頂推法施工過程控制技術(shù)在鋼桁架連續(xù)梁橋中的應(yīng)用

閆 鵬

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

橋梁是跨越江河湖海、深溝峽谷等自然屏障的人工構(gòu)筑物，是交通設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點和樞紐工程，是國民經(jīng)濟發(fā)展和社會生活安全的重要保障[1-3]。目前，橋梁常見的施工方法有懸臂施工法、逐跨施工法、逐段施工法以及頂推施工法，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中頂推法以其獨特的優(yōu)勢得到了越來越廣泛的應(yīng)用[4-5]。

許多學(xué)者對橋梁頂推施工技術(shù)及施工過程受力進行了較為深入的研究。Granata Michele Fabio學(xué)者通過對施工過程中施工過程結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，提出當(dāng)導(dǎo)梁長度與頂推最大懸臂比值取0.6時可以提高施工過程安全性的結(jié)論[6]；戴杰通過對青銀高速公路濟南黃河大橋頂推施工過程研究提出了鋼結(jié)構(gòu)橋梁在頂推施工中要以主梁線形控制為主、截面應(yīng)力為輔的頂推施工控制理念[7]；顏東煌等通過對三汊機大橋鋼箱梁頂推施工過程中截面應(yīng)力和主梁線形監(jiān)控提出了拼接鋼箱梁施工控制體系，為保證鋼箱梁頂推施工成形階段結(jié)構(gòu)受力和線形與目標(biāo)狀態(tài)一致提供了理論基礎(chǔ)[8]。然而目前對頂推施工法過程控制的研究主要集中在混凝土箱梁或鋼箱梁，而對鋼桁架橋梁頂推施工過程控制方面研究較少。因此，本文以陜西省富縣管廊跨河大橋為工程依托對鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過程中主梁受力和撓度變化進行研究。

1 工程概況

富縣管廊跨河大橋為延安煤油氣資源綜合利用項目，是陜西省和延安市確定的重大項目之一，是延長石油集團加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實現(xiàn)油氣煤一體化綜合利用的重要舉措，對加快陜北能源基地建設(shè)，發(fā)揮陜北資源優(yōu)勢，推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展有著重要的意義。

管廊跨河大橋橋長318 m，共7跨，縱向布置為第一聯(lián)（48+36+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁和第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁。橋墩采用空心和實心墩相結(jié)合，橋梁上部采用3層鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋?qū)?5 m，高6 m。檢修通道位于橋梁兩側(cè)，各1.5 m寬，布置在桁架底層，采用懸挑結(jié)構(gòu)。管廊跨河大橋橋型布置圖見圖1。

圖1 管廊跨河大橋橋型布置圖（單位：mm）

本文主要對富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過程中結(jié)構(gòu)受力和線形進行控制研究。（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁橋由兩個48 m跨及一個42 m跨連續(xù)桁架組成，采用頂推安裝方案?，F(xiàn)場在5號墩后設(shè)置54 m現(xiàn)場拼裝胎架，在胎架上以2號墩向5號的順序進行逐段拼裝，分段頂推，并經(jīng)6次頂推后達到預(yù)定的成橋狀態(tài)。針對橋墩較高、跨徑較大的特點，本工程采用了“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法。第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁后兩跨均為48 m，跨度較大且現(xiàn)場后側(cè)拼裝胎架長度有限，為了避免鋼桁架頂推施工過程中產(chǎn)生傾覆，二、三跨采用滑道梁作為臨時支撐來進行頂推；第一跨為42 m跨度相對較小且鋼桁架后端已有足夠的抗傾覆長度，為了提高施工效率該跨采用鋼導(dǎo)梁的方式進行頂推施工。對于橋墩較高、跨徑較大的鋼桁架橋梁，“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法能夠有效地提高施工過程中的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

