環(huán)形人行天橋鋼支座內(nèi)力監(jiān)測(cè)與調(diào)整

高 輝 施衛(wèi)星 黃殿凱

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092; 2.上海路博減振科技股份有限公司,上海 201401)

1 工程背景

上海金沙江路真北路人行天橋平面呈橢圓形布置,全長(zhǎng)為 380.2 m。主橋下弦為箱形截面鋼管,腹桿和屋面弦桿為圓鋼管,根據(jù)不同的受力部位,采用Q420qD及Q345qC兩種不同型號(hào)的鋼材。人形天橋設(shè)計(jì)有四個(gè)橋臺(tái),被分為四跨,跨度分別為(109.6+80.5+109.6+80.5) m。每個(gè)橋臺(tái)上五個(gè)支座,其中外弧弦桿三個(gè)支座,內(nèi)弧弦桿兩個(gè)支座,中間支座為水平限位支座,不承受豎向力,豎向力全部由角部四個(gè)支座承擔(dān)。

人行天橋主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)場(chǎng)分段拼接焊接的方式進(jìn)行施工,整個(gè)鋼梁共分為12段,各段整體吊裝后由鋼管立柱和橋墩上臨時(shí)支點(diǎn)進(jìn)行臨時(shí)支撐,調(diào)整橋梁線形和標(biāo)高后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼焊,同時(shí)安裝橋梁支座并調(diào)整安裝標(biāo)高,確保支座頂板與鋼梁密貼,并對(duì)拼焊施工過(guò)程中橋梁線形進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控,橋梁安裝分段如圖1所示。橋梁鋼結(jié)構(gòu)拼接施工完成后,分別拆除橋臺(tái)上臨時(shí)支撐以及地面鋼管立柱支撐,使橋梁自重由橋墩上鋼支座來(lái)全部承擔(dān),然后再施工橋面結(jié)構(gòu)以及混凝土鋪裝,最后進(jìn)行橋梁的各種裝修裝飾工作,完成二期恒載的施加。為了防止人行天橋因施工誤差、溫度影響、支座沉降、橋梁變形等因素引起較大的支座反力不均勻[1],造成連續(xù)鋼梁橋在橋墩區(qū)域比較大的局部應(yīng)力,引起局部構(gòu)件的損傷破壞,對(duì)該人行天橋在不同施工階段以及施工完成后的支座反力進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)各個(gè)橋墩上支座反力分配極為不均,均有支座出現(xiàn)了受拉現(xiàn)象,有的拉力甚至超過(guò)了支座受拉承載力設(shè)計(jì)值,使鋼箱梁、支座及橋墩實(shí)際的受力狀態(tài)偏離原設(shè)計(jì)狀態(tài),為橋梁后期的運(yùn)營(yíng)埋下了安全隱患,需要對(duì)受拉脫空的支座進(jìn)行處理[2-4]。

圖1 橋梁模型結(jié)構(gòu)及施工分段示意圖Fig.1 The bridge model and construction section diagram

2 測(cè)力支座標(biāo)定與內(nèi)力監(jiān)測(cè)

2.1 支座標(biāo)定

支座壓力監(jiān)測(cè)可以通過(guò)支座橡膠墊內(nèi)油壓來(lái)讀取豎向壓力[5],但應(yīng)用局限性大,不能測(cè)量拉力,也可以通過(guò)壓電材料的電壓變化來(lái)讀取支座豎向拉壓力[6],但制作工藝復(fù)雜,成本單價(jià)高。振弦式應(yīng)變計(jì)具有良好的穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期漂移低,比較適用于結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控和營(yíng)運(yùn)期的長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)[7],能夠適于支座拉壓應(yīng)變監(jiān)測(cè),通過(guò)建立支座監(jiān)測(cè)應(yīng)變與豎向荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)支座反力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的目的。

