新建橋跨既有橋施工監(jiān)測技術(shù)研究

盧永東

摘要 針對新建橋跨既有橋施工項目，提出通用性的施工方案及分階段監(jiān)測方法。以某既有水道橋為例，全橋共九聯(lián)，以左幅第四聯(lián)（跨徑組合為3×25 m）、右幅第四聯(lián)（跨徑組合為45+25 m）和第五聯(lián)（跨徑組合為3×25 m）作為工作平臺，對一座上跨該水道橋的簡支小箱梁橋進行吊裝施工，研究監(jiān)測點的布置方案、監(jiān)測參數(shù)的選擇、監(jiān)測階段的劃分。有限元建模計算值和實橋?qū)崪y值比較表明，絕大多數(shù)監(jiān)測點的實測值都小于理論值，在整個施工階段中結(jié)構(gòu)是安全的。所有監(jiān)測點的實測值和結(jié)構(gòu)分析的理論值隨著監(jiān)測工況改變的變化規(guī)律相似。上述算例表明，文章提出的新建橋跨既有橋施工階段劃分的思路、監(jiān)測參數(shù)的選取方案、監(jiān)測點的布置方案合理可行，可為類似新建橋跨既有橋施工項目的監(jiān)測方案提供決策參考。

關(guān)鍵詞 新建橋跨既有橋；施工監(jiān)測；監(jiān)測參數(shù)；測點布制；監(jiān)測階段

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0049-04

0 引言

近年來，我國的高速公路網(wǎng)在不斷地發(fā)展完善，新建橋跨既有橋工程越來越多。長沙市萬家麗立交[1]是湘府路跨越既有萬家麗高架橋而修建的立體交通樞紐。濱萊高速公路改擴建工程[2]的轉(zhuǎn)體新建橋在轉(zhuǎn)體前需要上跨既有高速公路橋。上跨滬昆鐵路的某公鐵立交橋整體換梁項目[3]則利用既有橋梁的下部結(jié)構(gòu)，對需要改造更換的舊梁進行了同步頂升安裝。

就常規(guī)橋型而言，對于連續(xù)剛構(gòu)橋[4]和連續(xù)梁橋[5]，監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)主要為墩頂標高、主梁墩頂截面上下緣應力、墩間跨中截面上下緣應力、各節(jié)段標高。針對簡支梁橋，研究對象多為簡支鋼桁架梁橋[6]。監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)主要為鋼桁梁預拱度（下弦桿節(jié)點撓度），鋼桁梁控制截面的上下弦桿、腹桿、斜桿位置的應力（跨中和1/4跨作為控制截面），臨時墩應力和頂推導梁應力。

對新建橋跨既有橋項目的施工監(jiān)測研究主要針對新建橋梁，而對既有橋的監(jiān)測方法研究較少。該文研究了當以既有橋為施工作業(yè)平臺進行鋼混疊合梁吊裝施工時，新建橋跨既有橋的施工監(jiān)測方法；分析了作為施工作業(yè)平臺的25 m簡支小箱梁及蓋梁的受力特點；重點討論了對既有水道橋的主梁和蓋梁的監(jiān)測要點，為類似工程的施工監(jiān)測方案提供決策參考。

1 新建橋跨既有橋施工方案

1.1 工程概況

某新建互通立交共設置4條匝道，其中A匝道1號橋共13聯(lián)，第十二聯(lián)41#～42#跨上跨既有水道橋，采用“樁基礎+柱式墩+蓋梁+70 m鋼混疊合梁”結(jié)構(gòu)。鋼混疊合梁采用先吊裝、后疊合的施工工藝。

既有橋設計速度為100 km/h，由上、下行兩幅橋組成。單幅橋的上部結(jié)構(gòu)為25 m預制簡支預應力小箱梁，下部結(jié)構(gòu)為“樁基礎+雙柱式墩+蓋梁”的結(jié)構(gòu)，橋面寬16.5 m。

A匝道1號橋第十二聯(lián)的施工方案為：以既有橋為施工作業(yè)平臺進行跨線互通鋼混疊合梁的吊裝施工。在新建立交橋工程施工期間，為保證施工荷載不會對既有水道橋造成損傷，降低跨橋施工對既有高速營運的影響，依據(jù)跨線鋼混疊合梁吊裝施工方案，對既有水道橋進行結(jié)構(gòu)分析，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點處的應力和位移進行監(jiān)測。

A匝道1號橋跨高速部分鋼混疊合梁，設計為70 m跨彎梁，由4片主梁構(gòu)成，其中單片鋼梁最重約130.19 t，單片混凝土疊合板重約100.7 t。由于上跨鋼混疊合梁與既有水道橋的斜交角度為44 °，高速上搭設臨時支墩困難，吊裝難度極大。

