上行式SX64/2700型移動支架造橋機預壓試驗監(jiān)測及分析

王文建，成仲鵬

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州　730070)

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上行式SX64/2700型移動支架造橋機預壓試驗監(jiān)測及分析

王文建，成仲鵬

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070)

摘要：為保證橋梁施工質(zhì)量和安全，移動支架造橋機首次使用前必須進行預壓試驗。以西成客運專線漢江特大橋為工程背景，介紹上行式SX64/2700型移動支架造橋機預壓試驗的有限元分析、測點布置、監(jiān)測方法及頻次。通過對預壓過程的監(jiān)測和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，計算出了彈性變形和非彈性變形，取得了應(yīng)力實測數(shù)據(jù)，證明上行式SX64/2700型移動支架造橋機完全能夠滿足該橋的施工要求。

關(guān)鍵詞：移動支架造橋機；預壓試驗；監(jiān)測；節(jié)段拼裝；撓度；應(yīng)力

利用專用移動支架造橋機建造預應(yīng)力混凝土簡支梁是在造橋機的腹內(nèi)組拼預制梁段，墩頂原位張拉，采用先“化整為零”后“集零為整”的一種施工方法。移動支架造橋機節(jié)段預制拼裝施工，不受整孔梁運輸設(shè)備和運輸通道的限制，更加易于控制幾何線形，工程質(zhì)量和進度能得到更好的保證。利用移動支架造橋機節(jié)段預制拼裝施工已成為當前大中跨度預應(yīng)力混凝土橋梁的主要施工方法之一[1-2]。

1工程概況

1.1橋梁概況

西成客運專線漢中漢江特大橋位于陜西省漢中市漢臺區(qū)與南鄭縣交接處，橫跨漢江。全橋位于直線及R=8 000 m的曲線上，孔跨布置為：24 m簡支梁11孔、32 m簡支梁117孔、64 m簡支梁12孔，橋梁全長4 908.24 m。跨越漢江主河槽采用12孔64 m預應(yīng)力混凝土簡支箱梁，跨越94號～106號橋墩，采用上行式SX64/2700型移動支架造橋機施工(以下簡稱造橋機)。

64 m預應(yīng)力簡直箱梁梁體為單箱單室、等高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.20 m，箱梁底寬6.7 m，頂板厚度40～70 cm，底板厚度35～80 cm，腹板厚度50～100 cm，均按照直線線性變化。單孔64 m預應(yīng)力簡支箱梁施工時分為15個節(jié)段。

1.2造橋機概況

圖1　上行式SX64/2700型移動支架造橋機構(gòu)造(單位：mm)

造橋機總長154.8 m，主要由主梁、導梁、后尾梁、回轉(zhuǎn)天車、前支腿、中支腿、后支腿、運梁車、懸吊系統(tǒng)、后支點小車等組成。主梁全長68.8 m、高9 m、寬11.8 m，標準節(jié)段長4.8 m，為上下封口型閉合結(jié)構(gòu)。其額定載重能力可達2 700 t。造橋機構(gòu)造如圖1所示。進行梁段拼接施工時，先將造橋機在首跨兩橋墩之間原位拼裝，再將從制梁場運輸來的預制梁段通過跨墩大龍門吊提升到輪胎式運梁車上，運梁車自行到造橋機尾部，再由回轉(zhuǎn)天車提升梁段運至指定位置，旋轉(zhuǎn)天車通過下降、旋轉(zhuǎn)、縱移將節(jié)段預制箱梁按一定的順序擺放懸掛在懸吊系統(tǒng)上，通過縱向、橫向和豎向的調(diào)整逐個調(diào)整就位，然后經(jīng)過穿鋼絞線、綁扎鋼筋、立模板、澆筑濕接縫混凝土等多道工序，待混凝土強度達到設(shè)計值后進行張拉、壓漿及封端等工作，完成整孔梁的施工[3]。再將造橋機拖拉過孔至下一跨橋墩位置繼續(xù)施工直至全橋施工完畢。

2造橋機預壓

2.1預壓重力的確定

移動支架首次拼架梁體前應(yīng)進行預壓，以檢驗結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，消除其非彈性變形，觀測結(jié)構(gòu)各控制截面的彈性變形及主要桿件的應(yīng)力。根據(jù)要求，預壓荷載取施工過程中最不利狀態(tài)荷載的1.1倍[4]。施工過程中的最不利狀態(tài)，即64 m預應(yīng)力簡支箱梁濕接縫澆筑完畢，預應(yīng)力鋼筋張拉之前狀態(tài)進行考慮[5]。經(jīng)計算，預壓重力確定為24 570 kN(由于1號和15號節(jié)段直接支撐于橋墩上，不計其重力)。