該人行天橋支座為可調(diào)高、可測(cè)力球型鋼支座,內(nèi)部安裝有振弦式表面應(yīng)變計(jì),通過(guò)標(biāo)定支座豎向內(nèi)力與應(yīng)變計(jì)振弦頻率變化之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)支座豎向受力的可監(jiān)測(cè)性。每個(gè)支座在受壓(拉)上支座板軸體四周均勻布置四個(gè)應(yīng)變計(jì),其型號(hào)為 YBJ-A表面應(yīng)變計(jì),測(cè)量范圍:拉800με,壓1 200με;規(guī)格:100 mm;溫度工作范圍:-25 ℃～+60 ℃;分辨率:≤0.02%FS,綜合誤差:≤1.5%FS,應(yīng)力應(yīng)變計(jì)布置位置如圖2所示。

支座在出廠前均進(jìn)行標(biāo)定,平均分為5級(jí)進(jìn)行豎向加載,得到豎向壓力占支座豎向承載力設(shè)計(jì)值的百分比vr,與四個(gè)應(yīng)變計(jì)的振弦振動(dòng)頻率平均平方增量Δf2的對(duì)應(yīng)關(guān)系,限于篇幅,給出東北和東南橋臺(tái)上各支座的標(biāo)定曲線如圖3、圖4所示。

圖2 支座應(yīng)變計(jì)布置示意圖Fig.2 Strain gauges arrangement on bearing

圖3 東北橋臺(tái)支座標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curve of bearings of northeast bridge abutment

圖4 東南橋臺(tái)Fig.4 Calibration curve of bearings of southeast bridge abutment

橋梁各支座上應(yīng)變計(jì)振頻隨豎向壓力的增加逐漸減小,且變化均勻,基本呈線性關(guān)系,表明該測(cè)力支座設(shè)計(jì)可靠、讀取方便、測(cè)算簡(jiǎn)單,能夠?yàn)橹ё戳υ诟鱾€(gè)施工階段下的變化提供長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,支座應(yīng)處于受壓狀態(tài),所以并未對(duì)支座的拉力區(qū)間進(jìn)行標(biāo)定,這里假定支座受拉和受壓狀態(tài),豎向荷載增量與應(yīng)變計(jì)的振頻增量具有相同的線性關(guān)系。

2.2 支座內(nèi)力監(jiān)測(cè)

根據(jù)人行天橋成橋后的不同施工階段,對(duì)支座內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),從2015年11月到2016年3月,前后進(jìn)行多次支座內(nèi)力檢測(cè),其中10個(gè)主要施工階段對(duì)應(yīng)的支座反力變化情況如圖5所示,各個(gè)測(cè)試工況對(duì)應(yīng)的日期和施工階段如表1所示。

圖5 各橋臺(tái)上支座豎向力變化監(jiān)測(cè)Fig.5 Vertical force monitoring of bearings on bridge abutments

表1各測(cè)試工況日期及對(duì)應(yīng)施工階段

Table 1The date and construction phases of test conditions

在橋臺(tái)支撐拆除前,橋臺(tái)上各支座已經(jīng)開(kāi)始受力,并有明顯的不均勻現(xiàn)象,隨著支撐逐步拆除,完成橋梁受力轉(zhuǎn)換后,除西南橋臺(tái)外,其余各橋臺(tái)上支座合力均有明顯增加,支座受力分布更加不均,西北橋臺(tái)上TLQZ-5000 kN-SX(3)支座拉力達(dá)到了4 569 kN,其余各橋臺(tái)上均有一支座拉力超過(guò)1 000 kN。

在橋梁總自重荷載變化不大的情況下,東北和西北橋臺(tái)支座合力卻劇烈變化,梁體有明顯的內(nèi)力重分布現(xiàn)象,如圖6所示。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是支座安裝高度、梁體拼焊施工精度等均存在誤差,各支座對(duì)應(yīng)的初始安裝控制標(biāo)高與成橋變形后的理論標(biāo)高之間必然存在偏差,球形鋼支座豎向剛度較大,這些偏差會(huì)造成各個(gè)支座支點(diǎn)豎向力與有限元分析值有明顯差異。

圖6 各個(gè)橋臺(tái)的支座合力變化過(guò)程Fig.6 The sum of vertical force of bearings on every bridge abutment

