框構(gòu)橋施工過程應(yīng)力監(jiān)測分析

劉小輝

(中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，框架橋向大孔徑、多跨度的方向發(fā)展。尤其為了滿足運輸客流的需要及城市景觀等方面的要求和受地形地物條件的限制，在城市附近及機動車道干線上的下穿結(jié)構(gòu)的框架橋，跨度和凈高也越來越大。從工程安全考慮，已有研究主要針對框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝等，監(jiān)測也主要是針對頂進施工過程的變形監(jiān)測[1]。根據(jù)調(diào)研，框構(gòu)橋在施工過程中由于復(fù)雜的受力環(huán)境，在頂推過程中結(jié)構(gòu)本身也易出現(xiàn)受力屈服、開裂等，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性及工程安全[2-5]。因此，本文主要結(jié)合某框構(gòu)橋下穿既有運營鐵路，埋設(shè)應(yīng)力傳感器，采用自動化裝置測試框構(gòu)橋整個施工過程中的應(yīng)力大小及分布規(guī)律，為保證框構(gòu)橋工程施工安全提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

頂進框構(gòu)橋與鐵路交匯交角為90°。橋位處有多股鐵路線，基本呈南北走向。各股道均為電氣化鐵路，軌道類型為60 kg/m鋼軌，枕木為鋼筋混凝土枕。通過此區(qū)段上下行正線列車速度為70 km/h和45 km/h不等。橋位處有兩組硬橫梁接觸網(wǎng)桿，北側(cè)桿號為162#、163#，南側(cè)桿號為164#、165#，其中162#、163#硬橫梁接觸網(wǎng)桿距離箱體外邊最近，分別為5.92 m、6.16 m。橋位處共有5組道岔，南調(diào)車線為12號左開道岔，其余均為12號右開道岔，另外影響范圍內(nèi)還有2組信號箱、3個信號燈、3組道岔轉(zhuǎn)轍機、4組信號變壓器及信號電纜、光纜等設(shè)備。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測的目的及意義

從施工工藝來看，框構(gòu)橋在施工過程中與土體存在復(fù)雜的動態(tài)相互作用，主要表現(xiàn)在框構(gòu)橋頂進施工引起土體擾動產(chǎn)生地層損失，進而影響框構(gòu)橋受力，框構(gòu)橋受力如圖1所示。因此，為了確?？驑?gòu)橋結(jié)構(gòu)在施工期間的安全，非常有必要對其進行全面的施工過程監(jiān)測。

圖1 框構(gòu)橋受力圖

2.2 監(jiān)測內(nèi)容、方法及測點布置

2.2.1 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)工程概況及試驗?zāi)康?，主要進行框構(gòu)橋頂板應(yīng)力及溫度、側(cè)墻應(yīng)力和底板應(yīng)力監(jiān)測，重點分析框構(gòu)橋頂推過程中的應(yīng)力變化。

2.2.2 監(jiān)測方法

框構(gòu)橋施工一般歷經(jīng)數(shù)月甚至一年以上，施工時間較長，考慮到儀器及傳感器的穩(wěn)定性，本項目采用振弦式鋼筋測力計進行測試。其優(yōu)點如下：①采用振弦理論設(shè)計，具有靈敏度與精度高、線性與穩(wěn)定性好、成活率與可靠性高等優(yōu)點；②全數(shù)字信號檢測，長距離傳輸不失真，抗干擾能力強；③絕緣性能良好，防水耐用；④測量直觀、快捷、簡便；⑤安裝自動采集裝置可完全自動無人值守。

將振弦式鋼筋測力計焊接在受力鋼筋上，然后澆注在混凝土里面。當(dāng)鋼筋測力計受力時，引起彈性鋼弦的張拉變化，改變鋼弦的振動頻率，通過鋼弦的頻率變化即可測出鋼筋所受作用力的大小。由于在頂推過程中，鋼筋測力計與周圍混凝土保持相同的微應(yīng)變，因此可換算得到框構(gòu)橋隨著施工進度的結(jié)構(gòu)受力。

本項目采用自動化數(shù)據(jù)采集方法，為了驗證數(shù)據(jù)的正確性，同時布置部分人工測點，不定期與自動采集數(shù)據(jù)進行校核比對。

框構(gòu)橋監(jiān)測采用自動化數(shù)據(jù)采集方法，在確定監(jiān)測方案之后，將鋼筋測力計埋入框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并通過信號線與采集設(shè)備相連；自動采集設(shè)備可以通過設(shè)置采集的時間間隔來控制采集數(shù)據(jù)的頻率，采集數(shù)據(jù)之后通過GPRS信號將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)在線實時監(jiān)測。

2.2.3 測點布置

根據(jù)框構(gòu)橋上部多股鐵路線路位置，取鐵路線路正下方的位置為監(jiān)測斷面，如圖2所示。

圖2 傳感器布置縱斷面(單位：mm)

框構(gòu)橋在使用過程中，其四周均承受荷載，受力狀態(tài)復(fù)雜?？驑?gòu)橋頂板底板以及側(cè)墻中間位置所受彎矩較大，因此本項目主要在框構(gòu)橋的頂板、底板和側(cè)墻上進行應(yīng)力傳感器布設(shè)，測試布置如圖3所示。頂板與底板的傳感器為橫向布設(shè)，側(cè)墻上傳感器為豎向布設(shè)，意在測量頂板、底板以及側(cè)墻中心位置因受彎造成的拉壓應(yīng)力。

頂進施工階段，通過千斤頂對框構(gòu)橋底板施加推進力完成頂推，千斤頂頂推位置如圖3所示。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

