簡支鋼桁梁橋旋轉(zhuǎn)滑移施工的分析與研究

廖曉坤 （安徽省建設(shè)監(jiān)理有限公司，安徽 合肥230022）

0 前言

鋼桁梁橋的施工架設(shè)方法包括橫移施工法、懸臂施工法、浮運施工法[1]及旋轉(zhuǎn)施工方法等。旋轉(zhuǎn)滑移施工法是將液壓同步累積滑移技術(shù)與旋轉(zhuǎn)施工法相結(jié)合的一種新型施工方法[2]，它在跨越既有交通線路的橋梁施工項目中具有巨大優(yōu)勢，不僅可以減少對既有交通線路正常運營的干擾，而且可以降低施工風(fēng)險，保障施工安全[3]。因此開展對鋼桁梁橋旋轉(zhuǎn)滑移施工控制技術(shù)的研究具有重要的理論意義和工程價值。

2016年崔新壯、劉磊等人[4]以蘆磋沖特大橋連續(xù)箱梁旋轉(zhuǎn)施工為背景，進行了橋梁旋轉(zhuǎn)施工全過程安全風(fēng)險分析，利用風(fēng)險矩陣法評估各風(fēng)險源的綜合等級，管控風(fēng)險較高的風(fēng)險類型，保證了旋轉(zhuǎn)施工的安全性。2016年姚長見等人以某跨既有線鋼箱梁橋旋轉(zhuǎn)施工為背景[5]，研究在旋轉(zhuǎn)施工中的撓度控制方法。借助Midas Civil軟件和橋梁博士軟件模擬采用體外約束結(jié)構(gòu)和臨時索塔配斜拉索結(jié)構(gòu)約束鋼箱梁的豎向變形效果。計算結(jié)果表明，恒載作用下梁端撓度達700mm，采用斜拉索控制旋轉(zhuǎn)鋼箱梁橋撓度比采用體外約束的效果更加明顯。2017年盧小強等人成功實施了跨既有線某鋼桁梁橋的橫移、旋轉(zhuǎn)施工[6]。施工前進行了施工作業(yè)的難點分析并做了相應(yīng)的應(yīng)對措施，確保了有線列車通過時的安全。

論文以某鋼桁梁橋的旋轉(zhuǎn)滑移施工過程中的臨時支墩與滑道梁為例，對大跨度鋼橋旋轉(zhuǎn)滑移施工控制技術(shù)進行分析研究，采取有效的現(xiàn)場監(jiān)測、安全控制和模擬優(yōu)化，對施工過程中的安全保障、施工工藝的優(yōu)化和技術(shù)理論的完善具有重要意義。

1 工程背景

1.1 工程概況

該鋼桁梁橋類型為三角桁架下承式鋼桁梁，鋼桁梁橋主要由桁梁各桿件、橋面系、縱向聯(lián)結(jié)系、橋門架及橫聯(lián)等組成。主桁架跨度為96m，全長為98.46m，節(jié)間長度為12m，桁高12.8m，兩片主桁中心距8.5m。主桁連接采用焊接整體節(jié)點，箱形截面桿件均在節(jié)點外四面拼接，H形截面桿件與節(jié)點采用插入式連接。主桁桿件與節(jié)點之間采用M24高強螺栓連接。橋體上跨既有鐵路線，底標(biāo)高與既有線軌道間距為8.089m～8.282m,方向與既有鐵路線相交角為17。，其橋面布置圖與典型斷面圖見圖1所示。

圖1 大橋橋型布置圖

1.2 轉(zhuǎn)體滑移施工技術(shù)要求

旋轉(zhuǎn)滑移施工法將具有自鎖功能的液壓同步累積滑移技術(shù)與轉(zhuǎn)體技術(shù)結(jié)合，可減少施工工序，縮短在既有線上方的作業(yè)時間，極大降低施工風(fēng)險[7]。根據(jù)該鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)，具體施工技術(shù)要求如下：

第一步，輔助工程施工。主要包括1#～9#臨時支墩架設(shè)施工、11#橋墩頂部旋轉(zhuǎn)軸安裝施工和滑道梁安裝施工，并在滑道梁上翼緣布置熱軋鋼軌。

圖2 輔助工程施工示意圖

第二步，高位拼裝鋼桁梁橋。鋼桁梁拼裝時從11#橋墩向8#臨時支墩方向依次進行，先拼裝下弦桿、橋面板，后主桁架、上平縱聯(lián)及橫聯(lián)，一個節(jié)間完成再接長第二個節(jié)間。

圖3 鋼橋架設(shè)完成示意圖

第三步，卸載施工。采用氣割卸載工藝按既定順序和方法割除1#～7#臨時支墩頂部卸載點處的支座，使橋體自重荷載由1#～7#支墩上安全轉(zhuǎn)移至11#橋墩和8#支墩上。

