500 t級(jí)運(yùn)梁車作用下貝雷梁棧橋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

黎開政

(中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 上海 201399)

1 引言

成都軌道交通10號(hào)線2期高架橋施工中，500 t級(jí)運(yùn)梁車需在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)通過鋼棧橋運(yùn)送梁體，此種工況在全國(guó)范圍內(nèi)較為罕見，必須采取針對(duì)性的技術(shù)措施保證運(yùn)梁車順利通過?；诩芰菏┕さ钠惹行枨螅灾骶€橋墩采用貝雷梁和鋼管樁搭設(shè)的鋼棧橋上通過最大荷載為530 t運(yùn)梁車和架橋機(jī)為工程背景，對(duì)鋼棧橋進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼棧橋的變形及受力，以確保施工過程中人員和設(shè)備的安全[1-3]。

通過智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼棧橋變形及受力，不但能有效消除人工監(jiān)測(cè)的盲區(qū)，還可提高監(jiān)測(cè)的及時(shí)性與有效性。通過捕捉動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，反映鋼棧橋在荷載條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和安全性[4-5]。為確保鋼棧橋使用安全，結(jié)合施工段的地形地質(zhì)條件、施工方法等特點(diǎn)，確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動(dòng)撓度及沉降三個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[6-8]。采用安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼棧橋參數(shù)超限時(shí)自動(dòng)預(yù)警，報(bào)警信息以短信的形式發(fā)送到設(shè)定的管理人員手機(jī)上，為管理單位及時(shí)采取措施提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)對(duì)有效保護(hù)鋼棧橋結(jié)構(gòu)的安全贏得時(shí)機(jī)[9-12]。

通過貝雷梁棧橋監(jiān)測(cè)技術(shù)可獲得鋼棧橋典型部位應(yīng)力、撓度、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)特征，再通過鋼棧橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，掌握鋼棧橋通車時(shí)的狀態(tài)參量，以分析鋼棧橋?qū)嶋H力學(xué)行為和使用狀況。結(jié)合鋼棧橋結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)鋼棧橋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限時(shí)實(shí)現(xiàn)多種形式的預(yù)警。

綜上所述，通過鋼棧橋結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建及有效運(yùn)行，可掌握鋼棧橋使用期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析對(duì)鋼棧橋的使用狀態(tài)和力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)警和評(píng)估，為鋼棧橋的安全運(yùn)營(yíng)提供有力保障，為以后相關(guān)項(xiàng)目開辟新思路，同時(shí)提供相關(guān)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

2 鋼棧橋設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

(1)鋼棧橋結(jié)構(gòu)

花橋站-新津站高架區(qū)間位于成都地鐵10號(hào)線2期工程的大件路南段，總長(zhǎng)度3 702.253 m(見圖1)。其中F13～F16設(shè)計(jì)為(30+45+30)m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，處于高架島式車站出站四線變雙線的結(jié)合部位，兩線最大間距為10 m。架橋機(jī)和運(yùn)梁車無法正常通過，影響了架橋進(jìn)度。為確保項(xiàng)目整體工期，擬利用已建成的橋墩采用貝雷梁和鋼管柱搭設(shè)鋼棧橋，鋼棧橋設(shè)置13跨鋼管支撐體系，貝雷梁跨度為(5×9+3×6+4×9+6)m，以使最大荷載530 t的運(yùn)梁車和架橋機(jī)順利通行，運(yùn)架50片預(yù)制箱梁，以滿足橋通節(jié)點(diǎn)工期要求。本臨時(shí)運(yùn)梁棧橋工程危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，危險(xiǎn)等級(jí)系數(shù)為1.10，對(duì)鋼棧橋承載力和穩(wěn)定性具有較高的要求。

圖1 鋼棧橋布置示意(單位：cm)

(2)運(yùn)梁車及架橋機(jī)

運(yùn)梁車橫向有4個(gè)車輪。運(yùn)梁車運(yùn)梁時(shí)主車載荷為269 t，每軸線載荷為33.625 t，每個(gè)輪胎受力為8.4 t，每個(gè)輪胎接地面積約為0.3 m×0.4 m；運(yùn)梁車運(yùn)梁時(shí)副車載荷為263 t，每軸線載荷為32.875 t，每個(gè)輪胎受力為8.1 t，每個(gè)輪胎接地面積約為0.3 m×0.4 m。

