大跨度寬幅鋼桁梁橋散拼施工控制

榮釗，王保群*,榮銳，趙麗

(1.山東交通學院交通土建工程學院，山東濟南 250357；2.山東省交通工程監(jiān)理咨詢有限公司,山東濟南 250002)

0 引言

鋼桁梁橋作為一種常用橋型，其抗彎、抗剪、抗扭剛度都很大，并且具有自重輕、跨越能力大、構件便于運輸、適應各種地形地質的特點；構件便于采用懸臂施工法拼裝，有成套的設備可用，拼裝工藝成熟；工業(yè)化制造程度高，構件易于修復和更換，在我國橋梁建設中得到廣泛應用[1-5]。為提升公路橋梁的品質和耐久性，降低全壽命周期成本，促進公路建設轉型升級、提質增效，2016年交通運輸部下發(fā)《關于推進公路鋼結構橋梁建設意見》，進一步加大了鋼桁梁橋梁在公路橋梁建設中的應用[6-8]。

本文中通過分析跨大堤橋鋼桁梁安裝過程中的節(jié)點變形和每個節(jié)點斷面的斷面應力，將結構測試技術與有限元建立模型分析技術相結合，通過局部結構精細化分析確定最不利的情況，并在施工過程中控制應力、線形的同時對不利情況進行跟蹤監(jiān)控，確保安裝鋼桁梁過程中結構的穩(wěn)定和安全，使實際成橋后的線形和橋面線形與設計要求一致，并且使實際成橋的內力分布與設計成橋的內力狀態(tài)基本保持一致，保證安裝鋼桁梁的安全和橋梁的正常運營[9-14]。

1 工程概況

泰東高速公路跨黃河大堤橋采用2×180 m變高度連續(xù)鋼桁梁結構，橫橋向布置3片桁梁，桁梁中心距2×18.75 m，桁梁采用變高度，49#墩兩側48 m范圍高度由32 m變?yōu)?6 m，其余節(jié)間采用高度為16 m的平行弦結構形式；全橋桁梁共計30個節(jié)間，標準節(jié)間長度為12 m，兩端端頭為11 m。橋梁布置如圖1所示(圖中單位為cm)。

圖1 橋梁布置

該橋鋼桁梁安裝采用有支架配合懸臂拼裝施工方法，鋼桁梁采用散拼方式，3片桁梁桿件由左向右依次組拼。鋼桁梁主要施工工序如表1所示。

表1鋼桁梁安裝工序表

2 施工力學分析

2.1 結構整體受力狀態(tài)

圖2 橋梁理論計算模型

采用Midas Civil軟件對鋼桁梁施工工序進行施工力學分析，鋼桁梁各個桿件均采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬。全橋共有7475個節(jié)點，8597個單元，全橋力學模型如圖2所示[15]。

考慮鋼桁梁不同施工階段的受力特點，分析懸臂拼裝時鋼桁梁最大懸臂狀態(tài)下的應力、變形及臨時支撐受力狀態(tài)，確保鋼桁架拼裝施工安全。不同施工階段桁梁和支架的受力狀況如表2所示，桁梁的最大位移狀態(tài)如圖3所示。

表2 不同施工階段結構的受力狀態(tài)

由表2可知，在不同施工階段，鋼桁梁懸臂端和臨時支撐跨中的最大變形均滿足規(guī)定的變形要求，桁梁桿件的最大應力滿足規(guī)定的應力要求。

由圖3可知：安裝49#墩大樁號側鋼桁梁懸臂時，懸臂端位移隨懸臂長度的增大而不斷增大，當鋼桁梁懸拼至6#臨時支撐墩時懸臂位移達到最大(E7′)，此后將鋼桁架落于6#臨時支撐墩；考慮一次性將鋼桁梁頂升至控制標高可能會導致49#墩處支座損傷，采用二次頂升作業(yè)，第一次頂升距理論高度差15 cm，然后進行剩余鋼桁梁的懸臂拼裝，待全部鋼桁梁拼裝結束后，二次頂升到設計標高。鋼桁梁跨中最大位移發(fā)生在6#臨時支撐墩和所有支架拆除后。

a) 懸臂端最大位移 b) 跨中最大位移圖3 不同施工階段的桁架位移

2.2 結構散拼受力特點

該鋼桁梁橋為大跨度、寬幅結構，空間作用明顯；同時，懸臂拼裝節(jié)間多、構件質量大，各片桁梁構件在散拼時容易對結構受力產生不利影響，需在拼裝時加以重點監(jiān)控[16-19]。