2.2有限元模型

利用MIDAS軟件按照主桁的實際尺寸與桿件截面建立主桁架有限元模型并進行分析。建模單元均為梁單元，節(jié)點均為剛性連接，造橋機為靜定結(jié)構(gòu)。移動支架主梁受到的總荷載包括桁架自重、預制節(jié)段及濕接縫重力、懸吊系統(tǒng)重力、天車及附屬構(gòu)件重力以及混凝土施工荷載等。由于造橋機跨度較大建模時支腿對主桁桿件的應(yīng)力及變形影響不大，因此，主桁架支腿處約束直接設(shè)置成支座，主桁架計算模型如圖2所示。

圖2主桁架計算模型

2.3加載方案

在造橋機拼裝完成之后，首先吊裝梁體作為首批預壓荷載。梁體吊裝完之后，再采用水袋加載，最后回轉(zhuǎn)天車在跨中懸吊一梁段以達到預壓荷載要求。

預壓試驗程序與步驟：移動支架造橋機就位—全面檢查支架—布設(shè)監(jiān)測點—采集初值—分級加載—數(shù)據(jù)采集—靜置終值—全面檢查監(jiān)測—分級卸載—數(shù)據(jù)采集—監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析[6]。

由于該橋預壓采用預制箱梁，提梁時，梁體混凝土強度不得低于設(shè)計強度的75%，梁段通過跨墩大龍門吊提升到喂梁平臺上，再由回轉(zhuǎn)天車提升梁段運至指定位置，回轉(zhuǎn)天車通過下降、旋轉(zhuǎn)、縱移將節(jié)段預制箱梁按順序擺放懸掛在懸吊系統(tǒng)上，節(jié)段吊裝時從兩端向中間對稱進行。

首批預壓荷載施加完畢后，將梁段頂面的雜物清掃干凈，水袋鋪設(shè)在梁段上。將水泵、水袋用水管連接起來，水泵置于河中，以方便抽水。水袋加載時采用2臺水泵同時從兩邊水袋往中間水袋注水加載。水袋重力通過注水時間進行控制。梁段上水袋加載時盡可能使4根吊桿受力均勻。移動支架水袋加載示意如圖3所示。

圖3　移動支架水袋加載

2.4預壓監(jiān)測

2.4.1監(jiān)測目的

(1)通過對預壓過程的實時監(jiān)測，保證預壓試驗的安全；

(2)對造橋機在64 m預應(yīng)力混凝土簡支箱梁施工中的使用能力及安全性進行測試；

(3)對設(shè)備運行過程中影響安全性的重要特征參數(shù)進行監(jiān)測，為設(shè)備安全運行及再制造提供基礎(chǔ)資料；

(4)積累造橋機的工作經(jīng)驗，為今后施工中的安全使用提供科學依據(jù)。

2.4.2監(jiān)測內(nèi)容

對該造橋機在預壓試驗過程中監(jiān)測主要包括兩個方面的內(nèi)容：

(1)造橋機控制截面撓度；

(2)造橋機主要控制桿件的應(yīng)力。

2.4.3監(jiān)測點布置

(1)撓度監(jiān)測點

①撓度監(jiān)測點應(yīng)選在最能反映變形特征且便于觀測的位置，要求移動支架上設(shè)置的變形觀測點均勻分布，能夠反映支架預壓期間的撓度變化規(guī)律。據(jù)此造橋機沿縱向布置9個監(jiān)測截面，主桁支點各1個共2個斷面，跨中1個斷面，其余4個斷面位于1/8跨、1/4跨和3/8跨處，左右對稱。從后支腿到中支腿依次標號Ⅰ-Ⅰ到Ⅸ-Ⅸ截面，如圖4所示。

圖4　撓度監(jiān)測點縱向布置

②每個撓度監(jiān)測斷面上設(shè)置2個監(jiān)測點，分別位于造橋機橫斷面的上下游外側(cè)主桁下弦桿位置(采用粘貼反光膜的方法)，共計18個測點，如圖5所示。上游測點以1表示，下游測點以2表示。由此可以得出后支腿上游側(cè)測點編號為Ⅰ-1，依次類推。

圖5　撓度監(jiān)測點橫向布置

③由于支架預壓變形較大，結(jié)合現(xiàn)場情況，撓度監(jiān)測采用徠卡TS06全站儀[7]。

(2)應(yīng)力監(jiān)測點

①造橋機主桁架主要由弦桿，豎桿、斜桿組成。通過有限元模型對主桁架進行分析，確定出在施工過程中對結(jié)構(gòu)安全性影響較大的關(guān)鍵桿件，進行應(yīng)力測點的布置。造橋機沿縱向共布置6個監(jiān)測截面，依次編號為A-A到F-F截面，如圖6所示。

