第2期（总第203期）2019年4月
CHINA MUNICIPAL ENGINEERING
Ｎｏ．２ （Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２０３）
Ａｐｒ． ２０１９
27
熊 勇1， 郑 小 红2， 王 卫 锋2，刘 靖 衍3
(1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060；2.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640；
3.中山市火炬开发区住建局，广东 中山 528437）
钢抱箍由于施工便捷、对桥下空间影响小等优势，在旧桥支座更换的顶升施工过程中被广泛应用
[1-2]
。作为桥梁顶升的施工平台和反力支架，
钢抱箍的强度、刚度和稳定性对整个支座更换工程起到决定性作用。因此，钢抱箍的优化设计十分必要。
目前，国内已有不少采用钢抱箍支撑系统进行顶升施工的实例介绍。李伟华等
[1]
阐述钢抱
箍支架的施工方法，通过ANSYS 软件对抱箍进行受力分析，并结合工程实际，对钢抱箍的应用提出关于摩擦因数取值和分批次施加预紧力的建议。王煜
[2]
提出采用一种自平衡式的抱箍，作为
钢梁顶升的临时支撑以及盖梁混凝土浇筑的模板支架，合理解决钢梁顶升、顶升后临时支承及简支梁转换为连续梁桥施工中的问题，并在工程中得到成功应用。许书萍
[3]
通过顶升方案的比选，
最终选定钢抱箍方案作为顶升承力平台，根据顶升力的大小，结合GB 50017—2017《钢结构设计规范》，设计钢抱箍的尺寸，顺利完成桥梁顶升和
收稿日期：2018-12-05
第一作者简介：熊勇（1977—），男，高级工程师，硕士，主要从事道路桥梁设计。
摘要：为满足广东省某连续桥梁顶升更换支座工程的需要， 设计钢结构抱箍装置作为顶升系统的反力支撑平台。根据顶升力的大小及现场顶升条件，提出钢抱箍的初步设计方案，采用ANSYS 有限元软件进行仿真计算。结果表明，钢抱箍刚度及稳定性满足要求，强度不满足要求，存在应力集中现象。 制作钢抱箍试件， 进行现场加载试验，测试结果与有限元分析结果十分吻合，验证有限元分析方法的正确性。提出结构优化设计方案，进一步减少钢抱箍局部应力集中的优化构造措施。优化后的钢抱箍现场测试试验结果表明，在设计最大顶升力作用下，钢抱箍系统的强度、刚度、稳定性均满足要求，验证优化方案的有效性，成功实施桥梁顶升和支座更换工作。对钢抱箍的结构优化设计及提出的优化构造措施可为同类桥梁顶升工程钢抱箍系统的设计提供参考。关键词：顶升工程；钢抱箍；有限元；优化设计 中图分类号：U445.7 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2019）02-0027-04
DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2019.02.008
支座更换工作。张传刚等[4]结合具体的工程实例，根据顶升力的大小、计算所需要的螺栓数目、设计钢抱箍，验算抱箍体满足承受剪应力的强度要求。其他学者
[5-8]
采用有限元模拟、简单的力学
推导等研究钢抱箍的受力响应。
然而，对于钢抱箍的局部应力分析、结构优化设计方面的报道相对较少，现结合广东省某连续梁桥顶升更换支座项目，采用有限元软件ANSYS 数值分析和现场测试试验相结合的方法，对该顶升工程的钢抱箍进行优化设计，为同类项目钢抱箍的设计提供参考。
1 钢抱箍承受的顶升反力计算
1.1 工程背景
广东省某钢筋混凝土连续箱梁桥，跨径组合为（16+24+30+24+16）m，分左、右幅车道，总桥宽为33.0 m，桥型纵向布置图见图1。箱梁跨中截面梁高1.1 m，支点处截面梁高1.8 m。单箱双室，顶板宽16.0 m，底板宽10.0 m，翼缘板宽3.0 m，双柱式桥墩。本桥原设计荷载等级为汽-20，挂-100，人3.5 kN/m 2。根据检测结果，该桥支座存在病害，需要更换。经过计算比选，最终采取在桥墩经过加大截面后，在立柱上做钢抱箍作为顶升施工平台，进行桥梁顶升、更换支座。钢抱箍和混凝土加
粗立柱共同构成顶升时的反力体系，钢抱箍结构的强度、刚度和稳定性必须满足施工要求。因此，钢抱箍结构的优化设计成为整个顶升工程的关键。
广州珠海
1 600
2 400
3 000 2 400 1 600
120120120120
0号台 1号墩 2号墩 3号墩 4号墩 5号台
图1 桥型纵向布置图（cm）
1.2 顶升反力的计算
运用工程软件Midas Civil建立该桥模型，由114个节点、107个单元构建而成（见图2）。通过支座强制位移，模拟桥墩顶升工况。本次顶升工程采取单排顶升，依次更换支座方案。顶升顺序为：0号台→1号墩→2号墩→3号墩→4号墩→5号台；相应的顶升高度分别为：10 mm、13 mm、14 mm、13 mm、11 mm、9 mm。
0号台
1号墩
2号墩
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3号墩
4号墩
5号台图2 顶升过程计算的全桥有限元模型
在自重、支座强制位移荷载的共同作用下箱梁顶底板应力最大，见表1。结果表明，顶升过程中桥梁结构整体安全。支座反力结果表明，顶升2号桥墩时，支座反力最大，单排墩总的竖向反力为8 057.9 kN，分配到单个墩顶的荷载为4 029 kN，钢抱箍承受的最大竖向反力为4 029 kN。
表1 顶升过程桥梁应力结果
工况最大拉应力/MPa最大压应力
/MPa是否满足
设计底板顶板底板顶板
0 3.2 2.5-3.0-2.0是
