豎曲線上超大頂升高度PC連續(xù)箱梁頂升施工監(jiān)控技術(shù)

黃俊豪，劉世忠，馮明揚(yáng)，劉欣益，杜立山(蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州　730070)

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豎曲線上超大頂升高度PC連續(xù)箱梁頂升施工監(jiān)控技術(shù)

黃俊豪，劉世忠，馮明揚(yáng)，劉欣益，杜立山
(蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070)

摘要:廈門市仙岳路臺灣街跨線橋L4聯(lián)頂升改造工程以11.261 m的超大頂升高度刷新了目前既有橋梁頂升高度記錄。施工中克服了頂升高度大、施工工期長、橋面縱向坡度變化大、梁體自重大、梁寬易扭、箱梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜等一系列技術(shù)難題。本文以此工程為背景從施工監(jiān)控方的角度介紹如何解決箱梁的縱向滑移及橫向傾覆問題，重點(diǎn)闡述如何利用有限元分析軟件ANSYS對施工中強(qiáng)迫位移及關(guān)鍵部位局部應(yīng)力對箱梁產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并以此為理論依據(jù)設(shè)定梁體縱橫向位移差安全預(yù)警值及應(yīng)力增量安全預(yù)警值，為科學(xué)施工提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:大寬跨比頂升控制有限元分析強(qiáng)迫位移局部應(yīng)力

近年來國內(nèi)外很多大城市陸續(xù)開始了城市立體交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)改造，而橋梁無疑在城市立體交通網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著重要地位，既有橋梁的頂升改造成為一個值得研究且未來應(yīng)用廣泛的課題。成都紅牌樓立交引橋于2013年創(chuàng)造了8.74 m的國內(nèi)既有橋梁頂升高度記錄，其頂升高度僅有本次頂升高度的77.6%。廈門仙岳路臺灣街跨線橋L4聯(lián)主線橋的最大頂升高度為11.261 m，遠(yuǎn)超此前的頂升改造高度記錄。創(chuàng)紀(jì)錄的超大頂升高度、大寬度的梁體、較大的橋面縱向坡度變化、較大的梁體自重等特點(diǎn)使本工程成為一個技術(shù)難度極高的重難點(diǎn)工程，是整個仙岳路與成功大道立交提升改造工程能否按時保質(zhì)完成的關(guān)鍵控制工程。涉及的很多工程問題都無法通過國內(nèi)外已有的研究成果找到答案，因此有必要對本次頂升進(jìn)行嚴(yán)格的安全計(jì)算，為科學(xué)施工提供可靠安全的技術(shù)支持。

1　工程簡介

仙岳路臺灣街跨線橋共兩聯(lián)，其中L3為鋼箱梁，配跨為(36 +45 + 36)m，箱梁梁高2.0 m，橋?qū)?5.0 m，按整幅布置，采用扁平流線形箱梁截面。L4為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，跨徑為3×36 m，L3及L4聯(lián)位于半徑為3 000 m的凸形豎曲線上，其后接縱坡為4.53%的下坡。L4聯(lián)中間兩墩采用單樁單柱式下部結(jié)構(gòu)，橋臺采用一字輕型橋臺，箱梁預(yù)應(yīng)力采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系。L4聯(lián)PC連續(xù)梁頂升示意見圖1。

圖1　L4聯(lián)PC連續(xù)梁頂升示意(單位:m)

L4聯(lián)為單箱五室PC連續(xù)梁，橋面為雙向六車道，橋?qū)?5 m，頂升段長108 m，梁體頂升前稱量約6 400 t，改造后L4聯(lián)止點(diǎn)處橋面比現(xiàn)有橋面高出11.261 m，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1　L4聯(lián)頂升詳細(xì)參數(shù)

2　 L4聯(lián)頂升施工流程及難點(diǎn)

2.1頂升施工流程

1)準(zhǔn)備工作:既有橋梁檢測;刨除橋面瀝青層，解除伸縮縫，拆除防撞護(hù)欄;土方開挖，澆筑頂升支架基礎(chǔ)，施工頂升支架的圍擋設(shè)施。安裝各墩臺處頂升設(shè)施、設(shè)備(臨時支撐設(shè)置在鋼管上)，安裝縱橫向限位裝置，調(diào)試電腦液壓同步頂升系統(tǒng)。

