大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋支座頂升監(jiān)控技術(shù)研究

王俊輝

（中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

本工程為某雙線特大橋（36 m+3×64 m+36 m預(yù)應(yīng)力混凝土5 跨連續(xù)梁橋），采用移動(dòng)掛籃法施工，其梁體采用單箱單室變高度變截面箱梁，梁底下緣曲線為二次拋物線。該連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)立面圖見(jiàn)圖1。

圖1 36 m+3×64 m+36 m 連續(xù)梁橋立面圖（單位：m）

由于施工原因，該橋141 號(hào)墩左側(cè)支座縱向傾斜，小里程端實(shí)測(cè)：11.7 cm，大里程端實(shí)測(cè)：10.7 cm，高差10 mm，需對(duì)其支座進(jìn)行頂升修復(fù)。

2 頂升技術(shù)理論

橋梁結(jié)構(gòu)是較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)， 從受力角度看，可以將其看成上部橋跨結(jié)構(gòu)在一定的支撐條件下作用于下部基礎(chǔ)上[1]。橋梁頂升技術(shù)可行性的理論依據(jù)為結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)只與支撐邊界約束條件有關(guān)， 而與其支撐高度無(wú)關(guān)。頂升技術(shù)原理為：根據(jù)實(shí)際工程軟件模擬和實(shí)際承重確定頂升量， 按照橋梁各部分所承受荷載的大小， 在相應(yīng)的承力支點(diǎn)上設(shè)置千斤頂，橋梁上部結(jié)構(gòu)的重量通過(guò)千斤頂全部轉(zhuǎn)移到承力點(diǎn)以下的部位，這樣通過(guò)控制頂升速度，使梁體均勻協(xié)調(diào)地頂升到目的標(biāo)高，完成橋梁頂升[2]。

為了判斷橋梁結(jié)構(gòu)在頂升前后的狀態(tài)是否發(fā)生變化，橋梁在頂升施工前，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)；其次按照相關(guān)理論對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確定千斤頂用量并合理布置頂升點(diǎn)，確保橋梁在整個(gè)頂升過(guò)程中處于整體穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)受力合理的狀態(tài)[3]；接著確定具體的頂升反力基礎(chǔ)、設(shè)置必要的限位措施及安裝監(jiān)控系統(tǒng)；最后通過(guò)控制系統(tǒng)，完成橋梁頂升的位移變化，使其達(dá)到設(shè)計(jì)位移值，最終完成頂升過(guò)程[4]。

在主梁頂升過(guò)程中，應(yīng)確定合理的頂升方案，保證施工安全，并對(duì)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力進(jìn)行雙控[5]。結(jié)合連續(xù)梁橋受力特點(diǎn)，制定頂升施工控制的原則為：（1）各控制截面應(yīng)力滿足《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092—2017）要求；（2）主梁兩側(cè)位移盡可能保持一致；（3）各頂升千斤頂頂升力同步、均勻。

針對(duì)以上施工控制原則，具體采用的方法為：

（1）頂升過(guò)程仿真分析。根據(jù)頂升過(guò)程進(jìn)行各項(xiàng)頂升工況有限元分析，精確模擬施工全過(guò)程，并獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力和變形的理論值，對(duì)選定的施工控制主要參數(shù)及主要成果形成施工控制預(yù)備文件。

（2）關(guān)鍵截面的應(yīng)力及變形監(jiān)測(cè)。根據(jù)仿真分析結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)在頂升施工期間的控制截面，對(duì)各頂升工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)測(cè)量。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件橋梁博士進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析，計(jì)算成橋后600 d 收縮徐變效應(yīng)的影響。連續(xù)梁?jiǎn)卧?hào)由左至右為1～102，節(jié)點(diǎn)號(hào)由左至右為1～103；支座由左至右為 2#、17#、40#、64#、87#、102#節(jié)點(diǎn)；在第1、第2 跨梁頂建立477 個(gè)單元來(lái)模擬軌道板和鋼軌；全橋共580 個(gè)單元，423 個(gè)節(jié)點(diǎn)。141 號(hào)橋墩對(duì)應(yīng)有限元模型17#節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 36 m+3×64 m+36 m 連續(xù)梁橋有限元模型

對(duì)17# 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行2 個(gè)頂升工況模擬，分別為頂升10 mm 和頂升15 mm。

3.2 模擬頂升10 mm

對(duì)有限元模型17# 節(jié)點(diǎn)施加向上的10 mm 強(qiáng)迫位移，計(jì)算全橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和應(yīng)力值。計(jì)算模型見(jiàn)圖3，結(jié)構(gòu)上下緣應(yīng)力見(jiàn)圖4，主梁截面效應(yīng)值見(jiàn)表1。

圖3 17# 節(jié)點(diǎn)頂升10 mm 有限元模型

圖4 17# 節(jié)點(diǎn)頂升10 mm 結(jié)構(gòu)上下緣正應(yīng)力圖（單位：MP a）

表1 17# 節(jié)點(diǎn)頂升10 mm 主梁截面累積效應(yīng)值

由圖4 和表1 可知，141 號(hào)橋墩位置梁體頂升10 mm 時(shí)，梁體上緣最大應(yīng)力為6.45 MPa，最小應(yīng)力為0 MPa；梁體下緣最大應(yīng)力為7.04 MPa，最小應(yīng)力為1.28 MPa；在頂升過(guò)程中，梁體應(yīng)力均未超出混凝土應(yīng)力允許值，頂升過(guò)程滿足要求。