1 4.0 3.9-5.0-2.5是
2 3.0 3.0-3.8-1.8是
3 3.0 3.0-3.8-1.8是
4 4.0 3.9-5.0-2.5是
5 3.2 2.5-3.0-2.0是
2 钢抱箍初步设计及仿真分析
2.1 钢抱箍的几何尺寸
考虑原墩柱范围打管桩较为困难，故在混凝土墩柱上植筋，外环浇筑15 cm厚度C30混凝土，作为钢抱箍支撑平台。抱箍承受竖向荷载由加粗混凝土、钢抱箍和原混凝土柱的摩擦力共同承担。根据墩柱尺寸、竖向荷载大小，拟定钢抱箍的初步尺寸。钢抱箍工作平台为方形，2块半圆抱箍钢板采用M30的
高强螺栓连接而成，每边布置加劲肋，整个抱箍为φ1 200 mm，高600 mm，钢板采用Q345材料，厚16 mm，侧面呈梯形，见图3。
箱梁
钢板
DN1 200
抱箍
电动液压
千斤顶
墩柱
1 200
1
7
6
4
3
a）设计图 b）现场
图3 钢抱箍结构布置图
2.2 初步方案的有限元分析
为验算钢抱箍初步设计方案能否满足使用要求，运用有限元软件ANSYS建立钢抱箍结构模型，进行数值仿真分析。模型采用实体单元Solid185建立，几何形状、尺寸与实际施工模型一一对应，见图4。
图4 钢抱箍系统有限元模型
钢抱箍和混凝土之间通过接触关系模拟传力过程，通过ANSYS中的接触单元CONTA173和目标单元TARGE170实现。荷载施加在千斤顶与钢抱箍接触的4个圆形面上，以压力形式施加，4个位置荷载相等，总和402.9 t，以模拟在最大顶升力作用下钢抱箍、混凝土墩柱的受力情况，并进行应力分析。
计算结果表明，钢抱箍最大竖向位移0.91 mm，不发生失稳破坏。在斜向肋板底部与钢抱箍环向板结合部位，发生应力集中。最大等效应力为370.17 MPa，超出钢材的极限强度，不能满足材料强度要求。混凝土立柱最大主拉应力27.52 MPa，大于C30混凝土的抗拉极限强度2.01 MPa；最大主压应力30.67 MPa，大于C30混凝土抗压极限强度20.10 MPa。主拉应力和主压应力均出现在斜向肋板与混凝土柱局部结合处，此处为最不利位置。且加粗混凝土顶部，与钢抱箍接触部位附近，拉
28
29
压应力比较大。从强度角度分析，混凝土柱有出现开裂隐患，建议予以加强，防止钢板局部侵入混凝土柱。
2.3 钢抱箍初步方案的现场试验
制作钢抱箍试件，按照设计顶升荷载，进行现场试验，以检验钢抱箍的使用效果，同时验证有限元分析结果的正确性，试验结果见图5。由图5可知，加粗混凝土与钢抱箍结合位附近出现严重开裂，确实存在应力集中现象，与有限元计算结果吻合，因
此钢抱箍系统需要进一步优化。
图5 钢抱箍初步方案的现场试验
3 钢抱箍优化设计
3.1 优化方案
针对以上存在的问题，提出钢抱箍优化方案。
1）结构优化。增大钢抱箍的钢板厚度，从16 mm 厚增大至20 mm，以增大结构刚度、强度和稳定性，减少变形，防止肋板由于变形过大，局部切入混凝土立柱，引起应力集中导致混凝土开裂。
2）增大立柱与抱箍环向接触表面摩擦力。在钢抱箍环形钢板与混凝土立柱间，增设橡胶层，增加两者间的摩阻力，减小钢抱箍传递到加粗混凝土立柱的竖向力及钢抱箍斜向肋板底部的冲切力和应力集中。
3）增加环氧砂浆垫层。在钢抱箍底座与新增混凝土截面接触位置加铺一层环氧砂浆垫层，承受竖向荷载，减小混凝土立柱增加截面部分所承受的应力。
3.2 优化后的钢抱箍结构计算
重新建立优化后的钢抱箍模型，考虑钢抱箍与立柱之间橡胶层的作用，增加钢抱箍底座下的环氧砂浆垫层，计算分析优化后的钢抱箍响应，计算结果见图
6。
a）钢抱箍等效应力 b)混凝土立柱主拉应力图6 优化后钢抱箍在顶升力作用下的位移及应力
图6表明，优化后，钢抱箍受力均匀。斜向肋板底部应力集中不明显，应力分布较均匀。图6a）显示钢抱箍最大竖向位移0.37 mm，不会造成失稳破坏。钢抱箍最大等效应力为175.83 MPa，小于钢材的
屈服强度，强度满足要求。立柱增大截面处混凝土与钢抱箍接触部位应力集中不明显，最大主拉应力1.94 MPa，最大主压应力17.46 MPa，明显小于优化前的应力。由于有限元模型中，立柱和钢抱箍考虑完全粘接，接触面同步变形，立柱顶部与钢抱箍共同受力变形，出现拉应力；而实际结构中橡胶层不传递两者之间的拉力，在实际工程中柱顶的拉应力不存在。优化前后的主要指标对比如表2所示。
表2 优化前后主要结果对比
计算指标钢抱箍变形/mm 钢抱箍最大应力/MPa 混凝土最大拉应力/MPa 混凝土最大
压应力/MPa
优化前0.91370.1727.5030.67优化后
0.37
175.83
1.94
17.46
表2优先前后对比可见，优化后的钢抱箍和混凝土立柱应力均小于材料强度，且刚度和稳定性都满足要求。
3.3 优化后的钢抱箍现场测试试验i52
为验证优化后的钢抱箍使用效果，按照3.1节中提出的优化方案，制作新钢抱箍，并进行顶升设计荷载下的现场荷载试验，如图7所示。与优化前的钢抱箍现场试验（图5）结果对比，经过优化后的抱箍加载后，混凝土立柱受力良好，只有极个别位置，钢肋板下的增大截面立柱处混凝土出现微小裂纹，其他部分完好无损。经过优化后，肋板下的应力集中现象大有改善，与有限元结果分析吻合。
为测试钢抱箍和混凝土立柱的应力情况，根据有限元数值分析结果，在应力较大位置处布置振弦传感器应变测点。在钢抱箍的每块上肋板的上、下边缘布置2个应变测点，以测试钢抱箍面板与肋板
30
相连接处的应力，共8个振弦传感器，测点编号为1~8。在混凝土立柱上靠近抱箍的位置沿周长布置4个振弦传感器，测点编号为9~12，以测试混凝土立柱在钢抱箍的作用下的压应力。钢抱箍和混凝土立柱的测点位置如图8所示。
环氧砂浆垫层
图7 钢抱箍优化后的现场试验
