余姚江特大橋頂推施工分析與監(jiān)控技術(shù)

周繼亮,呂 俊,朱利明,劉大帥

(1.中鐵二局集團(tuán)有限公司,四川 成都 610031;2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司,江蘇 南京 210031)

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,不可避免地出現(xiàn)新建橋梁跨越既有線路或者高山峽谷、河流的情況,頂推法施工憑借其不需要支架和大型吊裝機(jī)械、使用的場(chǎng)地較少、對(duì)周圍既有建筑的影響較小等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種橋梁施工方式[1]。鋼桁梁的重量輕、安裝架設(shè)技術(shù)成熟、質(zhì)量容易控制并且抗彎剪扭、剛度大、適應(yīng)性強(qiáng),與頂推施工相結(jié)合可保證在上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)既有線路的正常運(yùn)營(yíng)。

頂推法施工起源于20世紀(jì)50年代奧地利建造的Ager橋[2],1974年我國(guó)在修建狄家河鐵路橋[3]時(shí)首次引用了頂推施工方法。在之后的半個(gè)多世紀(jì)中頂推施工技術(shù)不斷發(fā)展,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大跨鋼桁梁施工。陳永宏[4]結(jié)合黃河特大橋主橋鋼桁梁施工詳細(xì)介紹了鋼桁梁臨時(shí)支墩搭設(shè)、頂推施工等關(guān)鍵技術(shù)。田亮等[5]指出鋼桁梁頂推是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,力學(xué)機(jī)構(gòu)復(fù)雜,有限元數(shù)值分析能夠?qū)?fù)雜的工程問(wèn)題簡(jiǎn)單化,是研究鋼桁梁施工過(guò)程的高效可靠的驗(yàn)算手段。

當(dāng)鋼桁梁采取頂推施工時(shí),不僅需要關(guān)注成橋階段的受力狀態(tài),更需要對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行分析。鋼桁梁受力、變形在頂推施工中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,各個(gè)階段的受力模型各異,為保證鋼桁梁的施工安全,有必要對(duì)其頂推過(guò)程進(jìn)行施工監(jiān)控[6]。對(duì)于鋼桁梁頂推施工監(jiān)控,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了諸多研究。施工監(jiān)測(cè)中,根據(jù)各控制量在結(jié)構(gòu)中的重要性與可操作性可以確定其主次關(guān)系,大跨度鋼桁梁橋的頂推施工監(jiān)控常以位移控制為主,應(yīng)力控制為輔[7]。此外,傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)在鋼桁梁施工過(guò)程中難以有效應(yīng)用,隨著智能測(cè)量技術(shù)、鋼弦式應(yīng)變計(jì)等新技術(shù)的出現(xiàn),鋼桁梁施工監(jiān)控技術(shù)逐漸成熟[8]。

通過(guò)midas Civil有限元軟件建立余姚江特大橋三跨連續(xù)鋼桁梁空間梁?jiǎn)卧Ｐ?進(jìn)行鋼桁梁頂推施工全過(guò)程仿真計(jì)算,得到各施工工況下結(jié)構(gòu)的受力特性,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,以便對(duì)下一步頂推施工進(jìn)行調(diào)整,保證橋梁施工安全。

1 工程概況

1.1 鋼桁梁概況

余姚江特大橋起于莊橋站南側(cè)、麗江西路北側(cè),跨過(guò)余姚江后,止于余姚江南岸。新建橋位于既有杭深上行線余姚江大橋上游約25 m處。主橋采用80 m+128 m+80 m三跨簡(jiǎn)支鋼桁梁。120 m跨節(jié)間長(zhǎng)度16 m,桁高16 m;80 m跨節(jié)間長(zhǎng)度為10 m,桁高11.6 m。

該施工方案的主要步序?yàn)?在10#～12#臨時(shí)墩之間,分段拼裝鋼桁梁,整個(gè)拼裝過(guò)程采用懸臂拼裝法。利用臨時(shí)桿件將三跨簡(jiǎn)支鋼桁梁拼裝成三跨連續(xù)鋼桁梁,頂推鋼桁梁向大里程方向前移,在11#、12#、13#、14#、15#臨時(shí)墩滑道梁上均設(shè)置頂推設(shè)備,頂推鋼梁至設(shè)計(jì)位置后,拆除臨時(shí)桿件,落至墊塊,三跨連續(xù)鋼桁梁變?yōu)槿绾?jiǎn)支鋼桁梁。