1)主桁梁變形不協(xié)調導致后期橋面系縱橫梁參與主梁受力不均衡。鋼桁梁采用散拼施工時，受結構自重、溫度及支撐體系的變化影響，使各片桁梁變形不協(xié)調；桁梁變形的不協(xié)調會導致后期安裝的橋面系縱橫梁變形不協(xié)調，使得橋面梁格系參與桁架工作時出現(xiàn)明顯的不均衡，縱梁軸力橫向分布呈現(xiàn)由邊縱梁向中縱梁逐漸減小的趨勢。

2)散拼施工導致鋼桁梁橫向聯(lián)接薄弱，影響結構的整體性能。寬幅橋對鋼桁梁構件聯(lián)接要求高，若構件縱橫向連接處理不當，容易出現(xiàn)縱向裂縫、橋面上翹、剪力滯效應等不利后果，應加強對鋼桁梁各連接處的觀測，確保鋼桁梁在施工過程中受力合理。

3)支承體系的不均勻沉降容易導致桁梁結構產生次內力。寬幅橋采用散拼施工時要求臨時支承的基礎具有良好的整體穩(wěn)定性，以減小地基的不均勻沉降對橋梁結構產生不利影響，施工時應加強對橋梁永久墩和臨時支承墩的監(jiān)測，確保施工過程的穩(wěn)定性。

3 施工過程控制

為準確監(jiān)測鋼桁架安裝時的受力狀態(tài)，在理論分析最不利的桿件處安裝應力傳感器和應變計，實測其應力和變形狀態(tài)并與理論值進行對比分析，實時控制施工過程[20]。

3.1 應力觀測

1)測點布設

鋼桁梁應力測試分為初始應力測試和安裝應力測試。初始應力測試在制作鋼桁梁時進行，此時鋼桁梁在胎架上處于自重應力狀態(tài)，測試初始應力為后續(xù)應力測試提供基準；測試安裝應力用于測試不同施工階段鋼桁梁的受力狀態(tài)，保證施工受力狀態(tài)符合設計要求并確保施工安全。

全橋選取最不利受力斷面1-1、2-2、3-3(如圖4所示，圖中單位為m)布設測試元件，每個測試截面上弦桿布設12個測點(6個縱向、6個橫向)、下弦桿與腹桿布設8個測點(6個縱向、2個橫向)。其中，初始應力測點布置如圖5所示，安裝應力測點布置如圖6所示。

圖4 鋼桁架梁應力測試截面布置

a)鋼桁架梁應力測點布置 b)各傳感器布置位置圖5 初始應力測試測點布置

a)鋼桁架梁應力測點布置 b)各傳感器布置位置圖6 安裝應力測試測點布置

2)監(jiān)測結果分析

對鋼桁梁散拼和橋面板安裝2個階段的各測點的理論應力與實測應力進行實時監(jiān)測分析，以準確掌握施工過程結構構件受力狀態(tài)。

鋼桁梁拼裝主要應力檢測結果如表3所示。施工過程理論應力與實測應力的變化趨勢基本一致，但在安裝4′#～7′#節(jié)間時相差較大，造成這種現(xiàn)象的原因：一是施工工序與理論分析存在時間滯后效應，理論分析按照臨時墩一次性完全拆除考慮，但在實際施工過程中由于臨時墩拆除速度較慢，應力采集時鋼桁梁尚未完全脫架，導致結構受力比理論分析值偏小，結構受力更安全；二是設置臨時支撐時采用二次頂升作業(yè)，進一步減小了結構受力，二次頂升結束后理論和實測的偏差保持在合理范圍內。