該跨共設計4片鋼混疊合梁，由于是彎橋，每片梁的梁長及重量參數(shù)表見表1所示：

1.2 吊裝順序

根據(jù)現(xiàn)場的地形條件及機械的起重吊裝能力，總體吊裝思路是采用3臺吊車接力抬吊。施工步驟：梁段在工廠內(nèi)按設計劃分節(jié)段加工完成后，運輸至現(xiàn)場拼裝成整體的鋼梁，用1臺400 t履帶吊（趴位于橋底）與1臺300 t汽車吊（趴位于既有橋左幅橋面）將70 m鋼梁抬吊至既有橋的左幅上臨時存放，再通過橋底400 t履帶吊配合另一臺300 t汽車吊（趴位于既有橋右幅橋面）將鋼梁從左幅橋面接力抬吊至設計的蓋梁上。同理，依次將4片鋼梁吊裝就位。吊裝布置如圖1所示。

為減少既有水道橋上300 t汽車吊作業(yè)產(chǎn)生的荷載對既有橋的結(jié)構(gòu)影響，采用設置不同吊點距離（不平衡吊），使鋼梁的大部分重量由橋底400 t履帶吊承受，而橋面上的吊車僅承受小部分鋼梁重量。根據(jù)計算得出每臺吊車吊點承受的荷載如表1所示。

2 新建橋跨既有橋施工監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測階段的劃分

分析吊裝施工方案可知：對于既有水道橋的左幅橋，當左幅橋面的300 t汽車吊抬吊鋼箱梁時，橋梁結(jié)構(gòu)承受了最大的施工荷載；對于既有水道橋的右幅橋，當右幅橋面的300 t汽車吊抬吊鋼箱梁時，橋梁結(jié)構(gòu)承受了最大的施工荷載。將吊裝施工過程分為8個監(jiān)測工況。

監(jiān)測工況一：400 t履帶吊（橋底）和300 t汽車吊（左幅橋面上）將1號梁抬吊至既有橋的左幅橋面。

監(jiān)測工況二：400 t履帶吊（橋底）和300 t汽車吊（右幅橋面上）接力抬吊1號鋼梁至設計橋位。

監(jiān)測工況三～監(jiān)測工況八：重復1號梁吊裝過程。

2.2 監(jiān)測參數(shù)與監(jiān)測點布置

為保證汽車吊不會對既有水道橋造成新的損傷，該項目對既有水道橋進行了應力監(jiān)測和變形監(jiān)測。應力監(jiān)測包括小箱梁正截面拉應力監(jiān)測、小箱梁主拉應力監(jiān)測和蓋梁正截面拉應力監(jiān)測。變形監(jiān)測包括小箱梁撓度監(jiān)測和蓋梁撓度監(jiān)測。

根據(jù)吊梁施工過程，結(jié)合有限元計算，確定測點布置如圖2（平面）、圖3（立面）所示。其中，16#、17#蓋梁及橋墩為整體式，故用F16#、F17#表示，不分左右幅，其余左右幅分別用FZ和FY表示。在左幅FZ14#～FZ16#橋跨和右幅FY15#～FY17#橋跨的各主梁的1/2跨和1/4跨處斷面的梁底處，以及在F16#橋墩蓋梁和左幅FY15#橋墩蓋梁的跨中底部、墩柱頂部，設置應變片，監(jiān)測對應工況下的正應力。在左幅FZ14#～16#橋跨，以及右幅FY15#～FY17#橋跨的各主梁支點截面的腹板單側(cè)沿著高度方向的中點處，設置應變花，監(jiān)測對應工況下梁體的主拉應力。在左幅FZ14#～FZ16#跨和右幅FY15#～FY17#跨的各主梁1/2跨處斷面的梁底，以及在F16#橋墩蓋梁的跨中底部和左幅FY15#橋墩蓋梁的懸挑端設置位移計，監(jiān)測對應工況下的撓度。

新建A匝道1號橋的4片鋼梁分4次完成吊裝。吊裝每片梁時，左、右幅橋面吊車的趴位都不一樣。在不同的監(jiān)測工況中需要監(jiān)測的橋梁結(jié)構(gòu)危險點也不相同。每吊裝一片鋼梁，吊車趴位就要沿著道路下行方向移動一段距離。根據(jù)8個監(jiān)測工況將所有監(jiān)測點分成6個監(jiān)測區(qū)，測區(qū)共涉及四跨主梁和兩處蓋梁，如圖2所示。不同的監(jiān)測工況采集的監(jiān)測點由這6個測區(qū)中的若干個測區(qū)組合而成。如圖3所示為應力和位移監(jiān)測點的立面示意圖。