圖6　應(yīng)力監(jiān)測點縱向布置

②因造橋機主桁架桿件橫斷面均為H形斷面，主桁應(yīng)力監(jiān)測點布置在腹板中心線上(測點盡量布置在桿件1/2位置，距離節(jié)點板500 mm以上)，如圖7所示。主桁架共布置計30個應(yīng)力監(jiān)測點。從上游到下游4片主桁分別編號1、2、3、4。對于不同桿件編號，上弦桿為1，下弦桿為2，豎桿為3，斜桿為4。由此可以得出跨中截面上游側(cè)主桁上弦桿對應(yīng)測點為D-1-1，依次類推。

圖7　主桁桿件應(yīng)力測點

③造橋機中支腿和后支腿各布置4個應(yīng)力監(jiān)測點，限于篇幅不做詳細介紹。

④為保證在較長的施工周期內(nèi)應(yīng)力測試結(jié)果的穩(wěn)定性，應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式應(yīng)變計及其采集系統(tǒng)。

2.4.4監(jiān)測方法及頻次

加載過程監(jiān)測。當造橋機拼裝完成拖拉到位后，進行測點布點、布線。一切測試準備工作完成后，采集各測點初讀數(shù)并做好記錄。加載過程中，盡量保證架橋機的受力與實際拼裝架設(shè)時一致。每級加載需持續(xù)一段時間后，待變形穩(wěn)定后才能進行下一級加載，持荷時間根據(jù)監(jiān)測變形穩(wěn)定值進行控制。未采集監(jiān)測數(shù)據(jù)不能加載下一級荷載。每完成一級加載應(yīng)同時對造橋機進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即停止加載，及時分析，采取相應(yīng)措施后才可繼續(xù)加載， 以免出現(xiàn)重大安全事故[8]。

加載完成時需對支架結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性監(jiān)測，采用連續(xù)觀測方法，兩次觀測時間間隔6h。加載完成后當兩次差值小于2 mm(不含測量誤差)時，表明移動支架撓度和彈性變形已基本到位，可以進行卸載，否則還需荷載持續(xù)，直至差值小于2 mm[9]。為了實時監(jiān)測造橋機在預壓過程中的工作狀態(tài)，保證預壓的安全，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，加載過程監(jiān)測工況為：吊裝完成7個節(jié)段、吊裝完成11個節(jié)段、吊裝完成全部節(jié)段、梁段擺放水袋重力1/2、梁段擺放全部水袋重力、回轉(zhuǎn)天車懸吊梁段于跨中。

卸載過程監(jiān)測。卸載過程監(jiān)測是預壓的重要環(huán)節(jié)，通過各級荷載的卸載監(jiān)測，可推算出移動支架在各級荷載作用下的彈性變形量與殘余變形量，卸載監(jiān)測過程與加載監(jiān)測過程相反，卸載監(jiān)測工況包括：懸吊梁段卸下(回轉(zhuǎn)天車停到后支腿位置)、水袋卸載、全部卸載造橋機脫空。

卸載時每完成一級卸載均待觀測完成，做好記錄再卸下一級荷載。全部卸載之后也需要進行穩(wěn)定性監(jiān)測。

監(jiān)測過程貫穿于造橋機預壓全過程，在此過程要統(tǒng)一協(xié)調(diào)，統(tǒng)一指揮。

3數(shù)據(jù)分析

3.1理論計算

根據(jù)有限元模型計算，主桁架在預壓荷載作用下最大靜撓度為99 mm，位于跨中位置；主桁架跨中截面上弦桿壓應(yīng)力最大值為151.12 MPa，下弦桿拉應(yīng)力最大值為132.52 MPa，均小于Q345鋼材的抗拉、壓允許應(yīng)力[σ]=200 MPa[10]。

3.2撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)

卸載完成后，整理加載和卸載過程中收集得到的所有數(shù)據(jù)進行計算和分析。撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)列于表1，限于篇幅表1僅列出下游側(cè)主桁幾個主要工況的撓度數(shù)據(jù)。其他工況及上游側(cè)主桁撓度數(shù)據(jù)略(上游側(cè)主桁實測變形略小于下游側(cè)主桁，最大差值為8 mm)。