2.2 鋼棧橋合理布置方案研究

(1)內(nèi)力分析及貝雷梁布置

臨時(shí)運(yùn)梁棧橋采用貝雷片梁式棧橋施工，支架從下至上依次為φ529×8 mm鋼管樁、雙榀10#槽鋼聯(lián)接系、雙榀 45b承重梁、45 cm一聯(lián)的貝雷梁、間距37.5 cm的 16橫向分配梁。鋼管柱長(zhǎng)11 m(根據(jù)實(shí)際標(biāo)高調(diào)整)，棧橋橫向凈寬6.0 m，鋼管柱橫向間距1.2+2.4+1.2 m，縱向間距9 m。

貝雷梁采用45 cm一聯(lián)布置，工字鋼分配梁間距約37.5 cm，10縱向布置，橫向10 cm。為保證工字鋼自身的穩(wěn)定性，需采用U型卡與貝雷梁上弦桿連接，或采用間隔點(diǎn)焊的形式固定。

利用Midas軟件建立全橋有限元模型，分析運(yùn)梁車荷載作用下最大彎矩和剪力。單片標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁彎矩容許值為788.2 kN·m，剪力容許值為245.2 kN。故由最大彎矩和剪力可分別估算出所需貝雷梁片數(shù):2 817.9/788.2＝3.6(取4片)，2 128.3/245.2＝8.7(取9片)。考慮到運(yùn)梁車的沖擊效應(yīng)，最終采用18片貝雷梁方案。具體布置如圖2所示。

圖2 貝雷梁橫斷面布置(單位：mm)

(2)鋼棧橋運(yùn)營(yíng)工況計(jì)算分析

根據(jù)具體布置方案，利用Midas軟件建立鋼棧橋整體分析模型，對(duì)運(yùn)梁車通過鋼棧橋最不利工況進(jìn)行有限元分析。

鋼棧橋最不利工況下最大應(yīng)力分布云圖見圖3。由計(jì)算分析可知，貝雷梁桿件最大應(yīng)力主要分布在跨中及墩柱頂附近，此處正、負(fù)彎矩較大。上弦桿最大應(yīng)力為118.62 MPa，下弦桿最大應(yīng)力為-95.31 MPa；貝雷梁腹桿和豎桿最大應(yīng)力為-149.44 MPa(墩頂柱直接受壓)；橫向分配梁最大應(yīng)力為142.01 MPa(位于車輪下，實(shí)際此處與貝雷梁上弦桿為面接觸而非模型中的點(diǎn)接觸，實(shí)際應(yīng)力更小)；墩頂橫向分配梁最大應(yīng)力39.10 MPa；鋼管立柱最大應(yīng)力為-44.27 MPa，最大支反力為-700.8 kN。貝雷梁的容許應(yīng)力為273 MPa，其余桿件容許應(yīng)力為170 MPa。由計(jì)算可知，各桿件均滿足規(guī)范要求，計(jì)算中未考慮沖擊效應(yīng)。

圖3 最不利工況下最大應(yīng)力分布

3 鋼棧橋運(yùn)梁過程監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1.1 監(jiān)測(cè)范圍

鋼棧橋?yàn)?3跨結(jié)構(gòu)，跨徑分別為9 m和6 m不等。貝雷梁組成構(gòu)件較多，滿覆蓋監(jiān)測(cè)成本極高且無必要，并會(huì)產(chǎn)生較多的冗余數(shù)據(jù)。經(jīng)分析本項(xiàng)目重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其中的6跨，包括第1跨～第2跨、第5跨～第6跨，其中重點(diǎn)是第1跨(受沖擊最大)和第5跨～第6跨。

3.1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

參照其他鋼棧橋設(shè)計(jì)施工及監(jiān)測(cè)情況，結(jié)合本棧橋的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)棧橋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動(dòng)撓度及沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過視頻監(jiān)測(cè)，可直觀掌握運(yùn)梁車通過時(shí)貝雷梁的狀態(tài)變化。

(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)力:結(jié)構(gòu)應(yīng)變(應(yīng)力)變化情況是結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化的直接反應(yīng)，特別是在運(yùn)梁車通過過程中，將應(yīng)力變化與計(jì)算值相互校核，可及時(shí)判斷鋼棧橋受力是否處于正常范圍。

