波形鋼腹板箱梁橋頂推法施工及監(jiān)控技術(shù)研究

陳芙蓉，楊順生

0 引言

波形鋼腹板箱梁橋中，傳統(tǒng)的混凝土腹板被波形鋼板所取代，使得上部結(jié)構(gòu)重量減小，跨越能力增大，抗震性能提高，充分利用了各種材料的性能，受力明確，避免了傳統(tǒng)混凝土腹板開裂問題[1-3]。頂推施工法對(duì)橋下凈空和地基條件無要求，不需大型吊裝設(shè)備，可以使深谷、河流、跨線等不利架橋環(huán)境變?yōu)橛欣┕きh(huán)境，不影響橋下通行或行車[4]。波形鋼腹板箱梁橋用頂推法施工，可以直接利用波形鋼板做導(dǎo)梁，降低工程費(fèi)用，同時(shí)結(jié)構(gòu)自重減輕使頂推力減小，主梁與橋墩之間摩擦力減小，有利于全橋施工控制，加快施工進(jìn)度[5]。

1 工程概況

位于鄭州市的西南角的常莊干渠高架橋，主要跨越常莊水庫(kù)泄洪干渠，橋梁全長(zhǎng)940 m，分成兩聯(lián)：YU01聯(lián)長(zhǎng)450 m（9×50 m），YU02聯(lián)長(zhǎng)490 m（9×50 m+40 m），是國(guó)內(nèi)首座利用頂推法修建的波形鋼腹板箱梁橋。波形鋼腹板采用BCSW1600型，與混凝土頂板采用Twin-PBL方式連接，與混凝土底板采用S-PBL+栓釘連接，主梁永久預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力混合布置方式。施工時(shí)利用前端35 m長(zhǎng)的波形鋼板做導(dǎo)梁，采用頂推3段（第一段長(zhǎng)27.5 m，第二段長(zhǎng)50 m，第三段長(zhǎng)50 m），在曲線段的部分利用預(yù)制支架現(xiàn)澆施工，從而降低該部分頂推施工的難度，YU01聯(lián)施工節(jié)段劃分如圖1。

圖1 YU01聯(lián)施工節(jié)段劃分圖（單位：m）

2 頂推施工步驟

2.1 頂推施工原理

頂推法施工波形鋼腹板箱梁橋，就是分段在橋頭或預(yù)制平臺(tái)上預(yù)制拼接上部結(jié)構(gòu)，以固定墩作為反力支撐點(diǎn)，利用安裝在臨時(shí)墩和固定墩上的滑移裝置和頂推（拉拽）設(shè)備不斷向前頂進(jìn)，直至預(yù)定位置，落梁就位[6-7]。

2.2 頂推施工優(yōu)點(diǎn)

1)設(shè)備投入少，施工風(fēng)險(xiǎn)小，安全系數(shù)高。

2)施工監(jiān)控中可及時(shí)糾偏，就位精度高。

3)施工效率高，各工序間銜接快。

4)適用范圍廣，正交斜交橋梁均可采用頂推法施工。

5)用波形鋼板作導(dǎo)梁，節(jié)約材料和成本，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

6)在每個(gè)固定墩均安裝頂推裝置，利用頂推反力與箱梁頂進(jìn)阻力平衡可顯著減少墩頂水平位移。

2.3 頂推施工工藝

采用多點(diǎn)頂推，各千斤頂同步逐級(jí)加力頂推，保證箱梁平穩(wěn)前進(jìn)，并在箱梁前進(jìn)中隨時(shí)檢查偏移情況，及時(shí)糾偏，頂推施工流程如圖2所示。

圖2 總體施工流程圖

頂推所需的裝置：（1）千斤頂反力支架是千斤頂放置及頂推時(shí)反力傳遞的臨時(shí)設(shè)施，該橋反力支架采用型鋼加工，再分別預(yù)制拼焊成為整體，運(yùn)至工地后進(jìn)行組裝拼焊。反力架通過墩身預(yù)埋的孔道，利用精軋螺紋鋼與墩身錨固。反力架的具體形式如圖3。（2）為了使梁體在頂推時(shí)沿設(shè)計(jì)線形運(yùn)動(dòng)，防止梁體在橋梁的橫向偏移，需要在剛性較大的墩頂設(shè)置橫向限位和糾偏裝置。每個(gè)永久墩設(shè)置4套橫向限位裝置，每套限位裝置外包4個(gè)橡膠鋼滾軸，通過精軋螺紋鋼與墩身聯(lián)為整體。糾偏裝置采用YD20-120型糾偏千斤頂安裝在橫向限位內(nèi)側(cè)，頂推過程通過千斤頂對(duì)箱梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏。橫向糾偏裝置的具體形式如圖4。（3）為了讓頂推梁體能夠連續(xù)移動(dòng)，需要設(shè)置滑道。滑道自上而下主要由MGE板、不銹鋼板、滑道梁組成。頂推過程中，上部結(jié)構(gòu)荷載通過滑道傳遞到橋墩，滑道起臨時(shí)支座作用，頂推完成后將其拆除更換為永久支座。（4）為了能夠?qū)ο淞哼M(jìn)行牽引，在箱梁中設(shè)置牽引錨柱，利用孔道中插入的焊接鋼結(jié)構(gòu)作為頂推牽引的拉錨器。澆筑上部結(jié)構(gòu)時(shí)，在箱梁頂面及底面提前埋置箱型鋼板作為孔道，上部結(jié)構(gòu)澆筑成型后，將型鋼錨柱貫穿梁體，在梁底安裝錨固端錨板，作為拉錨器。

