，需解除顶升梁体两侧10m范围内轨道的约束，解而未松

开的扣件依然会对钢轨产生约束。60kg/m钢轨参数如下：钢轨横截面积7.75x103mm2，竖向惯性矩3.2x10-5m4，竖向刚度13.5kN/mm，水平惯性矩5.2x10-6m4，弹性模量E=2.1x105MPa，轨道纵向阻力7N/mm。对轨道与梁体之间的相互作用采用有限元软件进行模拟计算，钢轨弯曲应力和剪切应力的计算结果见表3-2。

表2-3顶升时钢轨弯曲应力计算结果

Table 3-2 Calculation results of rail bending stress during jacking

项 目 弯矩 (kN.m) A-A断面钢轨力 B-B断面钢轨力 -14.75 13.44 剪力 （kN） 4.77 4.77 弯曲应力 （MPa） -45.5 39.1 剪切应力 （MPa） 0.65 0.65 注：弯曲应力钢轨上下缘最大应力。应力以拉为负，以压为正。

由计算结果可知，当顶升位移、轨道约束解除等条件一致时，受到顶升作用的钢轨所产生的应力也几乎相同［28］。由此可以看出，钢轨内力与顶升最终高度有关，与顶升方案关系不大。 2.3.4 顶升对梁上钢轨的影响汇总

通过以上计算分析，我们得到了顶升期间的轨道温度应力和轨道的弯曲应力，按最不利情况进行组合后进行验算，计算结果如表3-3所示

表3-3 顶升期间钢轨应力计算表

Table 3-3 Calculation table of rail stress during jacking

钢轨最大拉应力 （MPa） 62.9 钢轨最大压应力（MPa） 56.5 119.4<670.00 钢轨允许应力 （MPa） 670.00 -19-

通过以上计算分析可以得出，在满足施工条件的前提下对该连续梁进行顶升，梁上钢轨应力在顶升过程均在钢轨允许应力范围内，可确保轨道安全。

2.4 顶升对梁体的影响计算

2.4.1 建立梁体模型

为了得到拟顶升梁体的支座反力及应力状态的情况，需对梁体进行建模，进行模拟计算。在建模操作时，利用有限元软件Midas Civil 2010建立模型，模型中心线根据桥梁所处线形按直线建立，用91个节点将3x30m连续梁顺桥向划分为90个单元，所有单元均为梁单元。桥梁模型的各项参数均与拟顶升梁体相同，采用刚性连接模拟桥梁各支座。混凝土材料根据桥梁的实际使用时间考虑收缩徐变作用。

根据梁体施工阶段及使用情况，拟分3个阶段对模型进行计算分析， 第一阶段：时长30天，工作内容为现浇梁体，完成预应力钢筋的张拉。 第二阶段：时长20天， 工作内容为桥面设施（桥面铺装、轨道等）的施工。 第三阶段：时长730天，工作内容为投入运营后，混凝土随时间变化产生的收缩与徐变。

建立的有限元仿真模型如图2-4、2-5所示。

图2-4 模型平面图 Figure 2-4 model plan

图2-5 模型剖面图 Figure 2-5 model section

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