第四步，滑移施工。利用“液壓同步累積滑移施工技術(shù)”將鋼桁梁橋沿著滑道梁平面旋轉(zhuǎn)滑移28m至設(shè)計位置。

圖4 滑移施工示意圖

第五步，鋼桁梁橋落梁就位、輔助工程拆除。在11#橋墩及12#橋墩處使用液壓千斤頂頂起橋體，11#墩頂起高度250mm，12#墩頂起高度300mm，拆除臨時措施，安裝支座后下降就位。

2 施工監(jiān)測及測點布置

鋼桁梁橋的旋轉(zhuǎn)滑移施工監(jiān)測屬于靜力監(jiān)測范疇[21]，考慮到鋼桁梁橋旋轉(zhuǎn)滑移的施工特點，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，滑移施工過程中，滑道梁和臨時支墩等輔助設(shè)施應(yīng)以應(yīng)力控制為主，兼顧變形控制。監(jiān)控對象包括旋轉(zhuǎn)軸裝置中的上節(jié)點及下節(jié)點、8#～9#臨時支墩和滑道梁。8#～9#臨時支墩上部架設(shè)滑道梁，而滑道梁橫跨既有鐵路線，因此8#～9#臨時支墩和滑道梁也是本次施工監(jiān)控的重點監(jiān)控對象。

臨時支墩的穩(wěn)定性應(yīng)通過穩(wěn)定性計算保證，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況綜合判斷。因此布置ZS-A12及ZS-A13號振弦式應(yīng)變計監(jiān)控8#～9#臨時支墩的受力狀況，兩測點位置見圖5。當(dāng)鋼桁梁橋滑移到既有鐵路線正上方時，滑道梁和臨時支墩間的短梁將承受最不利工況，布置ZS-B13測點監(jiān)控短梁的受力狀況，ZS-B12和ZS-B14測點分別監(jiān)控滑道梁在剪力最不利工況和彎矩最不利工況下的應(yīng)力水平，ZS-B11、ZS-B12和ZS-B14測點布置在滑道梁的腹板外表面。ZS-A10和ZS-A11號振弦式應(yīng)變計，監(jiān)測滑道梁側(cè)面軸向受力構(gòu)件的應(yīng)力水平。并布置ZD-9和ZD-12測點監(jiān)控臨時支墩頂部的位移（見圖5），當(dāng)位移出現(xiàn)異常時，應(yīng)停止施工排查原因。另外根據(jù)有限元計算結(jié)果，選擇滑道梁最大位移位置處布置位移測點監(jiān)控其位移。

圖5 臨時支墩及滑道梁的測點布置

3 旋轉(zhuǎn)滑移施工有限元模擬分析

論文采用Midas Gen軟件計算得到滑道梁的兩種最不利工況，圖6工況為滑道梁的彎矩最危險工況，圖7工況為滑道梁的剪力最危險工況。計算結(jié)果表明，滑道梁最大Mises應(yīng)力為143MPa，小于材料屈服強度345MPa，最大撓度為11.2mm，小于允許值12570/4=31.4mm，滑道梁承載力和變形滿足安全要求。

圖6 彎矩最不利工況（單位：N、MPa）

圖7 彎矩最不利工況（單位：N、MPa）

在集中荷載作用下，滑道梁存在局部失穩(wěn)的可能性，采用ANSYS軟件分析滑道梁在兩種最不利工況下的局部穩(wěn)定性?；懒耗Ｐ鸵妶D8，滑道梁材料為Q345B鋼材，本構(gòu)模型采用雙線性隨動強化模型，屈服準(zhǔn)則采用Mises屈服準(zhǔn)則，屈服后材料的切線模量取0.03Es。采用SHELL181四節(jié)點殼單元建立有限元模型，滑道梁與臨時支墩處的連接作鉸接處理。

圖8 臨時支墩滑道梁模型示意圖

圖9 彎矩最不利工況Mises應(yīng)力（單位：MPa）

圖10 彎矩最不利工況Mises應(yīng)力（單位：MPa）

兩種最不利工況下滑道梁的受力情況見圖9和圖10。在彎矩最不利工況下，滑道梁的最大Mises應(yīng)力為273.42MPa，大部分位置的應(yīng)力小于68MPa，剪力最不利工況下滑道梁的最大Mises應(yīng)力為308.28MPa，大部分位置的應(yīng)力小于38MPa，滑道梁的承載力能滿足工程要求。兩種工況下最大應(yīng)力均發(fā)生在橋體側(cè)鋼軌與滑道梁的接觸位置。