2 監(jiān)測內(nèi)容

富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁主要通過對頂推施工過程中結(jié)構(gòu)線形、應(yīng)力的監(jiān)控，保證本項目在頂推施工過程中對自身的撓度、應(yīng)力在可控范圍之內(nèi)，并在變形達到一定限制條件時發(fā)出預(yù)報警，保證頂推施工的安全進行和施工質(zhì)量。

2.1 應(yīng)變監(jiān)測

對富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁24個測點進行監(jiān)測，其中主桁架結(jié)構(gòu)上布置兩組測點，每組6個測點，臨時支架結(jié)構(gòu)上布置兩組測點，每組6個測點，各測點名稱及位置如表1所示。

表1 應(yīng)變測點名稱及位置

主桁架結(jié)構(gòu)12個測點平面布置及立面布置情況如圖2、圖3所示。

圖2 主桁架結(jié)構(gòu)上層平面測點布置圖

圖3 主桁架結(jié)構(gòu)下層平面測點布置圖

臨時支架結(jié)構(gòu)12個測點平面布置及立面布置情況如圖4、圖5所示。

圖4 臨時支架結(jié)構(gòu)上層平面測點布置圖

圖5 臨時支架結(jié)構(gòu)下層平面測點布置圖

2.2 變形監(jiān)測

富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過程中變形監(jiān)測和線形施工控制按照“計算”→“施工”→“量測”→“修正”→“施工”循環(huán)過程進行。嚴格按照施工控制方案對主梁關(guān)鍵點進行撓度測量，通過對測量值與模型理論值的誤差進行分析、調(diào)整、預(yù)測，為下一步的監(jiān)測提供依據(jù)。

本橋在施工過程中對變形監(jiān)測的主要內(nèi)容如下。

2.2.1 主鋼桁架撓度監(jiān)測

鋼桁梁撓度測點布置在各墩墩頂截面和各跨跨中截面，每個斷面橫向布置1個測點，采用短鋼筋焊接在鋼桁梁頂面（其中中間測點鋼筋頂面刻十字絲）。主鋼桁梁撓度監(jiān)測點為1～3號、10～17號點。

2.2.2 滑道鋼桁架撓度監(jiān)測

滑道梁的變形決定頂推施工能否順利進行，因此需要對其撓度變化情況進行全程監(jiān)測，滑道鋼桁梁撓度監(jiān)測點為4～9號點。

2.2.3 墩柱豎向位移監(jiān)測

根據(jù)墩柱壓縮變形理論計算結(jié)果，在墩柱施工階段提供各墩墩頂封頂標(biāo)高，確保成橋后墩柱標(biāo)高滿足設(shè)計要求。

3 有限元模型建立

根據(jù)富縣管廊跨河大橋施工順序，基于空間有限元分析軟件MIDAS建立全橋有限元模型，根據(jù)施工方案共劃分為45個施工階段對施工過程進行受力分析，施工過程中初始系統(tǒng)溫度默認為0℃。結(jié)構(gòu)整體模型見圖6。

圖6 富縣管廊跨河大橋整體模型

鋼桁架連續(xù)梁部分施工階段模型見圖7～圖10所示。

圖7 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage0模型

圖8 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage6模型

圖9 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage24模型

圖10 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage45模型

4 頂推施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)變控制分析

結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集部分試驗設(shè)備及其布置如圖11 所示。

圖11 部分試驗設(shè)備

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)均為應(yīng)變，根據(jù)公式：

取鋼材彈性模量E=2.1×105MPa，將各監(jiān)測應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，并將測試值與理論值進行對比。數(shù)據(jù)采集時的環(huán)境溫度為30℃～40℃。

4.1 主桁架各測點應(yīng)力值對比

圖中 1’、2’、3’表示理論值，1、2、3 表示監(jiān)測值，其余類似。

圖12 主桁架各測點應(yīng)力圖

由圖12可知，富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過程中主桁架各測點應(yīng)力實測值與理論計算值計算較吻合，其中主桁架應(yīng)力誤差最大點為S2監(jiān)測點，實測應(yīng)力為71.44 MPa（壓應(yīng)力），理論分析結(jié)果 60.78 MPa，誤差率為14.9%，且均小于Q345鋼材屈服強度設(shè)計值310 MPa。