因余姚江南岸設(shè)計(jì)鋼梁拼裝場(chǎng)緊鄰住宅小區(qū),屬于環(huán)境敏感點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法建設(shè),并且因船只通航需求、汛期安全等因素限制,主墩間無(wú)法打設(shè)樁基礎(chǔ)、增設(shè)臨時(shí)墩,使得施工方案在選擇上具有較大的局限性。綜合考慮本工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件,經(jīng)過(guò)多方案比選,確定三跨連續(xù)鋼桁梁分段拼裝、多點(diǎn)同步單向連續(xù)頂推是較為可行的施工方案[9]。因中間不設(shè)臨時(shí)墩,采用先連續(xù)后簡(jiǎn)支的總體方案,128 m與80 m跨之間通過(guò)臨時(shí)桿件連接上弦桿,鋼板連接下弦桿,頂推過(guò)程中不額外設(shè)置導(dǎo)梁。

1.2 鋼桁梁頂推方案

頂推方案主要由橋梁的頂推重量及頂推跨度等因素綜合決定[10]。為保障余姚江特大橋頂推過(guò)程的順利進(jìn)行,采用多點(diǎn)同步連續(xù)頂推系統(tǒng),此系統(tǒng)由水平頂推系統(tǒng)、垂直頂升系統(tǒng)、滑移系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)及同步控制系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成,較單點(diǎn)頂推更加充分,在任何階段都能提供必須的頂推動(dòng)力。

2 施工過(guò)程仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析模型

采用midas Civil 2020有限元軟件建立空間計(jì)算分析模型,對(duì)鋼桁梁整個(gè)頂推過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程施工模擬,采用滑塊動(dòng)梁不動(dòng)的方式模擬鋼桁梁頂推過(guò)程,主梁與滑塊之間的邊界條件采用僅受壓彈性連接來(lái)模擬。

對(duì)頂推施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析時(shí),合理加載可保證頂推施工階段的結(jié)構(gòu)變形、測(cè)點(diǎn)斷面處應(yīng)力分布狀況更加符合實(shí)際情況,為橋梁施工控制提供合理的數(shù)據(jù)。橋的荷載內(nèi)容考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、活載效應(yīng)與溫度荷載等,主要荷載類型及大小如表1所示。

表1 橋梁主要荷載類型及大小

2.2 施工工況

為更加完整的把握橋梁頂推全過(guò)程,將midas Civil有限元模型與現(xiàn)場(chǎng)頂推情況結(jié)合,共分為26個(gè)頂推施工階段。

其中,三個(gè)懸臂狀態(tài)對(duì)主橋較為不利。

(1)不利工況7:頂推98.303 m,即將上14#墩。

(2)不利工況18:頂推229.225 m,即將上15#墩,此時(shí)為最大懸臂狀態(tài)。

(3)不利工況26:頂推321.518 m,即將上16#墩。

具體頂推過(guò)程及三個(gè)最不利工況如圖1所示。

圖1 頂推工況詳情

3 頂推過(guò)程中主梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

鋼桁梁在施工過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換,每次體系轉(zhuǎn)換都會(huì)對(duì)主梁的線形、應(yīng)力產(chǎn)生影響[11],因此需要選取合適的梁端撓度及桿件應(yīng)力測(cè)點(diǎn),以便準(zhǔn)確把握主梁頂推姿態(tài)。

3.1 主梁前端撓度測(cè)點(diǎn)

根據(jù)實(shí)際施工情況,建立變形測(cè)量控制網(wǎng)作為整個(gè)余姚江特大橋的控制網(wǎng),采用TS30全站儀進(jìn)行主梁前端撓度測(cè)量。因主梁前端撓度關(guān)乎是否能夠正常上墩,故在全橋頂推過(guò)程中選擇80 m鋼桁梁前端進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)布置在下弦桿節(jié)點(diǎn)處。

