多跨簡(jiǎn)支拱型鋼桁梁橋頂推拖拉監(jiān)控技術(shù)

孟令強(qiáng)

（1.鐵正檢測(cè)科技有限公司，山東濟(jì)南 250014；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250014）

近年來(lái)頂推拖拉施工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同類型橋梁的施工中，尤其是在系桿拱橋和鋼桁梁橋的施工中應(yīng)用更多［1-2］。而大跨度拱型鋼桁梁的頂推拖拉施工過(guò)程是一個(gè)結(jié)構(gòu)體系不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，橋梁結(jié)構(gòu)在拼裝、拖拉、落梁、拆除等狀態(tài)下的受力模式各異，其結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為也不盡相同，同時(shí)還受到溫度、工序、環(huán)境等各種因素影響。為制定科學(xué)可行的施工方案和確保施工安全，必須對(duì)橋梁拖拉施工全過(guò)程開(kāi)展詳細(xì)的整體受力分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)頂推拖拉施工的研究主要集中在施工關(guān)鍵技術(shù)、分析方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等方面，其中趙人達(dá)等［3］詳細(xì)闡述了目前橋梁頂推法施工的研究現(xiàn)狀，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入研究；董國(guó)禎等學(xué)者［4-9］則針對(duì)不同類型的鋼箱梁、系桿拱橋、連續(xù)梁和鋼管混凝土拱橋進(jìn)行了施工監(jiān)控技術(shù)研究。既有監(jiān)控技術(shù)研究以單孔拱橋頂推拖拉施工居多，而針對(duì)超重超長(zhǎng)的多跨長(zhǎng)聯(lián)橋梁的頂推拖拉施工及監(jiān)控技術(shù)研究很少。據(jù)此，本文以京張高速鐵路官?gòu)d水庫(kù)特大橋拱型鋼桁梁為工程背景，對(duì)大橋頂推拖拉施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)研究，以確保結(jié)構(gòu)安全和施工安全。

1 工程概況

大橋主桁上弦采用變高度桁式，為近似拱型結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)速度為350 km/h，設(shè)計(jì)荷載為ZK 活載，采用球型支座。大橋單孔計(jì)算跨徑為108.0 m，分為10 個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間尺寸10.8 m，單孔質(zhì)量為1 863 t，中間最大桁高為19.0 m。大橋采用有砟軌道，鋼橋面板兩側(cè)設(shè)置20 cm 厚道砟槽板。主橋位于直線上和縱坡位置處，縱向坡度為2.0‰。主、引橋過(guò)渡墩采用分離式墩身，在兩側(cè)引橋混凝土箱梁與主橋鋼梁之間設(shè)置阻尼器。

大橋采用支架上拼裝，單側(cè)非等節(jié)間頂推拖拉施工方法。京張高速鐵路北京方向引橋位于水庫(kù)內(nèi)，僅在張家口一側(cè)設(shè)置鋼桁梁拼裝平臺(tái)，利用龍門吊機(jī)在拼裝平臺(tái)上先完成單孔鋼桁梁拼裝。在第1孔拼裝完成的鋼桁梁前端設(shè)置導(dǎo)梁，然后利用頂推拖拉滑道、滑塊及拖拉牽引裝備將第1孔拖拉到位。然后順序拼裝后續(xù)鋼桁梁，重復(fù)拼裝和頂推拖拉至設(shè)計(jì)位置，拆除附屬結(jié)構(gòu)后落梁，最后完成主橋施工。大橋頂推拖拉施工是結(jié)構(gòu)體系不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，為確保結(jié)構(gòu)安全和施工安全，必須對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，以確保結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。