4.2 滑道臨時支撐桁架測點應(yīng)力值

由圖13可知，對比富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過程中滑道臨時支撐桁架各測點應(yīng)力實測值與理論計算值，誤差最大點為X3監(jiān)測點，94.22 MPa（壓應(yīng)力），理論分析結(jié)果為81.58 MPa，誤差率為13.4%，應(yīng)力實測值與理論計算值計算較吻合。

通過模型和現(xiàn)場實際情況對比，現(xiàn)場實際溫度和模型系統(tǒng)溫度不相同是引起主桁架各測點和滑道臨時支撐桁架測點應(yīng)力理論值和實測值不一致的主要原因。因此對于晝夜溫差大、氣溫變化快的地區(qū)，要盡量在凌晨等溫度相對穩(wěn)定時間段進行測量，同時在模型中對系統(tǒng)溫度進行修正，從而減小溫度效應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)施工的影響程度，保證工程的順利進行。

圖13 滑道臨時支撐桁架各測點應(yīng)力圖

5 頂推施工過程中結(jié)構(gòu)線形控制分析

鋼桁架頂推施工過程中到達指定施工中間狀態(tài)后要采用水準(zhǔn)儀對主梁標(biāo)高進行測量，并與理論分析得到的測點標(biāo)高進行對比，當(dāng)誤差在合理范圍內(nèi)時可進行下一步的頂推施工，否則就要通過墩頂支撐處千斤頂進行調(diào)整，嚴格按照“計算”→“施工”→“量測”→“修正”→“施工”循環(huán)過程進行監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集時的環(huán)境溫度為30℃～40℃，撓度采集照片如圖14所示。

管廊跨河大橋鋼桁架豎向變形的理論值與實測值對比結(jié)果如圖15所示。圖中1·2·3’表示理論值，1·2·3表示監(jiān)測值，其余類似。

根據(jù)現(xiàn)場鋼桁架施工過程變形數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的對比分析，在施工過程中鋼桁架結(jié)構(gòu)的變形處于正常狀態(tài)，符合結(jié)構(gòu)變形要求。結(jié)構(gòu)頂推過程中變形最大的點為5號監(jiān)測點，為-14.6 mm，理論分析結(jié)果-13.9 mm，滿足要求。同主桁架各測點應(yīng)力變化規(guī)律，溫度取值的不一致導(dǎo)致了現(xiàn)場鋼桁架施工過程變形數(shù)據(jù)監(jiān)測值與理論值的誤差，因此在實際工程中應(yīng)采取措施通過控制溫度效應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)施工的影響程度從而達到精確控制施工過程的目的。

圖15 鋼桁架豎向變形的理論與實測對比值

富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和施工工藝，采用了“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法，鋼桁架橋梁頂推施工過程中主梁內(nèi)力和變形監(jiān)控數(shù)據(jù)均滿足誤差要求，并最終達到了預(yù)定的合理成橋狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文以富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工為背景，對鋼桁架橋梁頂推施工過程中主梁內(nèi)力和變形進行數(shù)據(jù)采集和分析，研究結(jié)果表明：

a）對于橋墩較高、跨徑較大的鋼桁架橋梁，“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法能夠有效地提高施工過程中的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架采用了“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法，鋼桁架橋梁頂推施工過程中主梁內(nèi)力和變形監(jiān)控數(shù)據(jù)均滿足誤差要求，并最終達到了預(yù)定的合理成橋狀態(tài)。

b）溫度變化是影響鋼桁架和滑道臨時支撐桁架變形和受力的主要因素。對于晝夜溫差大、氣溫變化快的地區(qū)，要盡量在凌晨等溫度相對穩(wěn)定時間段進行測量，同時在模型中對系統(tǒng)溫度進行修正，從而減小溫度效應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)施工的影響程度，保證工程的順利進行。

c）富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工的順利完成可為同類型橋梁的頂推施工提供參考。