鐵路車站人行天橋托梁換柱改造數(shù)值分析與安全監(jiān)測

彭儀普，孟非，彭博榮，謝文都，林祥德

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙410075；2. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730070；3. 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都610031)

中國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，對原有鐵路交通系統(tǒng)節(jié)點的火車站運能提出了更高的要求。由于增設火車線路的方案在進行施工改造時幾乎不影響原有交通或只在短時間內影響交通、建成后能較大提升運能，故被廣泛采用。但線路的增設會使原有的建筑限界無法滿足要求，這就需要進行改造，托梁換柱改造是其中一種常見的技術。結構在進行托梁換柱改造時，原有的結構受力體系會發(fā)生轉換，在進行施工方案設計時，若不能準確預測出改造過程中的最危險截面，可能會導致結構改造失敗，造成較大的人員和財產損失。因此，研究結構在托梁換柱改造時的受力特點，有針對性的進行施工規(guī)劃，對提高改造成功率，保障施工安全具有重要意義。由于托梁換柱改造技術在既有建筑結構擴大空間方面非常有實用價值，近年來，國內外學者針對該技術開展了大量的研究工作。唐昌輝等[1]應用OpenSEES 有限元軟件模擬了某高層框架結構托梁拔柱的施工過程，分析了改造前后結構抗連續(xù)倒塌能力；鄒浩勇[2]分析了幾種常見的托梁換柱方法的優(yōu)缺點，并結合深圳某托梁換柱的實際工程，研究了預應力托換的相關數(shù)據(jù)及技術可靠性，總結了有限元仿真技術對于數(shù)據(jù)監(jiān)測的指導意義；章來[3]以某4 層鋼筋混凝土框架結構頂層拔柱工程為研究對象，進行了方案設計、施工設計、現(xiàn)場監(jiān)測布控、ABAQUS 有限元模擬等多項工作，研究了增大截面托梁法在大跨度拔柱改造中的應用。目前，托梁換柱施工工藝多用于既有混凝土房屋結構的改造施工，僅有少量的研究工作是針對橋梁結構展開的，且這些研究工作大都偏重于大型混凝土橋梁，對于像人行天橋這種占橋梁絕大比重、安全事故多發(fā)的中小型橋梁重視不夠，且很少考慮到橋梁一邊運營一邊施工的特殊情況。鑒于此，本文以衢州站大型旅客進站鋼桁架人行天橋托梁換柱改造工程為背景，采用數(shù)值計算和現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測[4]相結合的方法，探討大型鋼桁架人行天橋改造關鍵技術的選擇與優(yōu)化，對之后同類型的人行天橋改造設計及監(jiān)測方面提供參考。

1 工程背景及改造施工方案

本依托工程位于新建的杭州至長沙客運專線的重要站點——衢州站。進站人行天橋主體為鋼桁架結構，所用鋼材型號為Q345B，桁架采用焊接箱型梁與無縫鋼管腹桿的組合結構。由于現(xiàn)有運輸能力不足，需在既有28 m 寬的基本站臺上新增設計時速為200 km/h 的衢寧線(衢州至寧德)1～8和1～10兩軌道。衢寧線的引入，使既有普速場站臺(靠近站房)拆分為2 個站臺(基本站臺及二站臺)，既有天橋部分天橋柱及下站臺樓梯不滿足新建站臺限界要求，需要進行移位改造，以達到使用要求。

改造施工方案主要是將既有天橋柱的QJ 軸～QK 軸4 根天橋柱切割，并替換成新的橋墩支撐結構(QA 軸～QB 軸)。為了確保施工安全，在拆除舊的天橋鋼柱前，先架設鋼管柱支架作為臨時支撐，臨時支撐采用5根Q345B圓鋼管作為支柱，柱頂布置液壓千斤頂以調節(jié)控制橋體標高，隨后加固天橋下弦桿。使用液壓千斤頂托舉起天橋后采用靜力切割逐根拆除掉舊鋼柱，既有天橋鋼柱的拆除順序為J2 號→J1 號→J3 號→J4 號，再進行新基礎的開挖加固，架立新鋼柱加墊橡膠支座，并與天橋下弦桿及下部結構采用螺栓連接，最后使用液壓千斤頂卸載，改造完成。天橋柱位平面圖、立面圖如圖1～2 所示，施工工藝流程圖如圖3～6所示。

