大跨度下承式鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控技術(shù)研究

楊坳蘭， 肖本林

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

鋼箱系桿拱橋具有造型美觀、結(jié)構(gòu)形式多樣化、承載能力高、水平推力小等優(yōu)點(diǎn)，因此得以在我國(guó)鐵路跨越式發(fā)展時(shí)期嶄露頭角?？v觀大跨徑橋梁施工監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確實(shí)是在不斷完善并優(yōu)化的。20世紀(jì)80年代初，日本在修建日野預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁時(shí)，就按照確定的施工順序和步驟，形成了“建立力學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)——計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)處理所測(cè)數(shù)據(jù)——進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析——修正參數(shù)——將所修正施工控制信息提供給施工單位”的一系列施工控制流程[1]。由此可見(jiàn)，大跨度橋梁的發(fā)展對(duì)橋梁施工技術(shù)以及施工監(jiān)控技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。為使橋梁的最終線形與內(nèi)力分布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要提供理論支持和科學(xué)的指導(dǎo)，因此施工監(jiān)測(cè)在橋梁施工方面越來(lái)越得到重視，如1982年建成的上海柳港大橋，主跨200 m[2]，是首次成功運(yùn)用施工控制以有效進(jìn)行撓度和位移監(jiān)測(cè)與調(diào)整的典型案例。但目前施工監(jiān)控在大跨度橋梁中的應(yīng)用并不廣泛，原因在于缺乏相對(duì)成熟的經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)手段，比如預(yù)測(cè)和判讀精度不高，監(jiān)測(cè)手段落后等。所以，建立完善的橋梁施工監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)是落實(shí)橋梁全生命周期安全性與耐久性的關(guān)鍵步驟。

1 工程概況

某橋?yàn)?20 m下承式鋼箱系桿拱橋，橋梁寬33.5 m，計(jì)算跨度為120.0 m，計(jì)算矢高為27.0 m，矢跨比為1/4.44，拱頂設(shè)45 mm預(yù)拱度。橋梁總體布置圖如圖1所示。該橋采用順橋向單吊桿體系，共設(shè)27組吊桿，邊吊桿鋼絞線為15.2-22，中間吊桿鋼絞線為15.2-15。在主跨鋼梁內(nèi)、拱腳處布置有8組系桿，每個(gè)拱側(cè)各有4組，每組37根鋼絞線。主橋部分橫斷面圖如圖2所示。

圖 1 某鋼箱系桿拱橋總體布置示意圖 mm

圖 2 某鋼箱系桿拱橋部分橫斷面圖 mm

2 施工控制分析

2.1 施工監(jiān)測(cè)方法

通常情況下,為保證施工監(jiān)控朝著可控方向進(jìn)行，故需將施工監(jiān)控參數(shù)的理論值假定為參數(shù)值。若發(fā)現(xiàn)觀測(cè)值與前者相差較大，需針對(duì)性地提出解決措施，以便科學(xué)地指導(dǎo)施工。在實(shí)際施工過(guò)程中，為了避免所假定的設(shè)計(jì)參數(shù)因施工所帶來(lái)的誤差而出現(xiàn)一定的偏差，需要識(shí)別出設(shè)計(jì)參數(shù)誤差量。根據(jù)已施工節(jié)段設(shè)計(jì)參數(shù)誤差量，采用合適的預(yù)測(cè)方法(如最小二乘法、灰色模型等)預(yù)測(cè)后續(xù)節(jié)段的設(shè)計(jì)參數(shù)可能誤差量[3]。若出現(xiàn)較大的誤差量，則證明原設(shè)計(jì)方法并不可取，需盡快調(diào)整設(shè)計(jì)方案，以防止發(fā)生不可估量的后果；對(duì)于常規(guī)的參數(shù)誤差，通過(guò)相應(yīng)的措施以?xún)?yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)性。

2.2 施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.2.1 主梁線性監(jiān)測(cè)

1)主梁標(biāo)高監(jiān)測(cè) 拱橋主梁采用節(jié)段拼裝的施工方案，箱梁高程控制以梁體頂板控制為主?；鶞?zhǔn)點(diǎn)一般建議布置在主墩處箱梁頂面，1個(gè)主墩1個(gè)。每個(gè)施工監(jiān)控截面上頂板應(yīng)布置3個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1～3)，中間測(cè)點(diǎn)兼作箱梁中心線控制測(cè)點(diǎn)[4]。全橋主梁施工期間，縱向分為9個(gè)節(jié)段。其線性測(cè)點(diǎn)布置主梁的二分點(diǎn)、四分點(diǎn)及八分點(diǎn)位置，且在上、下游及中心線均設(shè)置，共27個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖 3 箱梁頂高程測(cè)試截面布置圖 mm