3 有限元分析

采用MIDAS Civil軟件建立既有水道橋主梁的單梁桿系有限元模型，一個單梁模型包含33個節(jié)點、30個梁單元和8根鋼束。采用主從節(jié)點彈性連接且主節(jié)點設置簡支邊界條件模擬支座。有限元模型共設置6個施工階段，模擬了預制預應力小箱梁、存梁、施加二期恒載、混凝土收縮徐變、吊車上橋和懸吊鋼梁的施工階段。通過將吊車自重傳遞的車輪壓力和吊點吊重傳遞的支腿壓力，分別都乘以各主梁的荷載橫向分配系數(shù)，以計算每個主梁上分配到的施工荷載。F16#蓋梁的模型包含59個節(jié)點、56個梁單元和10根鋼束。采用主從節(jié)點鋼性連接模擬墩頂與蓋梁的連接。左幅FZ15#墩的模型包含35個節(jié)點、32個梁單元和6根鋼束。根據(jù)主梁模型的計算結(jié)果，可以提取出由主梁自重和二期恒載引起的支座反力、吊車自重引起的支座反力和吊點吊重引起的支座反力，分別施加到蓋梁模型上的對應節(jié)點上，有限元分析結(jié)果見表2所示。理論計算表明，在70 m跨鋼混疊合梁吊裝施工的過程中，作為施工平臺的既有水道橋是安全的。

4 實測值與理論值的對比分析

通過提取有限元模型在汽車吊支腿壓力（僅考慮起吊重量）作用下的關(guān)鍵點應力和位移，可以得到主梁在不同監(jiān)測工況下的監(jiān)測理論值，以此作為施工監(jiān)測過程中的控制閾值。如果監(jiān)測點實測值超出了理論值，則說明結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

該次監(jiān)測的主梁共涉及4跨共20片、蓋梁共2處。在用于監(jiān)測蓋梁F16#的監(jiān)測區(qū)2中選擇4個測點，對應監(jiān)測點位置見圖2所示。在涉及4跨主梁的測區(qū)1、3、5、6中，分別選擇一根應力最大的小箱梁上的4個測點，分析監(jiān)測結(jié)構(gòu)。監(jiān)測區(qū)1～2號主梁（左幅FZ15#～F16#跨的2號主梁）的拉應力和以及16號蓋梁的拉應力在對應監(jiān)測工況下的理論值和實測值變化規(guī)律見圖4所示。

根據(jù)模型計算結(jié)構(gòu)，分別對主梁和蓋梁進行結(jié)構(gòu)驗算。結(jié)果表明，截面彎矩、剪力、撓度均滿足規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[7]要求，如表2所示，誤差用負號表示，實測值小于理論值。

由上述監(jiān)測與理論計算結(jié)果可知：①汽車吊趴位越靠近支點，支點應力峰值越大。②在吊點吊重傳遞的支腿壓力作用下，主梁監(jiān)測結(jié)果中監(jiān)測點的實測值均小于理論值，屬于合理的理論和現(xiàn)場采集誤差，所以在整個施工階段未造成新的損傷。

5 結(jié)語

該文以新建橋跨既有橋工程監(jiān)測項目為例，研究了以既有橋作為施工平臺進行吊裝新橋時，各施工階段對應工況對既有橋的影響，通過分析既有橋在吊裝施工期間的應力和變形變化情況，對施工過程進行及時反饋和調(diào)整，確保既有橋在特殊短暫工況下不出現(xiàn)新的損傷，主要結(jié)論如下：

（1）提出了新建橋跨既有橋施工監(jiān)測階段劃分的思路和方法，給出了監(jiān)測參數(shù)的選取方案、監(jiān)測點的布置方案，為今后同類工程的監(jiān)測提供了參考。

（2）在既有水道橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果中，主要構(gòu)件監(jiān)測點的實測值都小于理論值，屬于合理的理論和現(xiàn)場采集誤差，在整個施工階段中結(jié)構(gòu)是安全的，理論驗算結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[7]要求。

（3）在既有水道橋的結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果中，所有監(jiān)測點的實測值和結(jié)構(gòu)分析的理論值隨著監(jiān)測工況改變的變化規(guī)律相似，說明結(jié)構(gòu)的計算理論可靠，可以為類似施工項目的監(jiān)測方案提供決策參考。

參考文獻

[1]李江， 李磊. 復雜城市環(huán)境下立交橋鋼箱梁架設方案比選[J]. 橋梁建設， 2021（2）： 137-143.

[2]陳道東， 何琦， 姜鴻. 上跨電氣化鐵路的公路橋梁整體換梁施工工藝研究[J]. 公路， 2018（9）： 170-172.

[3]陳洪濤. 高速公路改擴建上跨鐵路非對稱轉(zhuǎn)體橋梁設計[J]. 世界橋梁， 2022（2）： 20-25.

[4]W. Hernandez， A. Viviescas， C.A. Riveros Jerez. Verifying of the finite element model of the bridge based on the vibration monitoring at differente stages of construction[J]. Archives of Civil Engineering，2020（1）：25-40.

[5] Sarah A. Skorpen， Elsabe P. Kearsley， Chris R.I. Clayton and Edwin J.Kruger. Structural monitoring of an integral bridge in South Africa[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Smart Infrastructure and Construction， 2020（3）： 63-72.

[6]劉國飛. 多跨簡支拱形鋼桁梁橋拖拉施工及監(jiān)測技術(shù)[J]. 中外公路， 2020（6）： 109-113.

[7]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.