大跨度橋梁臨時鋼棧橋施工模擬與監(jiān)測分析

摘 要：本文介紹了龍鳳大橋臨時施工鋼棧橋的設(shè)計和結(jié)構(gòu)特點，并采用Midas Civil對鋼棧橋進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗算設(shè)計工況下工字鋼橫縱梁、分配梁及鋼管樁的受力性能，以此確定鋼棧橋的施工工藝。基于數(shù)值分析結(jié)果，對臨時鋼棧橋的承重關(guān)鍵部位布設(shè)位移測點，并實時監(jiān)測獲得大跨度橋梁臨時鋼棧橋使用過程的水平位移和沉降情況變化規(guī)律，總結(jié)高可靠度和高安全度的臨時鋼棧橋施工方法，從而保障砼運輸車作用下鋼棧橋的安全運營。

關(guān)鍵詞：大跨度橋梁；鋼棧橋；施工模擬；監(jiān)測分析

中圖分類號：U 44 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在建設(shè)跨越河流的大跨度橋梁工程中，為解決材料、設(shè)備運輸以及人員進(jìn)出困難的問題，建設(shè)臨時施工鋼棧橋是常用的施工方法之一[1]。然而，鋼棧橋結(jié)構(gòu)連接節(jié)點數(shù)量較多，在車輛荷載作用下具有較大的動能，因此鋼棧橋的使用過程存在較大的安全隱患[2]。結(jié)合龍鳳大橋施工過程的實際需求，采用有限元分析方法進(jìn)行臨時鋼棧橋設(shè)計，研究了適用于大跨度橋梁臨時鋼棧橋的施工和拆除工藝，同時根據(jù)鋼棧橋數(shù)值分析結(jié)果中的薄弱點進(jìn)行位移監(jiān)測，分析鋼棧橋在車輛荷載作用下墩臺頂部位移的變化規(guī)律，保證鋼棧橋的實時穩(wěn)定性能和鋼棧橋使用過程的可靠性。

1 鋼棧橋工程概況

龍鳳大橋位于清遠(yuǎn)市佛岡縣龍鳳新區(qū)，跨越潖江，橋長250.5m、寬43.5m。為解決建橋過程的施工交通及物資調(diào)配問題，需要搭設(shè)臨時鋼棧橋?？紤]棧橋的車輛荷載較大以及工程量使用情況，鋼棧橋采用鋼管柱結(jié)合工字鋼梁的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)采用鋼管樁。臨時鋼棧橋長度為137.8m，寬度為6.0m，頂面高程為65.09m。鋼棧橋橋址位置不要求航道通行，其設(shè)計荷載主要為施工車輛荷載，應(yīng)滿足40t砼運輸車通行條件，設(shè)計行車速度為10km/h。

2 鋼棧橋結(jié)構(gòu)形式

臨時鋼棧橋設(shè)計單跨標(biāo)準(zhǔn)跨徑5.30m，橋面凈寬6.0m，鋼棧橋結(jié)構(gòu)自上至下依次為橋面鋼板、I20a工字鋼分配梁、I32a工字鋼縱梁、2I45a工字鋼橫梁、?529mm×10mm鋼管樁、[20槽鋼橫斜聯(lián)。鋼棧橋兩頭各設(shè)置一橋臺，兩側(cè)設(shè)置防護(hù)鋼管欄桿，橋墩采用?530mm鋼管樁，每排2根，管橫向中心間距為4.0m，橫向用[20槽鋼聯(lián)接。鋼管樁頂采用斜拉桿[12槽鋼搭設(shè)，用2根I45a工字鋼相互拼焊作為橫梁，鋼棧橋上部縱梁采用14排I32a工字鋼拼裝，工字鋼間距0.45m，在I32a工字鋼縱梁上布置間距0.30m的I20a號工字鋼橫向分配梁，分配梁頂橋面采用厚8mm的花紋鋼板滿鋪而成。

3 鋼棧橋結(jié)構(gòu)模擬分析

3.1 計算模型

采用Midas Civil有限元分析軟件對臨時鋼棧橋進(jìn)行數(shù)值分析，建立實體模型如圖1所示。其中臨時鋼棧橋的鋼管樁、工字鋼橫梁、工字鋼縱梁以及工字鋼分配梁均采用空間梁單元，鋼管樁頂部和工字鋼橫梁、工字鋼縱梁、工字鋼分配梁之間采用彈性連接。鋼管樁底部的邊界條件完全固定，約束6個方向的自由度。鋼材為Q235鋼，力學(xué)參數(shù)f為215MPa，fv為125MPa。鋼棧橋車輛荷載取1.4倍的安全系數(shù)，強(qiáng)度驗算的荷載組合為1.2自重+1.4車輛荷載，剛度驗算的荷載組合為1.0自重+1.0車輛荷載，用均布荷載的方式將荷載施加到分配梁上。