2 數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

大跨度拱型鋼桁梁橋頂推拖拉施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，主要施工階段包括鋼梁拼裝、頂推拖拉和落梁3 個(gè)環(huán)節(jié)。鋼梁拼裝按照“下弦桿→橋面板→下平聯(lián)→腹桿→上弦桿→橋門架→上平聯(lián)→橫聯(lián)”的順序進(jìn)行拼裝作業(yè)。頂推拖拉施工按照“1+1+1+2+2+1”的模式進(jìn)行，首先拼裝1孔鋼桁梁，頂推拖拉后繼續(xù)拼裝1孔或2孔鋼桁梁，直至最終將全部8孔鋼桁梁頂推拖拉到位。8 孔鋼桁梁就位后拆除滑塊和滑道梁，先后進(jìn)行簡(jiǎn)支端和連續(xù)端體系轉(zhuǎn)換，逐孔轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，最后完成落梁工作。因大橋施工工序繁瑣，需結(jié)合施工順序合理確定監(jiān)控內(nèi)容。

2.1 數(shù)值模擬仿真分析

2.1.1 有限元模型的建立

利用MIDAS/Civil 建立全橋有限元模型，主桁、縱橫梁采用梁?jiǎn)卧瑯蛎姘宀捎冒鍐卧?，上平?lián)、橫聯(lián)采用桁架單元。橋梁采用整體建模方法，根據(jù)實(shí)際施工步驟分段激活，模擬整個(gè)頂推拖拉過(guò)程。頂推拖拉就位后，通過(guò)鈍化臨時(shí)連接的方式完成連續(xù)到簡(jiǎn)支的轉(zhuǎn)換，進(jìn)入落梁階段。邊界條件為：采用一般支承約束鋼桁梁縱、橫向水平位移，采用節(jié)點(diǎn)彈性支承的是只受壓類型，模擬墊塊、滑塊對(duì)鋼桁梁的支承情況。圖1為導(dǎo)梁及第1跨鋼桁梁拼裝已經(jīng)完成。

圖1 導(dǎo)梁及第1跨鋼桁梁拼裝完成

2.1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1）拼裝及頂推拖拉階段。整個(gè)頂推拖拉過(guò)程按每10.8 m 為1 個(gè)階段重復(fù)進(jìn)行，通過(guò)變換鋼桁梁底部彈性支承位置來(lái)模擬整個(gè)頂推拖拉過(guò)程。分析結(jié)果表明：①拼裝過(guò)程中，除上弦桿受力較小外，其余桿件的受力大多介于-12～18 MPa。②頂推拖拉過(guò)程中，當(dāng)?shù)撞繌椥灾С形挥跓o(wú)斜桿分擔(dān)豎向壓力的豎桿附近時(shí)，該處下弦桿及豎桿應(yīng)力急劇增加，處于最不利受力狀態(tài)，且首孔鋼桁梁的受力較其他孔跨更大。③頂推拖拉過(guò)程中，導(dǎo)梁端最大懸臂達(dá)99.2 m，對(duì)應(yīng)撓度為26 cm。此時(shí)首孔鋼桁梁上弦桿A3A4，A4A5拉應(yīng)力達(dá)到最大值；尾孔鋼桁梁懸臂達(dá)54 m，對(duì)應(yīng)撓度為6.7 cm，此時(shí)懸臂根部處下弦桿及豎桿受力最不利。④頂推拖拉過(guò)程對(duì)臨時(shí)支墩受力及變形影響較大，這對(duì)鋼桁梁的受力狀態(tài)同樣會(huì)造成不利影響。

“眾人拾柴火焰高”，各種場(chǎng)所一些錯(cuò)誤的公示語(yǔ)可能無(wú)意中被英語(yǔ)愛(ài)好者看到，他們可以去管理部門反映問(wèn)題所在。同時(shí)管理部門給予適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)，激發(fā)英語(yǔ)專業(yè)人士的熱情。