箱梁
钢板
应变测点（共8个）
电动液压千斤顶
墩柱
混凝土应变测点
混凝土应变测点
应变测点图8 钢抱箍现场试验应变测点布置图现场试验测试结果表明，除初始虚位移外，钢抱箍的弹性位于约0.2 mm，变形很小，不会造成失稳破坏。
图9和图10是优化后的现场试验测试结果和有限元结果的对比。图9和图10中曲线可见，有限元计算结果与试验结果相吻合；个别点，如钢抱箍的1、2号测点，混凝土立柱的10号测点，计算结果与试验测
试数值存在极少差异，是由于有限元模型的边界条件、材料参数均基于理想化；而现场是由于混凝土等材料的不均匀性作用。钢抱箍的应力亮晶晶眼贴
1 2 3 4 5 6 7 8
测点
加载（试验）加载（有限元）卸载（试验）卸载（有限元）
应力/M P a 50403020100
3.02.52.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0
应力/M P a
9 10 11 12
测点
加载（试验）加载（有限元）
卸载（试验）卸载（有限元）
图9 钢抱箍板肋应力 图10 混凝土墩柱应力
和墩柱的应力现场测试结果均小于其材料强度，安全储备大，表明结构是安全的。
利用优化后的抱箍方案，最终顺利完成广东省某连续梁桥的顶升和更换支座工作。4 结语
以广东省某连续梁桥顶升更换支座项目为例，采用有限元计算和现场试验检测相结合的方法，对顶升的临时反力支架钢抱箍系统进行优化设计，得到以下结论。
1）提出钢抱箍的初步设计方案。通过ANSYS
有限元软件进行结构分析，钢抱箍刚度、稳定性均满足要求，但在钢抱箍肋板下端出现应力集中现象。该位置处混凝土的应力超限，钢抱箍强度不满
足材料强度要求。
2）试制钢抱箍试件进行现场测试试验。结果与有限元分析结果非常吻合，验证有限元分析方法的正确性。
3）提出钢抱箍的优化方案。包括加厚钢抱箍的钢板厚度；在钢抱箍与混凝土立柱之间增设橡胶层，
以增大接触摩阻力，减小立柱上的竖向荷载；在钢抱箍底座与立柱接触面上加铺1层环氧砂浆，使受力均匀，减小应力集中。
4）优化后的钢抱箍现场测试具有有效性。现
场试验和有限元计算分析结果表明，优化后的钢抱箍系统强度、刚度和稳定性方面均满足施工要求，运用优化后的钢抱箍，顺利完成该桥的支座顶升和更换工作。参考文献：
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业技术学院学报,2015(1):23-27.
ABSTRACTS
for deck system. Conventional steel truss bridges have more horizontal & lateral connections, which
seriously affect the permeability & landscape effect of bridges. The open steel truss structure of Luoxizhou Bridge can provide useful reference for the design of such bridges.
Key words: open steel truss bridge; integral joint design; orthotropic steel deck; bridge design
工程塑料改性技术
Influence Analysis & Engineering Application of Steel-Basalt Fiber Force Transfer Bar on
Concrete around the Bar
YAN Ming-xing1, XU Yun-bo2, FU Cheng-ye3
(1. Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430023,
China; 2. Jingmen Municipal Government Investment Project Construction Management Center, Jingmen 448000, China; 3. China 22MCC Group Co., Ltd., Tangshan 064099, China)
Abstract: ABAQUS finite element software is used to analyze the stress distribution in the force transfer bar and cement concrete slab. The results show that the stress diffusion range at the bottom of the cement concrete slab with steel-basalt fiber force transfer bar is larger than that of the cement concrete slab with steel force transfer bar, which reduces the occurrence of stress concentration. Th
e feasibility of applying steel-basalt fiber transfer bar in cement concrete pavement is verified by paving the test road from Xingshan to Fuxing section of Heda Expressway. This provides practical experience for its popularization & application in the area of snow removal with ice salt in the Northeast China.