表3 15′#節(jié)間各測點最大應力

橋面板安裝后主要應力檢測結果如表4所示。在施工過程中理論應力與實際應力的變化趨勢大體一致，但部分節(jié)間有所偏差，造成偏差的原因：一是寬幅橋梁橋面板安裝不同步，右幅橋面板先進行吊裝，造成左右幅受力不均；二是橋面板拼裝時，需在橋上臨時集中堆放后再進行二次移運拼裝，存在局部集中荷載而導致偏差。

表4 8′#節(jié)間各測點最大應力

3.2 線形控制

圖7 鋼桁架梁線形測點布置

1)測點布設

該橋采用有支架配合懸臂散拼的施工方法，施工階段結構受力體系變化頻繁。為準確監(jiān)測不同施工階段鋼桁架的變形狀態(tài)，在鋼桁架每一節(jié)段間處沿左、中、右布設3個監(jiān)測點(如圖7所示)，采用精密水準儀和全站儀進行鋼桁架安裝線形監(jiān)測。

2)監(jiān)測結果分析

圖8 各施工工況安裝標高的理論應力和實測應力的差值

橋面板安裝后鋼桁梁左右幅桿件安裝標高的理論值與實測值之差如圖8所示，由圖8可知：在施工過程中實測線形與理論線形基本一致，但部分節(jié)間有所偏差。最大差值在7′#節(jié)間處，偏高6.0 cm，產生的原因是拆除臨時墩時鋼桁梁抬高的預拱度偏大；鋼桁梁拼裝過程中左右幅拼裝進度有差異，導致左右幅存在高差，其最大差值在9′#節(jié)間處，為3.9 cm；在靠近49#墩處的幾個節(jié)間，49#墩的沉降導致實測應力低于理論應力。

3.3 拼裝過程中的幅高差調整

根據有支架配合懸臂拼裝施工工序要求，在不同施工階段需將1#～5#臨時支架拆除，支架拆除順序為3—2—1—4—5。1#～4#支架從9#節(jié)間拼裝時開始拆除，完成7#節(jié)間拼裝后拆除階段結束；5#支架在5′#節(jié)間拼裝完成后拆除。每組支架拆除順序為先拆中桁再拆邊桁。根據現(xiàn)場實測情況，因支架拆除導致9′#節(jié)間架設完成后左右幅存在一定的高度差，采用以下方案進行調整：1)散拼時先拼裝右幅桿件，先終擰左幅高強度螺栓，再終擰右幅高強度螺栓。由于右幅偏高，先拼裝右幅桿件相當于在右幅上加載；同時對高強度螺栓預留2 mm活動空間，在終擰前加載將使右幅桿件高度調低，縮小左右幅高差。2)在安裝下一個節(jié)間下弦桿時適當調低右幅高度，使左右幅標高一致。

調整后左右幅高差得到明顯控制且差值減小，并在6#臨時墩處對左右幅進行調整，保證左右幅的標高一致。

4 結論

1)觀測二次起頂前后應力的變化，可知結構實測應力與理論應力的符合程度，并對造成偏差的原因進行分析，結果證明二次起頂?shù)氖┕し桨改軌驖M足原設計要求，采用有限元軟件模擬施工過程進行監(jiān)控的方法是可行的。

2)根據實測標高與理論標高的對比分析，在跨中及49#墩處標高有所偏差，但實測線形與理論線形基本一致，說明有限元軟件模擬施工過程能夠有效地指導鋼桁梁懸臂安裝，鋼桁梁橋散拼施工過程中的監(jiān)測控制是成功的。

3)在施工過程中拆除跨大堤橋臨時墩時，施工工序與理論分析存在時間滯后效應，造成該橋主桁變形不協(xié)調，主梁受力不均勻，導致正在拼裝的節(jié)間出現(xiàn)幅高差問題，對此提出相應的解決方案，使調整后的幅高差得到控制，保證橋梁施工能夠安全有序的進行。

跨大堤橋在施工過程中對二次起頂前后應力變化、標高等方面進行有效監(jiān)控，但對于寬幅橋梁地基不均勻沉降、鋼桁梁橋受溫度的影響等問題還需要進一步研究。