3.2 鋼棧橋安裝過程模擬

3.2.1 I20a工字鋼分配梁驗算

為了得到鋼棧橋橋面板、分配梁等構(gòu)件的組合應(yīng)力與剪應(yīng)力，需要對鋼棧橋各組成部件進(jìn)行內(nèi)力分析[3]，經(jīng)過計算，當(dāng)混凝土運輸車經(jīng)過棧橋時，I20a工字鋼的最大組合應(yīng)力σ為215MPa，大于68.3MPa，最大剪應(yīng)力τ為125MPa，大于20.6MPa，因此在最不利工況下，I20a工字鋼的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.2.2 I32a工字鋼縱梁驗算

經(jīng)過進(jìn)一步運算分析，砼車經(jīng)過棧橋時，I32a工字鋼縱梁最大組合應(yīng)力σ為215MPa，大于89.5MPa，最大剪力τ為125MPa，大于46.9MPa，因此I32a工字鋼縱梁的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.2.3 鋼棧橋2I45a工字鋼橫梁驗算

經(jīng)運算分析，運輸車通過棧橋時，2I45a工字鋼在樁頂橫梁處產(chǎn)生最大組合應(yīng)力，計算可知，40t砼運輸車通過棧橋時，鋼棧橋2I45a工字鋼最大組合應(yīng)力σ為215MPa，大于68.5MPa，最大剪應(yīng)力τ為125MPa，大于32.3MPa，因此鋼棧橋2I45a工字鋼的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.2.4 鋼管樁內(nèi)力和棧橋撓度模擬結(jié)果

鋼棧橋?529mm×10mm鋼管樁埋深于卵石層中，鋼管柱入土深度不小于6m，進(jìn)入卵石層不小于1.5m。根據(jù)鋼管樁設(shè)計方案對其內(nèi)力分布及棧橋位移變形進(jìn)行模擬分析，當(dāng)砼車通過棧橋時，鋼管樁的最大壓應(yīng)力為101.3MPa，小于規(guī)范中允許的最大應(yīng)力值215MPa。鋼棧橋橋面撓度值均發(fā)生不同程度變化，其中鋼棧橋跨中位置撓度最大，為5.7mm，小于規(guī)范要求的L/400=13.25mm，滿足要求。

綜上所述，本文提出的施工方法對臨時鋼棧橋內(nèi)力和位移控制起到了較為理想的作用，即龍鳳大橋臨時鋼棧橋的設(shè)計符合承載性能要求。

4 臨時鋼棧橋關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 橋臺施工工藝

當(dāng)鋼棧橋施工時，須清除橋臺基礎(chǔ)位置的軟土，開挖至承載力滿足要求且深度超過1m的硬底河床，棧橋兩頭各設(shè)置一個橋臺。橋臺施工完成后通過測量放樣預(yù)埋橋臺支座鋼板，橋臺采用[20槽鋼支墊，并對工字鋼縱梁采取限位措施[4]。

4.2 鋼管樁施工工藝

鋼棧橋采用振動錘沉樁形式埋設(shè)鋼管樁，橋臺施工完成后進(jìn)行棧橋搭設(shè)，根據(jù)圖紙計算鋼管樁平面坐標(biāo)和標(biāo)高，利用全站儀和導(dǎo)向架精確定位鋼管樁位置，并根據(jù)計算結(jié)果在控制點放置觀測點。鋼管樁由?529mm×10mm規(guī)格鋼管組成，利用掛車運至施工現(xiàn)場，最大運輸長度取9.0m。

施錘過程通過測量放樣鋼管樁外圓的兩根切線，根據(jù)鋼管外圓兩處切點下放鋼管樁以確定樁中心位置，在樁位處橫橋向安放雙“井”字定位架，首先，采用鋼管樁及樁錘自重進(jìn)行壓樁，其次，鋼管樁下沉?xí)r同步測量樁位和傾斜度，最后，誤差過大時通過樁架調(diào)整，滿足要求即開始錘擊。鋼管樁振動錘型號為DZ90，通過入土深度控制鋼管樁最終樁尖標(biāo)高。鋼管樁接長采用多層焊，焊接時兩鋼管接頭采用對接坡口焊，對口拼接時相鄰管節(jié)的焊縫接頭錯開0.5m以上，焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊條型號為E50X，焊接過程通過控制走向順序、焊接電流、焊縫尺寸等工藝參數(shù)，提高焊縫質(zhì)量，保證臨時鋼棧橋使用過程的耐久性能。

4.3 樁頂橫梁施工工藝

完成鋼管樁基礎(chǔ)施工后，進(jìn)行鋼棧橋橋面系施工。首先，復(fù)核鋼管樁樁頂標(biāo)高，切除超高部分鋼管樁，其次，下放橫梁至樁頂開槽口處，用臨時牽引吊索懸掛電焊線移動至待施工鋼管樁處，將鋼管樁與橫梁焊接，最后，進(jìn)行縱梁架設(shè)，提高棧橋整體穩(wěn)定性[5]。

在型鋼頂面鋪設(shè)貝雷片，貝雷片間距8m×0.90m。對部分貝雷梁進(jìn)行加密，采用12片貝雷片，貝雷片間距為0.45m和0.90m，組合布置。貝雷片之間采用花架固定，在架設(shè)貝雷片前，須根據(jù)施工跨徑提前組拼成形，運輸至現(xiàn)場后由履帶現(xiàn)場吊裝，安裝貝雷架橫梁后，貝雷片底部與樁頂承重梁間采用槽鋼制作限位裝置連接固定，保證限位裝置與承重梁之間滿焊，角焊縫厚度不小于8mm。