2）落梁階段。鋼桁梁落梁高度介于1.34～2.18 m，屬高位落梁。體系轉(zhuǎn)換完成后，鋼桁梁達(dá)到由8 個(gè)落梁支墩支撐的落梁前狀態(tài)，通過(guò)豎向千斤頂逐步抽取標(biāo)準(zhǔn)鋼墊塊的方式使鋼梁逐步下落到設(shè)計(jì)位置［10］。由于施工誤差，落梁前鋼桁梁的4 個(gè)支點(diǎn)位置不可能在同一平面上，加之各支點(diǎn)的下落過(guò)程不可能做到完全同步，可能造成鋼桁梁部分桿件附加應(yīng)力增加較多，從而影響鋼梁結(jié)構(gòu)安全。針對(duì)這種情況分4 個(gè)工況進(jìn)行鋼桁梁敏感性桿件分析，以確定最不利受力桿件。4個(gè)分析工況見(jiàn)表1。

表1 鋼桁梁落梁分析

分析結(jié)果表明：①工況2，3 對(duì)鋼梁桿件受力影響較?。虎诠r1，4 會(huì)使斜桿E0A1 產(chǎn)生較大附加應(yīng)力，同時(shí)使2#，3#支點(diǎn)反力急劇增加，工況4 的影響尤為明顯；③工況4作用下斜桿E0A1的壓應(yīng)力達(dá)125.9 MPa，達(dá)到該桿件穩(wěn)定容許應(yīng)力的76%，此時(shí)2#，3#支點(diǎn)的反力增大62.4%，結(jié)構(gòu)受力較為不利。因此落梁之前應(yīng)在4 個(gè)支點(diǎn)上方橋面位置布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量各水準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)高程，并在落梁過(guò)程中加強(qiáng)觀測(cè)。同時(shí)，應(yīng)對(duì)敏感性受力桿件E0A1 進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控。通過(guò)標(biāo)高、應(yīng)力數(shù)據(jù)的雙重控制做到及時(shí)預(yù)警，及時(shí)處置，保證落梁工作順利完成。

2.2 監(jiān)控內(nèi)容及方法

依據(jù)仿真分析結(jié)果，確定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控內(nèi)容主要包括應(yīng)力（溫度）監(jiān)控和變形監(jiān)控。

1）應(yīng)力（溫度）監(jiān)控

對(duì)主梁和臨時(shí)支墩同時(shí)進(jìn)行應(yīng)力（溫度）監(jiān)控，根據(jù)仿真分析結(jié)果，在主桁桿件和臨時(shí)支墩上安裝應(yīng)變測(cè)試元件以監(jiān)控危險(xiǎn)部位的應(yīng)力大小，與其他監(jiān)控指標(biāo)結(jié)合全面判斷結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。采用JMZX-212HAT型弦式應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)變和溫度監(jiān)控，同時(shí)配套JMZX-256 型自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和預(yù)警。在每孔鋼桁梁控制截面對(duì)應(yīng)桁梁上下弦桿、腹桿、斜桿位置對(duì)稱布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，每孔鋼桁梁16 個(gè)測(cè)點(diǎn)；在導(dǎo)梁最不利受力桿件上布置測(cè)點(diǎn)，共10 個(gè)測(cè)點(diǎn)；每個(gè)臨時(shí)支墩外側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，滑塊上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，臨時(shí)支墩和滑塊共布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)。主梁及導(dǎo)梁測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 主梁及導(dǎo)梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意

2）變形監(jiān)控

變形監(jiān)控是指采用不同類型儀器設(shè)備對(duì)各施工階段的預(yù)拱度、撓度、軸線偏位等進(jìn)行監(jiān)控，以確保結(jié)構(gòu)實(shí)際變形與設(shè)計(jì)變形之差在容許范圍內(nèi)。針對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控要求，拼裝過(guò)程中主梁預(yù)拱度和頂推拖拉過(guò)程中臨時(shí)支墩變形采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試；頂推拖拉過(guò)程中的主梁軸線偏位和各控制點(diǎn)撓度采用高精度全自動(dòng)全站儀進(jìn)行測(cè)試。主梁撓度測(cè)點(diǎn)布置在鋼桁梁跨中位置、懸臂端和兩滑塊中間位置，臨時(shí)支墩撓度測(cè)點(diǎn)布置在橋墩頂部。圖3為部分變形測(cè)點(diǎn)示意。