觀測(cè)安排在清晨6：00～8：00時(shí)間段內(nèi)，為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求同時(shí)記錄空氣溫度和箱內(nèi)溫度。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，是懸臂拼裝箱梁的溫度與變形變化值關(guān)系處于相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段，可以最大限度地減小溫度對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響和施工對(duì)觀測(cè)工作的影響[5]。

2)主梁拼裝軸線監(jiān)測(cè) 本橋主梁平面布置按照設(shè)計(jì)圖紙布置，如圖4所示。因此施工單位在施工過(guò)程中按照設(shè)計(jì)平面坐標(biāo)控制箱梁平面線形即可。

2.2.2 拱肋線形監(jiān)測(cè)在整個(gè)拱橋的拼裝過(guò)程中，拱肋的拼裝是最重要的一環(huán)。其不僅直接關(guān)系到成橋線形是否在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，而且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況也會(huì)產(chǎn)生一定影響，所以拱肋安裝的定位在施工要點(diǎn)上需注意拱肋軸線的定位和高程位置的定位，在施工精度上需要精準(zhǔn)定位。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，每一節(jié)段接頭位置處的拱肋頂面內(nèi)邊緣布置測(cè)點(diǎn)(圖5)，沿拱圈的水平距離，每3 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)處安裝專(zhuān)用反射片，在控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀進(jìn)行測(cè)量，使其在理論位置處[5]。

圖 5 拱肋軸線和高程位置橫橋向測(cè)點(diǎn)布置圖 mm

2.2.3 吊桿力與系桿力監(jiān)測(cè)

1)吊桿力的監(jiān)測(cè) 吊桿索力是設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)。索力的大小，直接影響到主梁的線型與主梁的內(nèi)力分布關(guān)系。所以在施工過(guò)程中，索力值是否能夠得到準(zhǔn)確測(cè)量并使其滿足設(shè)計(jì)要求，是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全及有效施工的關(guān)鍵。

假定索的兩端為鉸支，則該微分方程的解為：

(1)

其中：n為索自振頻率的階數(shù)(即拉索長(zhǎng)度內(nèi)的半波個(gè)數(shù))；fn為索的第n階自振頻率,Hz；l為拉索的自由或撓曲長(zhǎng)度[6]。

由式(1)可得：

(2)

一般為了計(jì)算方便，常將式(2)簡(jiǎn)化為：

其中：f1為吊桿自由振動(dòng)的第一自振頻率，頻譜圖從而完全成為等間距的譜線[6]。

2)系桿力的監(jiān)測(cè) 大橋的系桿材料為預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其張拉也是采用分批次進(jìn)行張拉。本方案擬采用錨索計(jì)傳感器，該傳感器適用于各種條件下的索力測(cè)量和纜索張拉時(shí)的施工控制，適應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化測(cè)量。另外，測(cè)量時(shí)參照主梁線性監(jiān)測(cè)方法，并及時(shí)記錄橋梁臨時(shí)荷載、施工實(shí)際工況等重要信息。

3 施工監(jiān)控系統(tǒng)的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

橋梁整體運(yùn)用Midas/Civil軟件建立全橋空間桿系有限元計(jì)算模型，如圖6所示。運(yùn)用梁格法建模，計(jì)算模型中對(duì)主拱、主梁采用空間梁?jiǎn)卧M，對(duì)吊桿和系桿采用僅受拉桁架單元模擬。橋空間有限元模型共離散545個(gè)節(jié)點(diǎn)，1115個(gè)單元。全橋共計(jì)11縱向梁格，其中2個(gè)邊梁格+9個(gè)中梁格。依次編號(hào)為1#～11#縱梁。

圖 6 某橋有限元計(jì)算模型

3.2 施工階段計(jì)算結(jié)果

選取吊桿第一次張拉和主梁支架拆除兩個(gè)施工階段進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下。

3.2.1 吊桿第一次張拉完成

1)位移 處于吊桿第一次張拉完成施工階段時(shí)，拱肋最大豎向位移發(fā)生在拱頂處，其值為21.9 mm(向下)，主梁最大豎向位移發(fā)生在邊縱梁跨中處，其值為15.1 mm(向上)，如圖7所示。

圖 7 吊桿第一次張拉完成豎向位移圖 mm

2)應(yīng)力 處于吊桿第一次張拉完成施工階段時(shí)，拱肋軸向最大壓應(yīng)力為54.4 MPa，主梁最大拉應(yīng)力為38.1 MPa，如圖8所示。

圖 8 吊桿第一次張拉應(yīng)力圖 MPa

3)索力 處于吊桿第一次張拉完施工階段時(shí)，吊桿最大拉力為506 kN，系桿最大拉力為785 kN，如圖9所示。

圖 9 吊桿第一次張拉索力圖 kN

3.2.2 主梁支架拆除

1)位移 在主梁支架拆除施工階段，拱肋最大豎向位移發(fā)生在L/4拱的位置，其值為16.7 mm(向下)，主梁最大豎向位移發(fā)生在邊縱梁跨中處，其值為26.6 mm(向上)，如圖10所示。