2)正式頂升前所有千斤頂進(jìn)行試頂升，測試所有設(shè)備是否正常工作;第1階段頂升開始，采用交替頂升方法將L4聯(lián)同步頂升3.4 m。

3)L4聯(lián)橋臺位置處新建永久承臺，并將橋墩接高3.4 m與橋臺支撐連接成整體。

4)第2階段頂升開始，L4聯(lián)按比例旋轉(zhuǎn)頂升，頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高;將墩柱靜力切割，墩柱上設(shè)置頂升牛腿，將切割后的墩柱上部頂升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在墩柱下部重新澆筑混凝土與上部底座連接組成新橋墩。

5)安裝支座:支座墊石混凝土養(yǎng)護(hù)，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度;電腦同步頂升系統(tǒng)順序落梁;拆除電腦同步頂升系統(tǒng)，拆除頂升支架。

2.2頂升施工技術(shù)難點(diǎn)

1)本工程的頂升高度很大，且伴有較大的橋面縱向坡度變化，頂升過程中如何避免梁體的縱向滑移和橫向傾覆是本工程需要解決的一個技術(shù)難題。

2)L4聯(lián)梁體寬度較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在頂升過程中極易發(fā)生扭曲變形進(jìn)而造成混凝土開裂，情況嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)破壞從而使頂升失敗。

3)本次頂升施工由千斤頂組提供頂力并作用于梁體底部，由于梁體自重較大且每個千斤頂?shù)捻斄τ邢?，因此需要考慮千斤頂組合和支反力重分布現(xiàn)象的影響。此外梁底與千斤頂接觸部位必定會產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，如何減小局部應(yīng)力保證梁底混凝土不會遭到破壞，也是保證梁體結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問題。

3　 L4聯(lián)頂升監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

3.1縱向抗滑移及橫向抗傾覆措施

L4聯(lián)梁體需要通過旋轉(zhuǎn)頂升的方式將橋面的縱向坡度由向下4.53%調(diào)整為向上2.74%，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)頂升時，梁體的水平投影會變長。頂升過程中既要保證梁體不能觸碰H9號橋墩另一側(cè)的L3聯(lián)梁體，又要防止梁體向H12號橋臺方向整體滑移。為確保頂升過程中梁體的位移軌跡始終在設(shè)計(jì)值誤差范圍內(nèi)，設(shè)置了縱橫向限位設(shè)置，見圖2。

圖2　H12橋臺處橫向限位器

1)在H12號橋臺后修建“門”字形臨時鋼支撐，在頂升施工時將靠近H12號橋臺處的梁體鎖在施工允許的橫向范圍內(nèi)，達(dá)到對梁體的橫向限制效果。

2)在H9號橋墩梁端橋面處用小型千斤頂和高強(qiáng)螺桿組成7組縱向限位器(圖3)，既可避免觸碰相鄰梁體，又可有效防止梁體的縱向滑移。

圖3　H9橋墩處縱向限位器

3.2強(qiáng)迫位移的分析計(jì)算

由于梁體復(fù)雜的空間幾何特性，實(shí)際頂升過程中梁體縱橫向的頂升高度幾乎不可能絕對同步，梁體在頂升過程中縱橫向都可能出現(xiàn)不均勻非理論高差即強(qiáng)迫位移，使梁體產(chǎn)生應(yīng)力增量。如果拉應(yīng)力增量較大，會使梁體產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全甚至破壞，梁體開裂對于工程人員意味著頂升控制的失敗。提前計(jì)算出梁體所能承受的理論最大強(qiáng)迫位移，設(shè)定出頂升過程中較安全的縱橫向位移差預(yù)警值并應(yīng)用于整個頂升過程的監(jiān)控環(huán)節(jié)，對梁體結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。工程采用PLC控制液壓同步頂升系統(tǒng)進(jìn)行頂升作業(yè)，由于PLC控制液壓同步頂升系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)控各頂升千斤頂?shù)挠蛪骸⒎戳?，將誤差控制在很小的范圍內(nèi)。因此可以忽略千斤頂反力重分布對梁體結(jié)構(gòu)安全的影響，主要考慮強(qiáng)迫位移產(chǎn)生的拉應(yīng)力增量對梁體結(jié)構(gòu)安全的影響。L4聯(lián)梁體共有4個橋墩，橋墩自西向東的編號為H9至H12，箱梁在縱橋向和橫橋向均為對稱梁體。本工程采用有限元分析軟件ANSYS對整個施工過程中可能出現(xiàn)的強(qiáng)迫位移工況進(jìn)行仿真模擬。各工況下梁體的拉應(yīng)力增量最大值見表2。