預壓荷載作用下，主桁彈性撓度值和理論值及其校驗系數(shù)見表2，圖8為撓度理論值與實測值的比較。

表1　移動支架撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)　mm

注：表中數(shù)據(jù)已扣除由于橋墩和支腿彈性變形而引起的造橋機整體下?lián)稀?/p>

表2　主桁彈性撓度值和理論值及其校驗系數(shù)(η)

圖8　移動支架主桁架變形

從表1、表2和圖8可以得出如下結(jié)論。

(1)本次預壓試驗主桁架最大實測撓度為145 mm，撓跨比在規(guī)范[11]允許的范圍內(nèi)，主桁架剛度滿足要求。

(2)主桁架最大非彈性變形為42 mm，最大彈性變形為103 mm，均發(fā)生在跨中截面位置。

(3)主桁架實測彈性撓度比理論撓值略大。主要原因：一是移動支架拼裝時，受加工精度和螺栓緊固程度影響，各構(gòu)件未能很緊密地連接造成銷孔撓度偏大；二是實際加載情況與理論模擬之間存在差異。

(4)整個預壓加卸載過程各測點沒有出現(xiàn)異常的彈性撓度突變，變形規(guī)律和理論相符，說明結(jié)構(gòu)始終處于安全工作狀態(tài)。

3.3應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了分析、評定移動支架系統(tǒng)的工作狀況，確定系統(tǒng)的安全儲備，對移動支架系統(tǒng)各部位的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)η進行計算[12]。部分受力較大桿件主要工況計算結(jié)果如表3所列。

從表3可以得出如下結(jié)論。

(1)上弦桿實測最大應(yīng)力為138.4 MPa，下弦桿實測最大應(yīng)力為118 MPa，豎桿實測最大應(yīng)力為90.2 MPa，斜桿實測最大應(yīng)力為111.9 MPa，均小于許用應(yīng)力200 MPa，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

表3　部分桿件應(yīng)力測試結(jié)果及校驗系數(shù)

注：“-”表示受壓。

(2)移動支架系統(tǒng)各部位結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于等于1，說明理論計算偏于安全[13]。結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備.系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。

(3)造橋機各部分構(gòu)件在預壓過程中均處在彈性范圍內(nèi)工作，主要桿件應(yīng)力實測數(shù)據(jù)與理論計算值基本吻合。

4結(jié)語

(1)在造橋機達到預壓荷載時，移動支架主桁架的實測應(yīng)力值、實測彈性撓度值均與理論計算值較吻合。

(2)預壓試驗和有限元理論分析表明，造橋機主桁架強度和剛度均滿足要求，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。

(3)造橋機的預壓監(jiān)測達到了預期的效果，支架非彈性變形和彈性變形數(shù)據(jù)為64 m預應(yīng)力簡支箱梁的施工預拱度設(shè)置提供了依據(jù)。

(4)上行式SX64/2700型移動支架造橋機完全能夠滿足64 m預應(yīng)力簡支箱梁橋的施工要求。

由于移動支架的非彈性變形在預壓試驗后基本可以消除，因此在接下來各跨的梁體施工中，不再需要進行預壓，但由于鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中存在疲勞變形，故在施工過程中還需要加強移動支架本身的變形觀測，從而確保橋梁的施工安全和成橋線形。

本文介紹的移動支架造橋機預壓試驗及監(jiān)測方法，在預應(yīng)力簡支箱梁橋移動支架施工中證明有效可行，對今后移動支架造橋機的預壓試驗及監(jiān)測具有借鑒意義。

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Monitoring and Analysis of Pre-compaction Tests with Up-going SX64/2700 Movable-supported Bridge-building Machine

WANG Wen-jian， CHENG Zhong-peng

(School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract：In order to ensure the bridge construction quality and safety， pre-compaction tests must be conducted before first use of movable-supported bridge-building equipment. Based on Hanjiang extra-long bridge on Xi’an-Chengdu passenger dedicated line， this paper introduces the finite element analysis the arrangement of measuring points， monitoring method and frequencies of the pre-compaction tests conducted with up-going SX64/2700 movable-supported bridge-building machine. The elastic deformation and inelastic deformation are calculated and the stress testing data are obtained by means of monitoring the procedure of pre-compaction and analyzing the monitoring data， which demonstrates that the up-going SX64/2700 movable-supported bridge-building machine meets the construction requirements of this bridge.

Key words：Movable-supported bridge-building machine; Pre-compaction tests; Monitoring; Segmental assembly; Deflection; Stress

中圖分類號：U445.46； U446.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.018

文章編號：1004-2954(2015)04-0067-05

作者簡介：王文建(1991—),男，碩士研究生，E-mail：wwj.win.123@qq.com。

收稿日期：2014-08-09； 修回日期：2014-08-30