(2)動(dòng)撓度監(jiān)測(cè):梁體撓度是鋼棧橋結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征最直觀的指標(biāo)之一，同時(shí)也是體現(xiàn)鋼棧橋是否能正常使用的重要指標(biāo)。

(3)沉降監(jiān)測(cè):臨時(shí)安裝的鋼管柱在運(yùn)梁車荷載作用下，極有可能會(huì)產(chǎn)生沉降變形，因此監(jiān)測(cè)鋼管柱支架沉降十分必要。

3.1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目并結(jié)合鋼棧橋特點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如下:

(1)在鋼棧橋的第1、2、5、6跨的跨中截面處各布設(shè)3個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別布置于梁體中心與運(yùn)梁車左右輪下梁底各一個(gè)。共計(jì)4個(gè)截面，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)12個(gè)。

(2)第6跨跨中截面處各布設(shè)1個(gè)結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)于梁體中心位置。截面共計(jì)3個(gè)，共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)。

(3)在第1跨和第6跨跨中截面處各布設(shè)1個(gè)動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)于梁體中心位置。

(4)在第1跨和第6跨跨中截面處各布設(shè)1個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)于梁體中心位置。共布設(shè)2個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(5)在第1、5、6、7、12 號(hào)鋼支架頂部左右兩側(cè)各布置1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；另在相鄰混凝土橋墩上布置2個(gè)沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。共計(jì)12個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)。

(6)在運(yùn)梁車上鋼棧橋位置布設(shè)1個(gè)視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

具體監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 鋼棧橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

針對(duì)2018年10月13日開始運(yùn)梁到2018年11月13日結(jié)束運(yùn)梁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(1)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變(應(yīng)力)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5(圖中僅列出5次峰值應(yīng)力)。

圖5 鋼棧橋第1跨跨中測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

由圖5可見，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化穩(wěn)定，運(yùn)梁車通過時(shí)每次實(shí)測(cè)應(yīng)力差別不大，均小于理論分析應(yīng)力值，且遠(yuǎn)小于貝雷梁的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力273 MPa，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(2)動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)

采用激光動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼棧橋動(dòng)撓度。通過不同時(shí)間段運(yùn)梁車過橋時(shí)第1跨跨中撓度曲線(見圖6)可以看出，鋼棧橋撓度值變化穩(wěn)定，實(shí)測(cè)最大撓度值為6.3 mm，小于理論撓度值7.0 mm。因此，貝雷梁棧橋剛度符合規(guī)范要求。

圖6 第1跨跨中撓度變化曲線

(3)沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)主要目的為控制鋼棧橋沉降量，保證鋼棧橋使用安全，為優(yōu)化加固鋼棧橋施工提供分析參考數(shù)據(jù)。 在 1#、5#、6#、7#、12#臨時(shí)墩左右兩側(cè)布置一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀。圖7和圖8分別為1#和5#臨時(shí)墩在運(yùn)梁車過橋時(shí)的沉降變化曲線。由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，各測(cè)點(diǎn)最大沉降量均小于4 mm，在安全范圍內(nèi)。

圖7 1#臨時(shí)墩沉降變化曲線

圖8 5#臨時(shí)墩沉降變化曲線

從沉降變化曲線看出，在運(yùn)梁車通過時(shí)，鋼棧橋的累計(jì)沉降值趨于穩(wěn)定，低于設(shè)定的容許沉降值，鋼棧橋處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

500 t級(jí)運(yùn)梁車通過鋼棧橋是成都地鐵10號(hào)線2期運(yùn)架梁的關(guān)鍵控制工序。為確保鋼棧橋結(jié)構(gòu)安全，本文系統(tǒng)地進(jìn)行鋼棧橋的設(shè)計(jì)驗(yàn)算分析，并介紹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)架、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，形成了一套完整的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。本次施工共運(yùn)梁64片，歷時(shí)28 d，每天24 h不間斷地對(duì)鋼棧橋參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸，并對(duì)應(yīng)力、動(dòng)撓度、沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。總體表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示運(yùn)梁過程中鋼棧橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)正常，滿足安全和使用要求。