表2　各工況下梁體的拉應(yīng)力增量最大值

由表2可知，拉應(yīng)力增量最大值出現(xiàn)在工況3，在H12號橋臺的南側(cè)施加5 mm豎向強(qiáng)迫位移，北側(cè)施加10 mm豎向強(qiáng)迫位移的條件下，數(shù)值為1.73 MPa，位置在12#橋墩上方的梁底與墊塊接觸區(qū)域。本工程梁體使用材料為C50混凝土，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.83 MPa。當(dāng)L4聯(lián)梁體的縱橋向強(qiáng)迫位移為10 mm，橫橋向強(qiáng)迫位移為5 mm時，拉應(yīng)力增量最大值在規(guī)范規(guī)定的安全范圍內(nèi)?？紤]到為工程保留較大的安全富余量，設(shè)定不同橋墩的縱橋向位移差安全預(yù)警值為5 mm，相同橋墩的橫橋向位移差安全預(yù)警值為3 mm。

3.3局部應(yīng)力的分析計(jì)算

由于L4聯(lián)梁體的自重較大，為避免千斤頂將箱梁底部混凝土頂裂造成結(jié)構(gòu)破壞，在頂升過程中千斤頂不直接作用于箱梁底部。千斤頂上部設(shè)置了分配梁，在箱梁腹板下方區(qū)域設(shè)置墊塊與分配梁找平接觸，且起頂點(diǎn)位置從橫隔板截面處外移。在頂升過程中墊塊與箱梁底部接觸區(qū)域會產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，所以在頂升前需進(jìn)行局部應(yīng)力的校核驗(yàn)算以保證施工的安全，并在施工過程中對此類局部應(yīng)力進(jìn)行全程監(jiān)控。

基于有限元軟件ANSYS對局部應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)圣維南原理選取長3 m的標(biāo)準(zhǔn)梁段，建立空間計(jì)算模型，有限元模型中采用Solid 45單元模擬混凝土，共劃分單元18 976個。邊界條件:橋墩處為兩端固定約束，每個墊塊的接觸面積取0.25 m2。計(jì)算荷載:將該標(biāo)準(zhǔn)梁段的梁體自重平均轉(zhuǎn)化到4個墊塊上，并計(jì)算支反力不均勻系數(shù)1.4，以此為千斤頂?shù)淖畈焕戳χ?此計(jì)算數(shù)值大于頂升過程中檢測到的實(shí)際最不利反力值)，計(jì)算得到面荷載值為8 000 kN/m2。

計(jì)算結(jié)果:橋臺處箱梁拉應(yīng)力增量最大值2.17 MPa，橋墩處箱梁拉應(yīng)力增量最大值2.06 MPa，箱梁拉應(yīng)力增量最大值均出現(xiàn)在梗腋位置。橋臺處箱梁壓應(yīng)力增量最大值4.99 MPa，橋墩處箱梁壓應(yīng)力增量最大值5.24 MPa。壓應(yīng)力增量最大值在C50混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值安全范圍內(nèi)。橋臺處箱梁最大拉應(yīng)力屬于局部應(yīng)力，其值在C50混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值安全范圍內(nèi)，其他區(qū)域拉應(yīng)力增量均＜1 MPa。頂升時梁體起頂點(diǎn)附近不會開裂，梁體安全?？紤]到為工程保留較大的安全富余量，設(shè)定拉應(yīng)力增量安全預(yù)警值為1 MPa。