Key words: cement concrete pavement; force transfer bar; steel-basalt fiber reinforcement; stress concentration
Optimization Design of Bridge Jacking Steel Hoop Based on Numerical Analysis
XIONG Yong1, ZHENG Xiao-hong2,
WANG Wei-feng2, LIU Jing-yan3
(1.Guangzhou Municipal Engineering Design
& Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510060, China; 2. School of Civil Engineering & Transportation, South China University of
Technology, Guangzhou 510640, China; 3. Zhongshan Torch Development Zone Housing & Construction Bureau, Zhongshan 528437,
China)
Abstract: In order to meet the needs of some continuous bridge lifting support project in Guangdong, the steel structure hoop device is designed as the counter-support platform for the jacking system. According to the size of the lifting force & the lifting condition of the site, the preliminary design scheme of the steel hoop is proposed. The simulation calculation is carried out by ANSYS finite element software. The results show that the rigidity & stability of the steel hoop meet the requirements, but the strength does not meet the requirements, and there is stress concentration. . The steel hoop test piece is made and the field loading test is carried out. The test results are in good agreement with the finite element analysis results, and the correctness of the finite element analysis method is verified. The structural optimization design scheme is proposed to further reduce the optimal structural measures for the local stress concentration of the steel hoop. The optimized steel hoop field test shows that the strength, stiffness & stability of the steel hoop system meet the requirements under the design of the maximum lifting force, verify the effectiveness of the optimization scheme, and successfully implement the bridge jacking & support replacement work. The structural optimization design of the steel hoop & the proposed optimal construction measures can provide reference for the design of steel hoop system for similar bridge jacking engineering.
Key words: jacking engineering; steel hoop;
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豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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