圖3 部分變形測(cè)點(diǎn)示意

3 監(jiān)控結(jié)果分析

3.1 預(yù)拱度監(jiān)控結(jié)果分析

鋼梁拼裝階段進(jìn)行預(yù)拱度監(jiān)控，分析計(jì)算時(shí)采用升降溫方法調(diào)整弦桿的長(zhǎng)度設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)拱度設(shè)置對(duì)鋼桁梁橋整體拼裝、鋼橋面板焊接和行車平順性均有很大影響?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各節(jié)點(diǎn)預(yù)拱度與數(shù)值計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)吻合良好，且大小基本一致。左幅E5 和右幅E5 測(cè)點(diǎn)位置實(shí)測(cè)預(yù)拱度最大值分別為114 mm 和112 mm，與計(jì)算值109 mm 基本一致。預(yù)拱度最大偏差發(fā)生在跨中位置，主要是因?yàn)榭缰形恢妙A(yù)拱度絕對(duì)值很大，偏差值對(duì)應(yīng)也較大。鋼桁梁各位置實(shí)際偏差均小于容許偏差，鋼梁整體線形良好。

3.2 應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果分析

對(duì)主梁、導(dǎo)梁和臨時(shí)支墩進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，涵蓋鋼梁拼裝、頂推拖拉和落梁階段。在鋼梁拼裝階段，實(shí)測(cè)鋼桁梁各桿件應(yīng)力介于-14.4～13.2 MPa，且實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較為接近。實(shí)測(cè)應(yīng)力變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符，桿件應(yīng)力實(shí)測(cè)值均未達(dá)到其容許應(yīng)力的80%，桿件受力安全。臨時(shí)支墩實(shí)測(cè)應(yīng)力也均小于計(jì)算值，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

在鋼梁頂推拖拉階段，導(dǎo)梁及主梁桿件受力較為復(fù)雜，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨著拖拉距離改變而不斷變化。導(dǎo)梁實(shí)測(cè)應(yīng)力變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均為交替變化。實(shí)測(cè)應(yīng)力最大值為-125.6 MPa，略小于計(jì)算值-135 MPa，發(fā)生在鋼梁整體向北京側(cè)拖拉97.2 m 位置處，此時(shí)導(dǎo)梁懸臂長(zhǎng)度最大，根部截面應(yīng)力最大，其他階段實(shí)測(cè)應(yīng)力相對(duì)較小。

在頂推拖拉施工階段，主梁各桿件應(yīng)力隨體系轉(zhuǎn)換而不斷變化，各孔上下弦桿、豎桿及斜桿實(shí)測(cè)應(yīng)力均小于計(jì)算值，且實(shí)測(cè)應(yīng)力變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致。相比較而言，下弦桿應(yīng)力變化最大，第1孔實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為-144.7 MPa，小于計(jì)算值-150.0 MPa，發(fā)生在鋼橋整體向北京側(cè)拖拉54.0 m 時(shí)，此時(shí)下弦桿受力最為不利。而第8孔實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為-149.7 MPa，小于計(jì)算值-152.0 MPa，發(fā)生在鋼橋整體向北京側(cè)拖拉108.0 m 時(shí)。拖拉過(guò)程中桿件應(yīng)力實(shí)測(cè)值均未達(dá)到其容許應(yīng)力的90%，桿件受力安全。

現(xiàn)場(chǎng)落梁工作持續(xù)近60 d，落梁時(shí)對(duì)拱腳處應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控。整個(gè)落梁過(guò)程中實(shí)測(cè)各橋跨拱腳應(yīng)力介于-97.4～-34.0 MPa，均小于數(shù)值計(jì)算值，且桿件應(yīng)力均未達(dá)到其許用應(yīng)力的80%，應(yīng)力水平均在安全范圍之內(nèi)。