4　施工監(jiān)控及梁體頂升前后參數(shù)對比

L4聯(lián)梁體于2014年10月24日試頂升，次日正式頂升，至2015年1月24日梁體落于新澆筑橋墩的永久支座上。期間頂升工期為28 d，共123個頂升行程。整個頂升過程中全程進(jìn)行施工監(jiān)控，L4聯(lián)梁體的最大縱橋向位移差11次達(dá)到安全預(yù)警值，最大橫橋向位移差7次達(dá)到安全預(yù)警值，拉應(yīng)力增量最大值一直在安全預(yù)警值允許范圍內(nèi)。當(dāng)實(shí)時監(jiān)控的縱橫向位移差達(dá)到設(shè)定安全預(yù)警值時即迅速叫停頂升行程，排查千斤頂故障，待現(xiàn)場人員進(jìn)行實(shí)時測量后，根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。隨后繼續(xù)頂升行程，重復(fù)以上過程直至落梁完成。落梁后即進(jìn)行梁體殘余應(yīng)力檢測，檢測發(fā)現(xiàn)梁體殘余應(yīng)力值很小，其影響可忽略不計(jì)。整個頂升過程中梁體的縱橫向位移差都未超過理論計(jì)算的最大安全范圍，局部應(yīng)力增量最大值也均在C50混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值安全范圍內(nèi)。為準(zhǔn)確對比頂升前后L4聯(lián)梁體狀態(tài)并對梁體的承載能力做出評估，頂升前后在梁體相同截面布置位移測點(diǎn)及應(yīng)力測點(diǎn)，進(jìn)行橋梁靜動載試驗(yàn)。

L4聯(lián)頂升前后靜動載試驗(yàn)參數(shù)對比見表3。由表3可知，頂升前后L4聯(lián)梁體的位移校驗(yàn)系數(shù)、應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)、自振頻率和沖擊系數(shù)均未發(fā)生明顯變化，且梁體各項(xiàng)承載能力指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的安全要求。

表3　L4聯(lián)頂升前后靜動載試驗(yàn)參數(shù)對比

5　結(jié)論

1)大寬跨比魚腹式PC箱梁橋在頂升過程中對整體穩(wěn)定性提出了較高要求，要求設(shè)置合理且安全儲備足夠大的縱橫向限位系統(tǒng)，避免梁體出現(xiàn)縱向滑移及橫向傾覆情況。

2)對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且寬度較大的梁體而言，頂升過程中一旦梁體的縱橫向位移差過大就極易造成梁體扭曲變形甚至結(jié)構(gòu)破壞。在頂升開始前進(jìn)行理論建模，計(jì)算出強(qiáng)迫位移的最大安全范圍并設(shè)定出縱橫向位移差安全預(yù)警值，將其應(yīng)用于全程施工監(jiān)控中是極其必要的。

3)對于梁體自重較大的頂升工程來說，梁體關(guān)鍵部位局部應(yīng)力的分析與計(jì)算是必要的。應(yīng)在工程開始前計(jì)算出梁體關(guān)鍵位置在各種工況下可能出現(xiàn)的理論應(yīng)力增量最大值，并由此理論值給出相應(yīng)的應(yīng)力增量安全預(yù)警值，將其應(yīng)用于全程施工監(jiān)控中，以確保頂升施工安全。

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(責(zé)任審編趙其文)

Construction Monitoring Technology on Jacking of Prestressed Concrete Continuous Box Girder to Super-height at Highway Vertical Curve Section

HUANG Junhao，LIU Shizhong，F(xiàn)ENG Mingyang，LIU Xinyi，DU Lishan

(Key Laboratory of Road＆Bridge and Underground of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Abstract:T he existing record of bridge jacking height is refreshed by the jacking project of L4 flyover across T aiwan Street of Xianyue Road in Xiamen City with the maximum jacking height of 11.261 m.During the construction，a series of technical difficulties were overcome such as large jacking height，longer construction period，large bridge longitudinal slope change，heavy box girder self-weight，wide girder width easier to torsion，and complex box girder structure.Based on the project，how to solve the problems of longitudinal slip and transverse overturn were introduced from the point of construction monitoring.T his paper focuses on how to use finite element analysis software ANSYS to analyze the effects of forced displacement and local stress of key components on the box girder.W ith this analysis，warning values of longitudinal and transverse displacement disparity and stress increment were proposed，providing technical supports for scientific construction.

Key words:Large width span ratio;Jacking control;Finite element analysis;Forced displacement;Local stress

作者簡介:黃俊豪(1991—)，男，碩士研究生。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51368032)

收稿日期:2015-10-12;修回日期:2015-12-15

文章編號:1003-1995(2016)03-0041-04

中圖分類號:U448.35;U445.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.10