圖10 主梁支架拆除豎向位移圖 mm

2)應(yīng)力 在主梁支架拆除施工階段，拱肋軸向最大壓應(yīng)力為53.3 MPa，主梁最大拉應(yīng)力為42.1 MPa，如圖11所示。

圖11 主梁支架拆除應(yīng)力圖 MPa

3)索力 在主梁支架拆除施工階段，吊桿最大拉力為535 kN，系桿最大拉力為2496 kN，如圖12所示。

圖12 主梁支架拆除索力 kN

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比分析

4.1 拱肋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

限于篇幅要求，這里僅選取了拱肋支架拆除，吊桿第一次張拉工況進(jìn)行對(duì)比分析。從拱肋應(yīng)力分析值可看出，隨著施工工序的變化，拱肋應(yīng)力變化較大，拱肋支架拆除后，拱肋應(yīng)力的最大計(jì)算值達(dá)到14.2 MPa，位于拱腳的下緣，應(yīng)力的最大實(shí)測(cè)值為14.41 MPa，位置與計(jì)算位置相同。系桿張拉后，拱圈各部分壓應(yīng)力值較均勻，均小于60 MPa。

4.2 系梁跨中撓度監(jiān)測(cè)

通過(guò)合理布置吊桿，并合理的施加吊桿張拉力來(lái)減小系梁彎矩，把梁的剪力轉(zhuǎn)化為拱的軸力，全橋可以達(dá)到比較合理的受力狀態(tài)[7]。由于實(shí)際工程是剛性系梁，若吊桿過(guò)度張拉，則會(huì)導(dǎo)致梁跨中撓度和應(yīng)力值趨于不穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖13所示，吊桿超張5%后，跨中撓度變形值達(dá)到2 mm。

圖13 吊桿超張5%后系梁撓度變化圖

4.3 吊桿索力監(jiān)測(cè)

施工過(guò)程中吊桿索力的細(xì)微變化，都會(huì)引起拱肋線形較大的變化。這里僅選吊桿1(1’)-5(5’)編號(hào)兩次張拉工況進(jìn)行計(jì)算值、實(shí)測(cè)值、偏差值的對(duì)比分析。如表1、表2所示。

表1 部分吊桿第一次張拉索力監(jiān)測(cè)結(jié)果 kN

表2 部分吊桿第二次張拉索力監(jiān)測(cè)結(jié)果 kN

從對(duì)兩次張拉值的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值的差值較小，3、5、3’、5’號(hào)吊桿在二次張拉時(shí)偏差值略高于100 kN,其余偏差值均小于100 kN。通過(guò)分析兩者數(shù)據(jù)，誤差主要來(lái)源于在有限元模型建立時(shí)簡(jiǎn)化了參數(shù)設(shè)置，主拱、主梁考慮采用空間梁?jiǎn)卧M，吊桿和系桿為受拉桁架單元模擬，這些模擬狀態(tài)較為單一，較理想化，在軟件模擬時(shí)未能多種模擬狀態(tài)同時(shí)考慮，但由于在橋梁施工過(guò)程中，拱、梁結(jié)構(gòu)近似于空間梁?jiǎn)卧?，而吊桿、系桿主要為受拉構(gòu)件，綜上，理論設(shè)計(jì)值雖有些許誤差，但在可控范圍內(nèi)，可指導(dǎo)實(shí)測(cè)值。

5 小結(jié)

以某下承式鋼箱系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，?yīng)用Midas/Civil有限元軟件完成了全橋空間有限元分析。主要對(duì)鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控與施工監(jiān)測(cè)兩個(gè)階段進(jìn)行了具體介紹。通過(guò)以上工作，得到了以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中拱肋的內(nèi)力變形及吊桿、系桿的張拉力的分析計(jì)算，某橋在成橋運(yùn)營(yíng)期間吊桿最大內(nèi)力為980 kN，吊桿安全系數(shù)為9.8，遠(yuǎn)大于2.5；系桿最大內(nèi)力為3616 kN，安全系數(shù)為2.66，大于2.5，符合規(guī)范要求。

2)在吊桿第二次張拉完成施工階段，主梁最大豎向位移發(fā)生在邊縱梁跨中處，其值為57.8 mm(向上)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3)系桿拱橋施工控制的主要原則是以主拱肋線形控制為主，應(yīng)力控制為輔。在各施工各狀態(tài)變量達(dá)到理想的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別與調(diào)整，對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)與反饋控制分析，防止施工中出現(xiàn)過(guò)大位移和應(yīng)力[8]，確保施工朝著預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行。

4)后續(xù)在模型建立時(shí)加入多種狀態(tài)的模擬，讓理論設(shè)計(jì)值更為精確化。