本次框構(gòu)橋使用HRB335鋼筋，其屈服強度為335 MPa；C45混凝土，軸心抗壓強度21.1 MPa。

圖3 測試布置示意圖(單位：mm)

3.1 框構(gòu)橋頂板受力分析

3.1.1 頂板應(yīng)力與溫度關(guān)系分析

本次框構(gòu)橋溫度監(jiān)測采用自動化監(jiān)測，因此監(jiān)測頻率較高，每5 min采集1次溫度數(shù)據(jù)。圖4為框構(gòu)橋頂板應(yīng)力與混凝土溫度變化折線圖。

圖4 頂板應(yīng)力與混凝土溫度變化

由于框構(gòu)橋頂板位于上部，在施工階段以及頂推前期會直接受到太陽的照射，使得頂板混凝土中午時溫度比較高，而晚上溫度降低，混凝土熱脹冷縮，其應(yīng)力受溫度影響變化并且呈周期性。在5月3日至5月13日之間由于現(xiàn)場施工，暫停溫度監(jiān)測。在5月30日之后，框構(gòu)橋完成頂推，沒有直接接受太陽照射，其溫度差變化不大。

截取5月20至22日2 d(即2個周期)的溫度與應(yīng)力變化進行詳細(xì)對比，如圖5所示。由圖5可見，頂板混凝土應(yīng)力隨著溫度的變化而變化，其應(yīng)力最大出現(xiàn)在中午溫度最高時段，應(yīng)力最小出現(xiàn)在午夜溫度最低時段。從測試數(shù)值可以看出，溫度引起的框構(gòu)橋頂板應(yīng)力變化幅值平均約為±1.8 MPa。

圖5 兩天中頂板應(yīng)力與溫度變化

3.1.2 頂板應(yīng)力分析

將圖4中的框構(gòu)橋頂板應(yīng)力單獨顯示于圖6。從圖6可以看出，框構(gòu)橋頂板應(yīng)力受到溫度影響變化幅度最大為2.02 MPa，占混凝土抗壓能力的9.57%，約10%；受到頂推影響應(yīng)力變化幅度最大為1.8 MPa，占混凝土抗壓能力的8.89%。頂推結(jié)束后最終應(yīng)力約為7.2 MPa，占混凝土抗壓能力的34.1%。

圖6 框構(gòu)橋頂進施工過程頂板應(yīng)力

3.2 框構(gòu)橋側(cè)墻受力分析

框構(gòu)橋側(cè)墻應(yīng)力隨頂進施工過程的變化(散點圖)如圖7所示。在5月3日至5月13日之間由于現(xiàn)場施工，暫停受力監(jiān)測(下同)。在結(jié)構(gòu)施工階段，每天中午采集1次應(yīng)力數(shù)據(jù)；在頂進施工階段，每5 min采集1次應(yīng)力數(shù)據(jù)(下同)。

由圖7可見，隨著頂進深度的加大，應(yīng)力有變大趨勢。最大值達(dá)到7.56 MPa，占混凝土抗壓強度的35.81%。由此表明，在整個框構(gòu)橋頂進施工過程中，框構(gòu)橋側(cè)墻受力較小，安全儲備較大。

3.3 框構(gòu)橋底板受力分析

框構(gòu)橋底板的受力測試數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8可知，在框構(gòu)橋底板混凝土應(yīng)力最大值為15.16 MPa，最小值為5.46 MPa，都在混凝土的安全服役范圍之內(nèi)?？驑?gòu)橋應(yīng)力隨著時間的變化呈現(xiàn)增大的趨勢，其主要原因是：①隨著框構(gòu)橋的頂推，框構(gòu)橋逐漸被從基礎(chǔ)混凝土板上頂推到開挖后的泥地上，其摩擦阻力增加，頂推力也增加；②框構(gòu)橋在后期的頂推過程中有“低頭”發(fā)生，為了克服“低頭”，在后續(xù)的頂推過程處于中刃角吃土頂推，從而阻力增加。

圖7 框構(gòu)橋側(cè)墻應(yīng)力 圖8 框構(gòu)橋底板應(yīng)力

4 結(jié)論與建議

(1)由于框構(gòu)橋頂板受到太陽的直接照射，會產(chǎn)生周期性溫度應(yīng)力的熱脹冷縮應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)有一定的影響。測試數(shù)值表明，溫度應(yīng)力影響變化幅度最大為2.02 MPa，占混凝土抗壓強度的9.57%。

(2)框構(gòu)橋邊墻、頂板的應(yīng)力受力相對小，均在混凝土結(jié)構(gòu)允許應(yīng)力安全范圍之內(nèi)。

(3)框構(gòu)橋底板在澆筑后頂推前，應(yīng)力達(dá)到7.67 MPa，頂推過程中達(dá)到12.94 MPa。換算表明，由頂推施工引起的增量為5.27 MPa，約占最大應(yīng)力的40.7%。可見，框構(gòu)橋的受力主要是由澆筑混凝土形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其次是頂推施工應(yīng)力。

總體來看，若嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工，穿越既有線路的框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)安全儲備較大，不會出現(xiàn)應(yīng)力屈服。但由測試數(shù)據(jù)可知，框構(gòu)橋施工完成后，頂進施工使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所占比重較大(以頂板為例約占34.1%)。可以通過控制千斤頂?shù)耐焦ぷ?，來減小施工過程中產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力。由于框構(gòu)橋兩端自由，殘余應(yīng)力在長期使用過程中可緩慢釋放。