對(duì)于頂推法施工主梁撓度測(cè)試,舒彬等提出在導(dǎo)梁前端兩側(cè)設(shè)置豎向標(biāo)尺,在墩上放置全站儀,以達(dá)到測(cè)量梁端撓度的目的[12];楊凱等將橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)常用的動(dòng)位移測(cè)試儀器引入鋼桁梁頂推監(jiān)測(cè)中,結(jié)果表明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)吻合較好[13]。

但余姚江特大橋主梁頂推時(shí)需用墊塊調(diào)節(jié)主梁高度,以上測(cè)量方法不再適用?？蓪y(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在前支點(diǎn)墊塊與梁底接觸處,主梁豎向?qū)嶋H撓度為前支點(diǎn)梁底高程與懸臂端主梁底高程的差值。

3.2 桿件應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

由于鋼弦應(yīng)力計(jì)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、抗損傷性能好、安裝定位容易及對(duì)施工干擾小等優(yōu)點(diǎn),采用JMZX3001型振弦檢測(cè)儀進(jìn)行桿件應(yīng)力測(cè)試。主梁桿件較多,對(duì)所有桿件進(jìn)行監(jiān)測(cè)成本較高且無(wú)實(shí)際意義,因此選擇鋼桁梁上弦桿、下弦桿、斜腹桿、梁端、臨時(shí)桿件共19個(gè)應(yīng)力包絡(luò)較大部位作為測(cè)點(diǎn)斷面。下弦桿底部在頂推過(guò)程中需要與滑塊接觸,為防止底部應(yīng)力測(cè)點(diǎn)損壞,將其布置在下弦桿側(cè)面[14],應(yīng)力傳感器根據(jù)施工進(jìn)度進(jìn)行表貼式安裝。

桁架撓度應(yīng)變測(cè)試截面橫橋向測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 頂推過(guò)程中撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置位置橫截面圖

4 頂推過(guò)程變形與應(yīng)力報(bào)警、預(yù)警、控制值設(shè)置

施工監(jiān)控的目標(biāo)就是在施工過(guò)程中控制結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處于安全的范圍內(nèi),成橋后結(jié)構(gòu)的線形與內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此有必要提出報(bào)警、預(yù)警、控制值,以便把握橋梁的安全狀態(tài),規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 主梁前端變形

對(duì)鋼桁梁前端即將上14#、15#和16#墩三個(gè)不利工況進(jìn)行數(shù)值分析,提取主梁前端變形數(shù)據(jù),根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)警值為計(jì)算值的80%,報(bào)警值為計(jì)算值,控制值為計(jì)算值的120%。三個(gè)不利工況的預(yù)警、報(bào)警、控制值如表2所示。

表2 主梁前端變形預(yù)警值 單位:mm

4.2 桿件應(yīng)力

通過(guò)有限元模型計(jì)算,得到整個(gè)頂推過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)力值。與主梁前端撓度不同,根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10091—2017)[15]可知,Q370鋼在恒載與施工荷載的共同作用下存在固定的材料容許應(yīng)力264 MPa。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)警值為計(jì)算值,報(bào)警值為計(jì)算值的120%,控制值為容許應(yīng)力264 MPa。各桿件頂推過(guò)程最大拉應(yīng)力預(yù)警、報(bào)警值如圖3所示。

圖3 各桿件應(yīng)力預(yù)警、報(bào)警曲線

由圖3可知,在整個(gè)頂推過(guò)程中,各桿件應(yīng)力預(yù)警、報(bào)警值不斷變化。4#、17#桿件應(yīng)力較大,這是因?yàn)楫?dāng)鋼桁梁即將上15#墩時(shí),17#桿件處于懸臂根部,受荷載作用,存在較大拉應(yīng)力,預(yù)警值為144.0 MPa。與之類似的是,當(dāng)桁梁即將上16#墩時(shí),此時(shí)4#桿件處于懸臂根部,存在較大拉應(yīng)力,預(yù)警值為186.1 MPa。