3.3 模擬頂升15 mm

對(duì)有限元模型17# 節(jié)點(diǎn)施加向上的15 mm 強(qiáng)迫位移，計(jì)算全橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和應(yīng)力值。計(jì)算模型見(jiàn)圖5，結(jié)構(gòu)上下緣應(yīng)力見(jiàn)圖6，主梁截面效應(yīng)值見(jiàn)表2。

圖5 17# 節(jié)點(diǎn)頂升15 mm 有限元模型

圖6 17# 節(jié)點(diǎn)頂升15 mm 結(jié)構(gòu)上下緣正應(yīng)力圖（單位：MP a）

表2 17# 節(jié)點(diǎn)頂升15 mm 主梁截面累積效應(yīng)值

由圖6 和表2 可知，141 號(hào)橋墩位置梁體頂升15 mm 時(shí)，梁體上緣最大應(yīng)力為12.4 MPa，最小應(yīng)力為0.13 MPa；梁體下緣最大應(yīng)力為13.3 MPa，最小應(yīng)力為-0.4 MPa；在頂升過(guò)程中，梁體應(yīng)力均未超出混凝土應(yīng)力允許值，頂升過(guò)程滿足要求。

3.4 道釘及鋼軌檢算

3.4.1 計(jì)算模型

在計(jì)算模型中加入對(duì)軌道板、鋼軌和道釘?shù)哪M，其計(jì)算模型見(jiàn)圖7，17# 節(jié)點(diǎn)處細(xì)部模型見(jiàn)圖8。

圖7 考慮軌道板、鋼軌和道釘?shù)挠邢拊Ｐ?/p>

圖8 17# 節(jié)點(diǎn)處細(xì)部模型

3.4.2 計(jì)算結(jié)果

由于對(duì)17# 節(jié)點(diǎn)梁體頂升后，結(jié)構(gòu)會(huì)向上整體變形，在此僅計(jì)算頂升15 mm 工況下道釘和鋼軌的受力變化情況。在頂升工況下，道釘軸力和鋼軌的上下緣正應(yīng)力見(jiàn)圖9、圖10。

通過(guò)計(jì)算可知，在第1、第2 跨內(nèi)，道釘內(nèi)力最大變化值僅為5.6 kN（拉），出現(xiàn)在邊支墩靠近2#節(jié)點(diǎn)附近；鋼軌應(yīng)力最大變化值僅為10.4 MPa（拉），出現(xiàn)在邊支墩靠近2#節(jié)點(diǎn)附近；由此可知在梁體頂升過(guò)程中，道釘和鋼軌受力是安全的。

圖9 17# 節(jié)點(diǎn)頂升15 mm 道釘軸力圖（單位：kN）

圖10 17# 節(jié)點(diǎn)頂升15 mm 鋼軌上下緣正應(yīng)力圖（單位：MP a）

4 監(jiān)測(cè)控制

在梁體頂升過(guò)程中，隨著頂升量的增加，梁體的變形和內(nèi)力都在不斷變化。為保證頂升過(guò)程中的梁體安全，對(duì)梁體的變形和應(yīng)力進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制，其監(jiān)測(cè)截面布置見(jiàn)圖11，各截面測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖12。

圖11 監(jiān)測(cè)截面布置圖

圖12 各截面測(cè)點(diǎn)布置圖

A-A 截面：距17# 節(jié)點(diǎn)墩中心線3.0 m 處截面；2 個(gè)豎向、2 個(gè)橫向變形測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4 個(gè)變形測(cè)點(diǎn)；3個(gè)頂板、3 個(gè)底板縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，腹板處布置2 個(gè)應(yīng)力花測(cè)點(diǎn)；共計(jì)12 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。B-B 截面：距64# 節(jié)點(diǎn)墩中心線3.0 m 處截面；3 個(gè)頂板、3 個(gè)底板縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，腹板處布置2 個(gè)應(yīng)力花測(cè)點(diǎn)；共計(jì)12 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。C-C 截面：距2# 節(jié)點(diǎn)墩中心線3.0 m 處截面；3 個(gè)頂板、3 個(gè)底板縱向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）由 17# 節(jié)點(diǎn)梁體頂升 10 mm 和 15 mm 的計(jì)算結(jié)果可知，道釘和鋼軌在梁體頂升過(guò)程中的受力較小，單個(gè)道釘?shù)妮S向拉力和鋼軌的應(yīng)力值均在安全范圍內(nèi)，滿足頂升施工的要求。

（2）在對(duì)17#節(jié)點(diǎn)梁體頂升10 mm 工況下，梁體上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，梁體處于安全狀態(tài)；在對(duì)17# 節(jié)點(diǎn)梁體頂升15 mm 工況下，在梁體35# 節(jié)點(diǎn)（第2 跨右側(cè)中支點(diǎn)附近），下緣出現(xiàn)最大0.4 MPa拉應(yīng)力，雖未超出混凝土容許拉應(yīng)力值，但施工單位在頂升時(shí)應(yīng)引起重視，加強(qiáng)對(duì)梁體頂升高度的監(jiān)控。