圖1 天橋柱位平面圖Fig.1 Column plan of the pedestrian bridge

圖2 天橋1-1立面圖Fig.2 Elevation of the pedestrain bridge at 1-1

圖3 施工工藝流程圖Fig.3 Flow chart of the construction process

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

在進行現(xiàn)場施工之前，有必要對改造施工方案進行預先模擬，全面評估改造方案的可靠度?？紤]到模型簡化，故建模時主要針對天橋施工改造。數(shù)值模型采用MIDAS/Civil2015 有限元分析軟件建立，其中以空間梁單元模擬天橋主體結構，既有天橋柱采用聯(lián)合截面和組合材料定義，與地面接觸定義為一般支承剛性連接；用中軸線表示的梁單元模擬臨時支撐鋼柱，臨時支撐與地面接觸的邊界條件定義為一般支承剛性連接，支撐頂上的千斤頂與桁架結構的接觸定義為僅受壓彈性連接，通過給彈性連接上、下端節(jié)點施加強制位移來模擬頂升或卸載；下弦桿加固部分則采用如下簡化處理[5]，直接將外包鋼板增加到縱梁兩側，來模擬加固的縱梁，并用中軸線表示的梁單元模擬新橋墩結構，新橋墩結構與地面接觸的邊界條件定義為固結，橡膠支座定義為一般彈性連接。

2.2 工況分析

恒載和活載的不同組合將對結構構件產生不同的作用效應[6]。對于各種可能的荷載組合應分別考慮，并進行比較確定構件最不利的荷載作用效應。天橋拆柱過程可以看作是一個準靜態(tài)的過程，根據(jù)人行天橋改造設計的荷載情況[6]，且考慮到天橋改造在夏季施工，施工周期較短，改造開始到竣工結束期間，可不考慮風、雪荷載，以及地震等這種小概率事件的影響。采用以下幾種荷載組合進行模擬計算，如表1所示。

表1 荷載組合Table 1 Load combination

圖4 臨時支撐平面圖Fig.4 Plan of the temporary support

圖5 改造區(qū)域平面圖Fig.5 Plan of the renovation area

上述各個組合中，恒載包括結構自重，橋面鋪裝，頂棚荷載。在改造階段，活載代表人行荷載、施工或檢修荷載；在改竣工運營時是指人行荷載。其中施工或檢修荷載、風荷載按最不利位置加載。

分析整個施工改造過程可知，當既有天橋柱J3 號被拆除后運營時，天橋整體受力呈明顯的橫向不對稱狀態(tài)。該工況下原有結構體系、邊界條件被完全改變，天橋內部發(fā)生應力重分布，因此在該工況下要對天橋進行應力和撓度模擬。在最不利荷載組合下，該工況下的模擬結果如圖7～8所示。

圖6 臨時支撐剖面圖Fig.6 Profile of the temporary support

圖7 天橋改造處應力Fig.7 Stress contour of the pedestrain bridge reconstruction

經過多工況模擬，最不利荷載組合下，各工況響應值如圖9所示。

如圖7所示，當既有天橋柱J3號被拆除后，天橋改造部位在最不利荷載組合下應力最大值為146.4 MPa，小于Q345B 鋼材的規(guī)范[7]抗力強度設計值275 MPa，天橋改造部位強度滿足要求。如圖8 所示，在最不利荷載組合情況下，天橋改造部位的最大撓度值出現(xiàn)在橋面板下弦桿縱梁處，為39.8 mm，小于規(guī)范[7]規(guī)定的限值L/500=31 850/500=63.7 mm，剛度滿足要求。如圖9所示，整個改造過程中，當既有天橋柱J3 號被拆除后運營時，天橋改造部位產生最大應力值；當既有天橋柱J4 號被拆除后運營時，天橋改造部位產生最大撓度值，為42.95 mm，小于規(guī)范[7]規(guī)定的限值L/500=318 50/500=63.7 mm，剛度滿足要求。上述模擬結果說明施工方案里加固下弦桿縱梁的措施是必要的，同時也說明了天橋在改造期間保持運營時應力和變形不會發(fā)生大的變化，即邊改造邊運營的施工方案是合理科學的。