5 頂推監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1 主梁前端撓度

頂推過(guò)程中實(shí)際撓度與理論撓度時(shí)程曲線對(duì)比分布如圖4所示。

圖4 頂推過(guò)程梁端實(shí)測(cè)撓度與理論變形時(shí)程曲線

主梁懸臂端撓度監(jiān)測(cè)是頂推施工監(jiān)測(cè)工作中的關(guān)鍵部分,直接關(guān)系到主梁是否可以順利上墩。

由圖4可知,實(shí)測(cè)值與理論值變化趨勢(shì)整體一致,但由于施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、臨時(shí)堆載等情況不斷變化,理論值與實(shí)測(cè)值存在一定的差異。整個(gè)頂推過(guò)程,主梁在三個(gè)不利工況中前端下?lián)陷^大,特別是處于最大懸臂狀態(tài)時(shí),為保證施工安全,加大了監(jiān)測(cè)頻率,最終測(cè)得主梁前端實(shí)測(cè)撓度最大值-922.7 mm,處于合理變形范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)安全,可以順利上墩。

5.2 主梁應(yīng)力

由理論模型可知,在頂推過(guò)程中,4#、17#桿件應(yīng)力較大,故對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)分析。上述3個(gè)桿件的實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力時(shí)程曲線對(duì)比分布如圖5所示。

圖5 頂推過(guò)程桿件上下緣實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力時(shí)程曲線

桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)是保證鋼桁梁頂推施工安全性的主要依據(jù),隨著頂推施工的進(jìn)行,懸臂長(zhǎng)度不斷變化,當(dāng)處于較大懸臂狀態(tài)時(shí),懸臂根部彎矩也隨著變大,因此,需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)桿件應(yīng)力,適時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。由5圖可知,在頂推過(guò)程中,各桿件應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值趨勢(shì)整體一致,最大應(yīng)力出現(xiàn)在4#桿件位置,上緣應(yīng)力在-102.5～177.1 MPa之間;下緣應(yīng)力在-143.4～173.8 MPa之間。這是因?yàn)殡m然4#桿件并不處于最大懸臂狀態(tài)根部,但其自身截面與所處位置的主梁截面均小于16#桿件,故應(yīng)將4#桿件作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)桿件。

可以看出,部分測(cè)點(diǎn)理論值與實(shí)測(cè)值相差較大,但實(shí)測(cè)應(yīng)力未超材料容許限值264 MPa,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。分析其原因,下列施工因素會(huì)引發(fā)偏差:(1)在建立有限元模型時(shí)部分單元尺寸與實(shí)際值不完全相同;(2)各工況中墩頂滑塊的實(shí)際位置與理論模型存在差別。

6 結(jié) 論

以余姚江特大橋頂推施工過(guò)程為研究對(duì)象,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況,利用midas Civil有限元軟件建立鋼桁梁空間梁?jiǎn)卧Ｐ?模擬施工頂推全過(guò)程,對(duì)鋼桁梁主梁在頂推過(guò)程中的變形、應(yīng)力進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下。

(1)針對(duì)余姚江特大橋主梁頂推時(shí)需用墊塊調(diào)節(jié)主梁高度這一特殊性,提出了將撓度測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在前支點(diǎn)墊塊與梁底接觸處,主梁豎向?qū)嶋H撓度為前支點(diǎn)梁底高程與懸臂端主梁底高程的差值,結(jié)果表明實(shí)測(cè)值與理論值吻合較好。

(2)該橋主梁在頂推過(guò)程中主梁梁端實(shí)測(cè)撓度與理論撓度時(shí)程曲線、桿件實(shí)測(cè)應(yīng)力和理論應(yīng)力時(shí)程曲線趨勢(shì)基本一致,有限元模型可以較好地反映實(shí)際頂推情況。

(3)在頂推過(guò)程中;鋼桁梁前端即將上15#墩時(shí)撓度達(dá)到最大,但小于控制值;前80 m跨與128 m跨連接處桿件應(yīng)力值在鋼桁梁前端即將上16#墩時(shí)達(dá)到最大值,小于材料容許限值,主橋處于安全狀態(tài)。

(4)經(jīng)研究分析,頂推過(guò)程中主梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)變形、應(yīng)力較大,應(yīng)在此時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻率,不斷對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行調(diào)整,以確保施工的順利進(jìn)行。