3.3 變形監(jiān)控結(jié)果分析

鋼梁拼裝過(guò)程中臨時(shí)支墩最大沉降為6 mm，發(fā)生在整孔鋼梁全部拼裝完畢時(shí)，且拼裝過(guò)程中沉降值穩(wěn)定，沉降值隨鋼梁重量增加而逐漸增大，沉降未對(duì)鋼桁梁拼裝造成安全影響。鋼桁梁頂推拖拉階段主梁、導(dǎo)梁和臨時(shí)支墩變形較大，表2為頂推拖拉階段部分變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

表2 部分變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) mm

在頂推拖拉施工階段，變形最大值一般發(fā)生在導(dǎo)梁端部和鋼桁梁尾部，當(dāng)導(dǎo)梁或鋼桁梁懸臂長(zhǎng)度最大時(shí)，對(duì)應(yīng)撓度變形數(shù)值最大。頂推拖拉橋跨數(shù)量對(duì)撓度變形影響不明顯，撓度變形與懸臂長(zhǎng)度成正比例關(guān)系。由表2可知，整個(gè)拖拉過(guò)程中實(shí)測(cè)撓度變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符，且撓度實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值，說(shuō)明導(dǎo)梁剛度比理論偏大。同時(shí)，鋼桁梁尾部撓度遠(yuǎn)小于導(dǎo)梁端部數(shù)值，說(shuō)明鋼桁梁剛度遠(yuǎn)大于導(dǎo)梁，在施工過(guò)程中監(jiān)控重點(diǎn)應(yīng)集中在導(dǎo)梁位置。

整個(gè)拖拉過(guò)程中橋梁軸線沿中線左右變化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鋼桁梁尾部最大軸線偏位為+18 mm，對(duì)應(yīng)導(dǎo)梁前端最大軸線偏位為-17 mm?？傮w表現(xiàn)為導(dǎo)梁前端偏向上游側(cè)而鋼梁尾部偏向下游側(cè)，軸線偏位處于可控狀態(tài)，不影響拖拉施工的安全進(jìn)行。在整個(gè)施工過(guò)程中，滑塊滑動(dòng)引起的墩頂縱向水平位移最大值為3.0 mm，鋼梁就位后恢復(fù)原狀態(tài)，說(shuō)明滑行過(guò)程中水平支架處于安全工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

以我國(guó)高速鐵路上的第1座采用頂推拖拉施工的多跨長(zhǎng)聯(lián)拱型鋼桁梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃_(kāi)展了施工全過(guò)程數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)研究，得到以下結(jié)論：

1）大跨度鋼桁梁橋拼裝、頂推拖拉和落梁施工是一個(gè)復(fù)雜繁瑣的過(guò)程，在各個(gè)施工階段均須對(duì)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)點(diǎn)的選擇需根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定。

2）整個(gè)頂推拖拉過(guò)程中，當(dāng)梁底滑塊位于無(wú)斜桿分擔(dān)豎向壓力的豎桿附近時(shí)，該處下弦桿及豎桿應(yīng)力急劇增加。導(dǎo)梁端最大懸臂時(shí)首孔鋼桁梁上弦桿A3A4，A4A5拉應(yīng)力達(dá)到最大值；尾孔鋼桁梁進(jìn)入懸臂狀態(tài)后，懸臂根部處下弦桿及豎桿受力最不利。以上工況在整個(gè)拖拉施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

3）在鋼桁梁各施工階段，主梁桿件、導(dǎo)梁及臨時(shí)支墩變形和應(yīng)力變化較為復(fù)雜，體系不斷轉(zhuǎn)換是各監(jiān)控參數(shù)交替變化的直接原因。而實(shí)測(cè)各監(jiān)控參數(shù)變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致，且均小于規(guī)范規(guī)定的容許值，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均在安全范圍之內(nèi)，施工階段鋼橋整體線形和受力控制較好，滿足設(shè)計(jì)要求。