跨線鋼箱-混凝土疊合梁橋施工控制技術(shù)

呂穎釗，唐 熙

（1.杭州市公路管理局，浙江 杭州310030；2.浙江省交通科學研究院，浙江 杭州310006）

0 引言

鋼箱-混凝土疊合梁是通過剪力件將鋼梁與混凝土板連接起來共同受力、變形協(xié)調(diào)的一種梁，其充分利用了鋼的優(yōu)越抗拉性能和混凝土的優(yōu)越抗壓性能，顯著提高了梁的剛度和穩(wěn)定性。鋼箱-混凝土疊合梁具有結(jié)構(gòu)輕盈、跨越性強、承載力大、便于架設、造型優(yōu)美等優(yōu)點，已成為近年來迅速發(fā)展的一種中等跨徑橋梁結(jié)構(gòu)型式[1-2]。

鑒于這種橋梁結(jié)構(gòu)型式在公路跨線橋上應用并不多，各地應用情況也存在差異，因此，設計部門一般要求在鋼箱-混凝土疊合梁橋施工過程中進行監(jiān)控。施工監(jiān)控的目的主要有：（1）保證施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全、可靠；（2）保證橋梁的成橋線形、變位以及關(guān)鍵部位的應力狀態(tài)符合設計要求。通過開展施工監(jiān)控，對結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)和實際狀態(tài)差異性進行測試和分析，根據(jù)需要調(diào)整、優(yōu)化施工方案，指導施工現(xiàn)場作業(yè)，使橋梁結(jié)構(gòu)趨于理想狀態(tài)[3]。特別是在遇到危險情況時，可以及時發(fā)出預警信號。

本文結(jié)合某公路跨線鋼箱-混凝土疊合梁橋的施工工序，對其線形、應力監(jiān)測和結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化規(guī)律進行分析。

1 工程概況

1.1 工程背景

B匝道橋位于錢江通道及接線工程南接線段第11 施工合同段齊賢樞紐范圍內(nèi)，其上跨杭甬高速公路，跨徑組合為35m+33m，橋面寬度為9.8m，梁高1.8m。主梁下部由兩片開口薄壁鋼箱梁通過橫隔板橫向連接而成，上部為25cm 厚整體現(xiàn)澆鋼纖維混凝土橋面板，鋼箱梁和橋面板之間通過剪力釘連接，以保證兩種材料共同受力和變形協(xié)調(diào)。中間主墩為鋼墩，內(nèi)填鋼纖維混凝土，與主梁底板固結(jié)。

B匝道橋鋼箱梁的加工地點在武漢，架設地點在杭州，為方便運輸和架設，根據(jù)長度和重量要求，將鋼箱梁分為6段進行運輸、吊裝和焊接。為確保B匝道橋的順利施工，對該橋進行施工監(jiān)控。

1.2 施工階段劃分

根據(jù)施工方案及現(xiàn)場安排，B匝道橋主要施工階段劃分如下[4-6]：

（1）安裝架設主墩，搭設臨時支墩；

（2）分段吊裝鋼箱梁；

（3）縱向焊接各段鋼箱梁；

（4）焊接橫隔板；

（5）澆筑主墩及邊支座上方箱內(nèi)混凝土；

（6）拆除臨時支撐；

（7）搭設橋面板模板；

（8）第一次澆筑橋面板混凝土；

（9）第二次澆筑橋面板混凝土；

（10）邊支座頂升；

（11）邊支座安裝就位；

（12）施工防撞護欄及橋面鋪裝。

根據(jù)B匝道橋施工過程中結(jié)構(gòu)體系的變化開展監(jiān)控，以控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、變形和應力。當發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能會失穩(wěn)、主梁線形較大幅度偏離階段目標、主梁應力接近或超出安全控制指標時，應暫停施工并查明原因。整個監(jiān)控過程以線形監(jiān)控為主、應力監(jiān)控為輔。

1.3 監(jiān)控截面及測點布設

（1）應力監(jiān)測

根據(jù)設計和招標要求，鋼箱-混凝土疊合梁應力監(jiān)控截面為每跨跨中截面和中間墩墩頂截面，如圖1所示。

圖1 應力監(jiān)控截面布置圖

為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，采用目前技術(shù)比較成熟的表貼式振弦應力傳感器作為應力監(jiān)測設備，焊接于鋼箱梁的內(nèi)側(cè)表面，每個截面設置10 個應力測點，B 匝道橋共設置30 個測點。測點布置如圖2所示。

圖2 截面應力測點布置圖

（2）變形監(jiān)測

對于變形監(jiān)測，每隔5m 布置一個監(jiān)測斷面，每個斷面的測點在鋼箱梁架設并焊接完成后布設于鋼箱梁翼板頂部靠外側(cè)，在橋面板澆筑前后則通過在相應位置布設鋼筋頭來實現(xiàn)。測點布置如圖3所示。

圖3 截面變形測點布置圖

2 監(jiān)控及分析

2.1 計算模型

結(jié)合工程精度要求，為便于計算，采用Midas Civil 2012有限元分析軟件進行建模分析，鋼箱-混凝土疊合梁共設置梁單元240 個，節(jié)點237 個。假定橋面板與鋼箱梁能夠共同受力和協(xié)調(diào)變形，即二者之間不發(fā)生相對滑移[7]，橋面板與鋼箱梁之間采用剛性連接模擬。計算模型如圖4、圖5所示。