4 旋轉(zhuǎn)滑移施工監(jiān)測結(jié)果

4.1 臨時支墩、滑道梁應(yīng)力結(jié)果

ZS-A10、ZS-A11測點測值見表1，單向壓應(yīng)力實測最大值分別為-5.44MPa及-14.48MPa，應(yīng)力水平較低，表明滑道梁扭轉(zhuǎn)失效概率很小。ZS-A12、ZS-A13測點位于8#及9#臨時支墩上，單向壓應(yīng)力實測最大值分別為-49.21MPa及-18.5MPa，臨時支墩的應(yīng)力值未達到應(yīng)力閾值，滑移施工過程中臨時支墩處于安全受力狀態(tài)。ZS-B12測點位于滑道梁承受最大剪力位置處，實測Mises應(yīng)力峰值74.32MPa，ZS-B13測點位于臨時支墩頂部箱梁，現(xiàn)場實測應(yīng)力水平較高，Mises應(yīng)力達到86.46MPa，兩測點工作應(yīng)力均處于安全范圍內(nèi)。

應(yīng)力測點實測值（單位：MPa） 表1

圖11 ZS-B14測點應(yīng)力實測值與理論值

圖12 ZD-11測點撓度實測值與理論值

ZS-B14測點位于滑道梁跨度最大段的跨中位置，實測應(yīng)力變化趨勢見圖11，現(xiàn)對其做具體說明。從圖中可以看出，ZS-B14測點的測值變化趨勢與理論計算值較符合，最危險位置有兩個，分別是滑移施工進度推進到約6m和滑移施工進度推進到約15m，現(xiàn)場實測值分別為56.9MPa及65.1MPa，兩處位置的測量結(jié)果均在安全范圍內(nèi)，在滑移施工進度推進到約20m時，出現(xiàn)實測值大于理論計算值的情況，由于應(yīng)力水平較低，測點應(yīng)力仍處于安全范圍內(nèi)。

4.2 臨時支墩、滑道梁位移監(jiān)測結(jié)果對比

采用全站儀監(jiān)測8#～9#臨時支墩及滑道梁的位移變化，圖12反映了滑道梁跨中撓度的變化趨勢，ZS-B14、ZD-11測點位置較接近，可以近似等效認(rèn)為圖11及圖12為跨中同一測點的應(yīng)力和位移變化曲線，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，兩曲線變化規(guī)律較一致，測點測值可以較好反映滑道梁的受力狀況。

當(dāng)滑移距離超過6m后，測點撓度實測值普遍高于理論計算值，當(dāng)滑移距離達到6.1m后，實測值已略微超過設(shè)置的位移閾值，因此作出暫停施工的措施。分析后可以看出，由模擬計算結(jié)果得到測點理論撓度達到最大值時的滑移距離為6.7m，實際滑移距離與其十分接近，撓度實測值增加幅度有限，結(jié)合各測點的應(yīng)力測量值及位移測量值判斷結(jié)構(gòu)受力仍處于安全狀態(tài)，可以繼續(xù)進行滑移施工，但應(yīng)減小單次的滑移距離并多次監(jiān)測，確保結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)可控。當(dāng)實際滑移距離達到6.4m時，ZD-11測點撓度實測值達到最大值，最大實測撓度為12.0mm，理論計算值為10.12mm，實測值比理論計算值高18.6%，隨后實測撓度緩慢減小，且始終處于安全閾值范圍內(nèi)直至滑移施工結(jié)束。

綜合以上應(yīng)力及位移的監(jiān)控結(jié)果，8#～9#臨時支墩、滑道梁的受力狀態(tài)在鋼桁梁滑移施工階段始終可控。

5 結(jié)論

①測點布置方法基于有關(guān)研究和工程經(jīng)驗進行總結(jié)，測點布置效果缺乏普遍適用的評判標(biāo)準(zhǔn)，如何優(yōu)化測點布置并進行有效評價是今后研究的一個方向。背景工程基于閾值法設(shè)置控制指標(biāo)對監(jiān)控進行預(yù)警，預(yù)警手段較單一，對于更復(fù)雜工程如何實現(xiàn)綜合預(yù)警需要深入研究。

②鋼橋施工全過程模擬分析中除了進行常規(guī)的有限元模擬施工步計算，還包括特殊變量影響下的承載力驗算。論文以有限元模擬結(jié)果和施工監(jiān)控結(jié)果表明，該工程中的滑道梁及臨時支墩等臨時結(jié)構(gòu)的承載力滿足旋轉(zhuǎn)滑移施工的工程要求，施工過程始終處于可控狀態(tài)，進一步證明了采取的旋轉(zhuǎn)滑移施工方案合理有效。

③施工模擬分析中對力學(xué)模型的部分邊界條件作了簡化處理，在荷載取值上相對保守，提高了建模效率和計算速度的同時使得測點計算結(jié)果與實測值有一定偏差。