3 支座內(nèi)力調(diào)整

這里利用可調(diào)高支座的優(yōu)點(diǎn),對(duì)梁體下部各支座的高度進(jìn)行微量調(diào)整,從而調(diào)整各個(gè)支座的豎向反力,使其均勻合理。

3.1 主要施工流程

支座的高度調(diào)整,首先需要解除支座的豎向拉桿約束,釋放受拉支座拉應(yīng)力,然后對(duì)支座豎向力進(jìn)行調(diào)整。主要的操作流程如下:1橋臺(tái)上布置液壓頂升設(shè)備和位移監(jiān)測(cè)設(shè)備→2對(duì)單個(gè)橋臺(tái)上的梁體整體提升→3根據(jù)各支座處頂升力和頂升位移確定支座調(diào)整高度→4增減支座上部墊板和調(diào)整楔形鋼板→5回油落梁,并記錄各個(gè)支座調(diào)整高度→6復(fù)測(cè)各支座豎向反力→7重復(fù)步驟2～6,直到滿足支座反力調(diào)整要求。

3.2 頂升及監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

梁體的整體提升,采用一個(gè)泵源同時(shí)對(duì)多個(gè)液壓千斤頂進(jìn)行施壓頂升[8],頂升過(guò)程中,每個(gè)千斤頂?shù)囊簤簭?qiáng)度是相同的。頂升千斤頂采用額定噸位150噸、額定液壓63 MPa、行程40 mm的單作用液壓千斤頂,根據(jù)支座型號(hào)配置千斤頂數(shù)量,TLQZ-8000 kN支座處布置五臺(tái),TLQZ-6000 kN和TLQZ-5000 kN支座處布置四臺(tái)或三臺(tái),當(dāng)支座壓力偏大時(shí),布置四臺(tái)千斤頂,支座壓力偏小時(shí)布置三臺(tái)千斤頂,每個(gè)頂升點(diǎn)均布置一臺(tái)拉線式位移傳感器。千斤頂上下均布置整塊鋼墊板,厚30 mm,以分散千斤頂壓應(yīng)力,防止橋臺(tái)墊石和上部鋼梁局部壓應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生損傷。設(shè)備的平面布置如圖7所示。

圖7 設(shè)備布置平面圖Fig.7 The layout drawing of lifting equipment

3.3 梁體整體提升

對(duì)所有千斤頂施加相同的液壓,支座反力較小的支點(diǎn)將最先被提升,隨著液壓水平的逐漸增加,各個(gè)支點(diǎn)將分別被提升不同的高度,整體提升速度控制在2 mm/min以?xún)?nèi),并實(shí)時(shí)記錄千斤頂?shù)囊簤?若千斤頂液壓出現(xiàn)異常現(xiàn)象時(shí),比如壓力過(guò)高、壓力陡降等,應(yīng)停止梁體頂升,查明原因,方可繼續(xù)進(jìn)行操作。防止支座拉桿約束解除遺漏或者不徹底、千斤頂下部墊塊傾斜不穩(wěn)或墊石破碎、鋼梁局部屈曲等意外發(fā)生,避免人行天橋和橋臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和損傷。

梁體提升高度能夠滿足支座調(diào)整要求后,立即鎖緊液壓閥,并監(jiān)測(cè)梁體位移和千斤頂液壓變化情況,記錄各個(gè)支座處的頂升位移值,確保支座上部有一定的調(diào)整空間。待頂升系統(tǒng)和位移保持穩(wěn)定15 min后,開(kāi)始支座的高度調(diào)整施工。

3.4 支座高度調(diào)整

頂升工作完成后,記錄橋臺(tái)上四個(gè)支座處提升的位移量,分別記為Δi(i=1～4),若各支座處的千斤頂布置噸位與支座設(shè)計(jì)豎向力比例協(xié)調(diào)一致,則各個(gè)支座的高度調(diào)整量為δi=Δi-∑Δi/4,正值表示增加支座墊板高度,負(fù)值表示減少支座墊板高度。