圖8 天橋改造處撓度Fig.8 Deformation contour of the pedestrain bridge reconstruction

圖9 各工況響應值Fig.9 Response of various working conditions

2.3 安全監(jiān)測預警閾值設定

實時、準確的監(jiān)測系統(tǒng)是反饋結構受力變形狀態(tài)、結構安全穩(wěn)定與否的關鍵依據(jù)。人行天橋進行托梁換柱改造時發(fā)生著體系轉換，因此需要結合具體施工工況設計相應的健康監(jiān)測系統(tǒng)。設定安全預警閾值是橋梁健康監(jiān)測工作的核心內容之一，一般可基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本值、有限元模型最不利工況響應值、現(xiàn)場施工條件、相關規(guī)范、材料特性確定[8]。如前文模擬結果所述，較于規(guī)范，天橋改造部位產生的最大撓度值有一定的預留值，且考慮到有限元模型最不利工況響應值與實測結果之間的差值，本文采用安全系數(shù)法來設定安全預警閾值。即基于有限元模型最不利工況響應值，安全系數(shù)分別采用0.75，1，1.25，將監(jiān)測狀態(tài)分為3個等級。分析發(fā)現(xiàn)，最大應力出現(xiàn)在下弦桿位置處，證明了加固的必要性，應加強觀測。最大豎向變形出現(xiàn)在拆除位置，改造過程中應加強觀測。另外，模擬得到水平方向變形較小，工況間最大偏移3 mm。首先設計如下監(jiān)測預警值為：

1)應力監(jiān)測預警值：150 MPa；

2)水平偏移：3 mm；

3)下弦桿下?lián)现担?5 mm；

4)全梁撓度：30 mm。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結果及分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

依據(jù)數(shù)值模擬結果并結合現(xiàn)場施工實際情況，設計了應力監(jiān)測與變形監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測控制截面先根據(jù)結構分析進行選擇，再根據(jù)數(shù)值模擬結果，最終選取二站臺橋面板下的下弦桿縱梁作為應力和變形監(jiān)測對象。進行應力監(jiān)測時，采用在梁截面下緣黏貼平行應變片的方式實現(xiàn)；同時采用TCRA1201+智能全站儀觀測布設在結構物關鍵部位的徠卡反射片(規(guī)格為6 cm×6 cm)的變形，來實現(xiàn)對構件的變形監(jiān)測。監(jiān)測點位布置如圖10所示。

圖10 應力與變形監(jiān)測點位圖Fig.10 Location map of stress and deformation monitoring points

3.2 應力監(jiān)測結果及分析

臨時支撐頂升之前，由有限元模擬可知QK 軸～QJ 軸間的兩側縱梁底部在恒載作用下處于受壓狀態(tài)，QK 軸～QL 軸間的下弦桿受拉。臨時支撐頂升至穩(wěn)定之后，受壓區(qū)域、受拉區(qū)域應力略有減少。這主要是由于臨時支撐架千斤頂頂升后，給原有天橋鋼梁施加了一個上部受拉、下部受壓卸載作用。

切除鋼柱的過程是結構體系轉換的過程，鋼柱拆除之后，切除點附近原本由舊鋼柱支撐的荷載轉換到附近的結構上，相應的應力也會發(fā)生變化。選取不同工況下西側縱梁X1，X2 和X3 測點以及東側縱梁D4，D5 和D6 的應力監(jiān)測值進行分析，應力變化趨勢圖如圖11～12所示。

圖11 西側縱梁(X1號～X3號)應力變化曲線Fig.11 Stress change curves of west longitudinal beam(No.X1～No.X3)