4.4 棧橋拆除工藝

主橋單幅通車后，可逐孔跨拆除臨時鋼棧橋及其鋼管樁，由江中心向棧橋兩端方向由上至下逐跨拆除，采用DZJ-60振動錘拆除鋼管樁，用25t汽車吊進(jìn)行起重吊裝作業(yè)。按照從棧橋跨中向兩端逐跨拆除順序拆除縱向分配梁及橫梁。在鋼管樁拔除過程中，利用空壓機(jī)或吸泥機(jī)在鋼管樁內(nèi)外射水或吸泥處理后，可以最大程度減少摩擦阻力，再利用50t履帶起重機(jī)或DZJ-60沉撥樁錘緩慢拔出鋼管樁。采用25t吊車在未拆除棧橋的橋面上配合人工進(jìn)行其他拆除工序，拆下的材料用平板車運輸?shù)綐蝾^，并及時外運。

5 鋼棧橋監(jiān)測

5.1 監(jiān)測設(shè)計

在鋼棧橋使用過程中，穩(wěn)定加載所有豎向施工荷載后，對鋼棧橋各測點的水平及豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，能夠準(zhǔn)確反映臨時鋼棧橋的受力狀態(tài)。為防止運輸過程中車輛荷載對鋼棧橋產(chǎn)生不利影響，采用位移監(jiān)測的方法掌握運營期間關(guān)鍵部位的位移變形規(guī)律，分析運輸車輛荷載及振動荷載對鋼棧橋安全承載性能的影響[6]。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果在橋兩面跨中位置埋設(shè)32個位移監(jiān)測點，墩臺頂部水平位移測點16個，墩臺沉降測點16個。主要監(jiān)測方法包括極坐標(biāo)法和閉合水準(zhǔn)線路法，采用索佳IM-101全站儀監(jiān)測墩臺頂部水平位移，采用索佳SDL1X電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行墩臺頂部沉降監(jiān)測。

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

對臨時鋼棧橋進(jìn)行實時監(jiān)測，保證其使用過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及位移量滿足規(guī)范限值要求，各監(jiān)測周期測到的臨時鋼棧橋位移最大值如圖2～圖5所示。由圖2～圖3可知，隨著監(jiān)測周期增長，鋼棧橋水平最大位移量幅值逐漸趨于0mm，豎向最大位移量變化趨勢逐漸趨于穩(wěn)定，表明在鋼棧橋使用過程中，運營狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。由圖4～圖5可知，鋼棧橋施工過程中同步監(jiān)測到的水平和豎向累計最大位移量變化趨勢平滑穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常波動和位移巨變的情況，實測水平累計最大位移值為6.1mm，豎向累計最大位移值為6.8mm，與理論撓度值誤差較小，且滿足規(guī)范要求的13.25mm。因此，臨時鋼棧橋的剛度符合規(guī)范要求。

通過分析各周期監(jiān)測到的鋼棧橋水平及豎向變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在施工過程中，位移監(jiān)測數(shù)據(jù)隨施工荷載的變化而變動，水平和豎向的變形數(shù)據(jù)隨著鋼棧橋使用時間增長逐漸趨于平穩(wěn)，各監(jiān)測點累計變化量及單次變化速率較小，監(jiān)測數(shù)據(jù)符合施工過程對結(jié)構(gòu)的影響變化規(guī)律，表明鋼棧橋施工過程安全可控。

6 結(jié)語

本文對仿真模擬技術(shù)對鋼棧橋進(jìn)行施工模擬分析，并監(jiān)測臨時鋼棧橋使用過程的變形情況，分析鋼棧橋橋面板、分配梁、鋼管樁等構(gòu)件的內(nèi)力和變形，得出以下結(jié)論。1）通過有限元分析，40t砼運輸車鋼棧橋作業(yè)時，棧橋的剛度（最大撓度為5.7mm＜L/400=13.25mm）、強(qiáng)度（棧橋構(gòu)件最大應(yīng)力為101.3MPa，＜215MPa）均滿足規(guī)范要求，證明了臨時鋼棧橋設(shè)計方案的可行性。2）目前龍鳳大橋主體結(jié)構(gòu)已完成施工，本文總結(jié)的鋼棧橋施工工藝，不僅為大橋主體結(jié)構(gòu)的施工提供了可靠的運輸通道和施工平臺，還可為其他類似工程提供借鑒。3）通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，鋼棧橋以承受豎向力為主，抵抗水平力較差，鋼棧橋開始受荷階段水平位移較大，隨著貝雷梁連接越來越緊固，水平最大位移值隨時間逐漸減少趨于穩(wěn)定。通過隨時監(jiān)測棧橋運營狀況，發(fā)現(xiàn)施加荷載過程大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬值相差較小，說明加載過程鋼棧橋的變形情況可控。

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