圖4 全橋模型示意圖

圖5 截面模型示意圖

根據(jù)施工階段劃分及現(xiàn)場實際操作，鋼箱-混凝土疊合梁建模計算分為16 個工況。其中，鋼箱梁分段安裝、臨時支撐拆除、橋面板澆筑（分兩次澆筑）、支座頂升、護欄及橋面鋪裝施工為主要施工階段。限于篇幅，本文僅針對臨時支撐拆除、橋面板澆筑（分兩次澆筑）、支座頂升等3 個關(guān)鍵工序進行施工監(jiān)控分析。

2.2 應力分析

橋梁采用分階段施工時結(jié)構(gòu)應力一直是關(guān)注的重點，如果結(jié)構(gòu)實際應力狀態(tài)與設計應力狀態(tài)不符，將造成嚴重的結(jié)構(gòu)強度問題[8-9]。但是，一方面階段施工中結(jié)構(gòu)應力的精確計算受到不同模擬方法的限制，另一方面結(jié)構(gòu)實際應力受現(xiàn)場臨時荷載及環(huán)境溫度等因素影響，使得實測應力與理論應力存在一定偏差。通過現(xiàn)場應力監(jiān)測，可及時判斷結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，為下一步施工提供指導。關(guān)鍵工序?qū)崪y應力與理論應力對比結(jié)果（以S1、S2截面為例）如圖6～圖11所示。

圖6 臨時支撐拆除后S1截面各測點應力結(jié)果

圖7 臨時支撐拆除后S2截面各測點應力結(jié)果

圖8 橋面板澆筑(分兩次澆筑)后S1截面各測點應力結(jié)果

圖9 橋面板澆筑(分兩次澆筑)后S2截面各測點應力結(jié)果

圖10 支座頂升后S1截面各測點應力結(jié)果

圖11 支座頂升后S2截面各測點應力結(jié)果

從應力監(jiān)測結(jié)果可以看出：

（1）各關(guān)鍵工序下跨中（S1）和支點（S2）的應力實測值均在容許范圍之內(nèi)，實測值與理論值整體變化趨勢基本吻合，說明鋼箱-混凝土疊合梁在施工過程中的截面變形均滿足平截面假定，沒有發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

（2）局部測點應力實測值與理論值偏差較大，這與傳感器安裝及溫度影響等有關(guān)。

（3）支座頂升工序?qū)ΟB合梁中支點截面受力產(chǎn)生了積極的影響，不僅消除了箱梁底板大部分壓應力，還在疊合梁上部現(xiàn)澆橋面板內(nèi)產(chǎn)生了一定的壓應力儲備。

（4）計算模型對梁單元作用扭矩效應考慮了彎扭耦合作用，計算結(jié)果可滿足工程精度要求。

2.3 變形分析

考慮到環(huán)境溫度對主梁變形(撓度)的影響較大，對變形測點的測量選在清晨5：00—8：00進行，此時結(jié)構(gòu)正好處于夜間降溫主梁上撓變形停止和白天升溫主梁下?lián)献冃沃?，是環(huán)境溫度所致結(jié)構(gòu)變形相對穩(wěn)定的時段，可消除環(huán)境溫度對主梁撓度變化的大部分影響。關(guān)鍵工序?qū)崪y變形與理論變形對比結(jié)果（以B1測點為例）如圖12～圖14所示。

圖12 臨時支撐拆除后各監(jiān)測斷面B1測點變形結(jié)果

圖13 橋面板澆筑（分兩次澆筑）后各監(jiān)測斷面B1測點變形結(jié)果

圖14 支座頂升后各監(jiān)測斷面B1測點變形結(jié)果

從變形監(jiān)測結(jié)果可以看出：

（1）各關(guān)鍵工序下結(jié)構(gòu)實測變形與理論變形整體趨勢吻合良好，說明采用Midas 程序建模分析，計算結(jié)果在工程精度要求范圍內(nèi)，滿足施工控制要求；同時，也驗證了橋梁線形的變化規(guī)律和程度基本符合設計目標；

（2）盡管在測量時間上避開了溫度較高且變化較快的時段，但是由于環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)的影響復雜，很難完全消除其對實測變形的影響；

（3）在理論變形絕對值較小的區(qū)域，實測值有一定偏離，這與測量誤差等因素有關(guān)，屬于正常情況。

3 結(jié)語

本文通過對錢江通道及接線工程南接線段第11施工合同段齊賢樞紐跨杭甬高速B匝道鋼箱-混凝土疊合梁橋的施工監(jiān)控，詳細分析了在臨時支撐拆除、橋面板澆筑（分兩次澆筑）、支座頂升等3個關(guān)鍵工序下結(jié)構(gòu)應力和線形的變化情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比表明，該橋的應力和變形均在正常范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。其中，支座頂升工序?qū)ΟB合梁關(guān)鍵截面受力產(chǎn)生了積極的影響。同時，采用Midas程序建模分析，對梁單元作用扭矩效應考慮了彎扭耦合作用，對于中等跨徑的鋼箱-混凝土疊合梁橋的施工控制計算是有效的，可滿足工程精度要求。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 聶建國.鋼箱-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)：試驗、理論與應用[M].北京：科學出版社，2005．

[3] 尹伯輝.小半徑曲線鋼-混凝土組合梁施工與控制技術(shù)研究[D].北京：北京建筑工程學院，2012．

[4] 顧安邦，張永水.橋梁施工檢測與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005．

[5] 葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京：人民交通出版社，2003．

[6] 翟文靜.預應力鋼-混疊合梁的施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)[J].交通標準化，2010（1）：133-136．

[7] 鄭舟軍，陳開利.混合梁斜拉橋結(jié)合段剪力釘受力機理研究[J].武漢理工大學學報，2008，32（4）：767-770.

[8] 劉建達.鋼箱-混凝土組合梁設計和施工的研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2007．

[9] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].