理論上通過(guò)一次調(diào)整,就可以使支座反力趨于均勻合理。但是,一方面千斤頂?shù)牟贾脭?shù)量與支座的設(shè)計(jì)豎向力并不完全等比例,只能是近似成比例,而且限于千斤頂行程,在一些反力很小甚至受拉的支座處,梁體首次提升20 mm,以滿足支座高度調(diào)整要求為準(zhǔn),主要是降低反力較大支座的提升高度,并把抽出的墊板增加到其他支座上。然后緩慢落梁,重新測(cè)量支座豎向反力,并根據(jù)測(cè)量結(jié)果,按照頂升位移差重新確定支座的高度調(diào)整量。

另一方面,由于支座高度較大,各個(gè)支座上部墊板高度不同、層數(shù)不同、間隙不同造成各個(gè)支座豎向剛度偏差較大。在頂升過(guò)程中,個(gè)別支座沒(méi)有明確的脫空界限,在一定頂升高度范圍內(nèi),支座均受力極小,僅受到鋼板變形反彈力,并不會(huì)脫空,造成有些支座需要較大的提升量才能滿足高度調(diào)整操作要求,此時(shí)為了避免梁體的提升量過(guò)大,往往通過(guò)多次調(diào)整其他支座的高度來(lái)改變這類(lèi)支座的受力。

基于以上兩個(gè)方面的原因,支座的高度調(diào)整是分多次完成的,梁體的最大提升高度不超過(guò)20 mm,單個(gè)支座每次的高度調(diào)整量不超過(guò)4 mm,通過(guò)多次高度調(diào)整和支座反力測(cè)試,使支座豎向反力分布接近于設(shè)計(jì)值。

3.5 調(diào)整后內(nèi)力監(jiān)測(cè)

西北橋臺(tái)上支座受拉現(xiàn)象嚴(yán)重,所以首先對(duì)西北橋臺(tái)上支座進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整,然后按照順時(shí)針?lè)较蛞来握{(diào)整其他橋臺(tái)上的支座內(nèi)力,西北橋臺(tái)上支座調(diào)整后,設(shè)計(jì)型號(hào)TLQZ-6000(SX)支座豎向力最大,其余支座受力偏小,符合人行天橋設(shè)計(jì)的支座反力分布規(guī)律,調(diào)整前后其余各橋臺(tái)上支座反力基本無(wú)變化,橋臺(tái)上支座內(nèi)力調(diào)整對(duì)其余橋臺(tái)上支座受力影響不大。其余各橋臺(tái)上支座內(nèi)力調(diào)整后,支座豎向內(nèi)力與支座設(shè)計(jì)型號(hào)基本協(xié)調(diào)一致,與理論設(shè)計(jì)值分布規(guī)律相同,第三次橋面鋪裝后,支座豎向反力均勻增加,受力分布合理,沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)力變化異常現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1) 高度可調(diào)、內(nèi)力可測(cè)的球型鋼支座適用于大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁、人行天橋等結(jié)構(gòu)中,可以實(shí)現(xiàn)成橋過(guò)程中、二期恒載施工過(guò)程中以及后期服役過(guò)程中支座內(nèi)力監(jiān)測(cè),為該類(lèi)結(jié)構(gòu)的施工安全和使用安全提供參考依據(jù)。

(2) 由于安裝施工誤差及大曲率鋼橋成橋后扭轉(zhuǎn)變形影響,人行天橋鋼梁在成橋后以及后期施工過(guò)程中,橋臺(tái)上支座反力分布可能極不均勻,而且變化劇烈,對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)支座內(nèi)力監(jiān)測(cè)是十分必要的。

(3) 梁體支座處頂升力和位移監(jiān)測(cè)可以為支座高度調(diào)整值提供有效參考,減少支座高度調(diào)整的次數(shù)。但每次調(diào)整的高度不宜太大,頂升高度也應(yīng)在梁體結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)。

(4) 通過(guò)整體提升梁體,逐墩調(diào)整各支座高度可以實(shí)現(xiàn)橋臺(tái)上支座內(nèi)力的重分布,調(diào)整后,支座豎向力分布合理,且在二期恒載作用下,豎向力均勻增加。