由圖11 可知，拆除舊鋼柱J2 號時，測點X1，X2 和X3 的應力有所增加(負值)，縱梁底部受壓加劇。由圖12 可知，拆除舊鋼柱J1 號時，測點D4，D5 處應力由受壓突變?yōu)槭芾?，說明在拆除QK 軸上的舊鋼柱時，上部結構恒載產生應力重分布，原鋼柱承受的重量轉移到了附近的鋼柱和臨時支撐上。拆除舊鋼柱J3 號，測點D6 處的應力由受壓變?yōu)槭芾瑧M一步轉移到臨時支撐上。在完全拆除掉4 根舊鋼柱后，縱梁處的應力轉換完成，趨于穩(wěn)定，兩側縱梁的應力分布基本對稱。從圖中應力數(shù)值大小來看，拆改過程中天橋內部應力值均小于監(jiān)測預警值150 MPa，滿足施工安全條件。另外，從圖11 和圖12 中還可看出，在拆除改造期間將人行天橋投入運營時，人群荷載的出現(xiàn)對下弦桿縱梁處的應力增加貢獻較小，同時也驗證了一邊施工一邊運營的改造方案是合理可行的，與數(shù)值模擬結果一致。

圖12 東側縱梁(D4號～D6號)應力變化曲線Fig.12 Stress change curves of east longitudinal beam(No.D4～No.D6)

3.3 變形監(jiān)測結果及分析

原有天橋在進行拆除改造時，約束條件會發(fā)生改變，結構內部會發(fā)生應力重分布，上部橋體結構也會隨之發(fā)生變形。包括了水平方向(X和Y)變形和豎直方向(H)變形，其中，豎向變形撓度是反映橋梁結構是否穩(wěn)定，是否安全的最直接指標。因此重點對橋梁撓度進行安全監(jiān)測及分析。從應力監(jiān)測情況及數(shù)值模擬結果來看，拆改過程中，天橋在運營期間恒載和人行荷載作用下，撓度達到最大值，特別是舊鋼柱J3 號、J4 號拆除之后應力出現(xiàn)了突變，故選取拆除舊鋼柱J3 號后的東側縱梁撓度變形監(jiān)測情況及拆除J4 號后的西側縱梁撓度變形監(jiān)測情況進行分析。各監(jiān)測點位撓度變形曲線圖如圖13～14所示。

如圖13 所示，在拆除鋼柱J3 號之后運營，測點D6 處撓度下?lián)现底畲鬄?3.1 mm，相比初始值下沉了12.3 mm。如圖14 所示，在拆鋼柱J4 號之后，測點X5 處撓度下?lián)现底畲鬄?4.6 mm。豎向變形較大，雖未達到下弦桿撓度報警值15 mm，但仍需要進行調整，防止撓度過大產生屈曲，現(xiàn)場指導施工單位進行了頂升調整，通過千斤頂頂升臨時支撐柱L3 號、L4 號后，減小了豎向下?lián)现担{整過程中，上部鋼桁架結構應力值未發(fā)生明顯變化。

圖13 東側縱梁撓度變形曲線Fig.13 Deflection deformation curves of east longitudinal beam

圖14 西側縱梁撓度變形曲線Fig.14 Deflection deformation curves of west longitudinal beam

4 結論

1) 鋼結構人行天橋的改造是一個多階段的動態(tài)過程，邊界條件的突變會導致應力和變形發(fā)生突變。在正式施工前對改造處進行有限元數(shù)值模擬，分析在不同荷載組合下的應力和變形情況，據(jù)此得出合理的預警閾值，可以為現(xiàn)場施工安全監(jiān)測提供依據(jù)。

2) 天橋改造處的最大撓度值出現(xiàn)在橋面板下弦桿縱梁處，為42.95 mm，驗證了施工方案里加固下弦桿措施的必要性。人群荷載作用對下弦桿縱梁應力影響較小，驗證了一邊施工一邊運營的改造方案是合理可行的。

3)各工況下應力值均小于預警值150 MPa，滿足施工要求，且東西兩側縱梁應力基本對稱。

4) 舊鋼柱全部拆除完畢后，下弦桿縱梁最大下?lián)现禐?4.6 mm，現(xiàn)場指導施工單位進行頂升作業(yè)，保障了施工安全。