圖3 墩頂反力架布置示意圖

圖4 墩頂限位糾偏裝置示意圖

3 施工過程仿真計(jì)算

利用有限元分析軟件MIDASCivil進(jìn)行全橋仿真，并對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行分析計(jì)算。每個(gè)施工工況下，上部主梁和鋼導(dǎo)梁的位置保持不動(dòng)，通過邊界條件的移動(dòng)來完成頂推過程的模擬。頂推過程中，永久墩用一般支撐來模擬，臨時(shí)墩用只受壓的彈性連接來模擬。頂推到預(yù)定位置后，對(duì)永久墩的順橋向位移進(jìn)行約束，臨時(shí)墩的約束條件改為受壓的彈性連接[8]。計(jì)算模型如圖6所示。具體施工步驟為：1）第1節(jié)段27.5 m梁體澆筑，張拉預(yù)應(yīng)力筋，每2.5 m步長(zhǎng)頂推一次，共頂推32.5 m，分為13個(gè)施工階段；2）第2節(jié)段50 m梁體澆筑，張拉預(yù)應(yīng)力筋，每2.5 m步長(zhǎng)頂推一次，共頂推50 m，分為20個(gè)施工階段；3）第3節(jié)段50 m梁體澆筑，張拉預(yù)應(yīng)力筋，每2.5 m步長(zhǎng)頂推一次，共頂推62.5 m，分為26個(gè)施工階段。

圖6 計(jì)算模型

4 施工監(jiān)控的內(nèi)容和方法

4.1 監(jiān)控內(nèi)容

橋梁施工控制包含變形控制和應(yīng)力控制兩部分，其中以變形控制，即高程控制為主。常莊干渠高架橋在頂推施工過程中，由于梁體位置的不斷改變，使其每個(gè)截面的內(nèi)力呈現(xiàn)出正、負(fù)彎矩的交替變化，受力復(fù)雜[9-12]。施工監(jiān)控主要內(nèi)容有：1）關(guān)鍵控制截面的撓度監(jiān)測(cè)，如鋼導(dǎo)梁和鋼筋混凝土結(jié)合處附近截面、跨中截面、支座處截面；2）關(guān)鍵控制截面的應(yīng)力及溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，本橋使用振弦應(yīng)變計(jì)測(cè)量出應(yīng)變值和溫度，再結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系間接反應(yīng)出應(yīng)力和溫度的監(jiān)測(cè)情況。

撓度變形監(jiān)測(cè)中需注意以下幾點(diǎn)：1)撓度觀測(cè)應(yīng)安排在清晨5:00～8:00時(shí)間段內(nèi)。2)張拉完成4 h～6 h內(nèi)，進(jìn)行該階段的撓度觀測(cè)。3)采用“前視變后視”的方式，減少監(jiān)測(cè)誤差，即在當(dāng)前測(cè)站，以此監(jiān)測(cè)點(diǎn)為前視讀數(shù)，讀數(shù)完后儀器不動(dòng)，再把該點(diǎn)的前視讀數(shù)當(dāng)作后一測(cè)站的后視讀數(shù)，保證測(cè)量過程中高程觀測(cè)的連續(xù)性、減少儀器移動(dòng)次數(shù)。主要測(cè)量工況包括：混凝土澆筑前的放樣測(cè)量及復(fù)測(cè)、混凝土澆筑后（預(yù)應(yīng)力張拉前）、預(yù)應(yīng)力張拉后、合龍前后以及根據(jù)施工控制需要補(bǔ)測(cè)的其它工況。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置和布線預(yù)埋原則

全橋共設(shè)置32個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面，系兩聯(lián)各兩幅合計(jì)，其中測(cè)正應(yīng)力截面28個(gè)，測(cè)主應(yīng)力截面4個(gè)。測(cè)正應(yīng)力截面每幅跨中截面3個(gè)，支座截面3個(gè)，導(dǎo)梁與首個(gè)節(jié)段交界面1個(gè)（此交界面測(cè)正應(yīng)力，考慮到構(gòu)造細(xì)節(jié)和圣維南效應(yīng)，振弦應(yīng)變計(jì)埋設(shè)在距離交界面2 m左右的截面）。另外同一聯(lián)兩幅梁以一幅為主要監(jiān)測(cè)梁，每個(gè)截面設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，頂?shù)装甯?個(gè)測(cè)點(diǎn)；另一幅為輔助監(jiān)測(cè)梁，每個(gè)截面設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，頂?shù)装甯?個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)主應(yīng)力截面，每個(gè)主應(yīng)力截面位于此聯(lián)的主測(cè)梁上，在每側(cè)腹板各布置一個(gè)應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花按與梁頂推方向夾角為0度，45度，90度方向布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此每個(gè)這類截面有6個(gè)測(cè)點(diǎn)。以橋立面圖和橋頂推方向橫斷面圖角度來看具體測(cè)點(diǎn)布置情況如圖7和圖8。

圖7 應(yīng)力監(jiān)控?cái)嗝?/p>

圖8 橫截面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭D

（2）布線預(yù)埋原則：由于頂推施工持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)施工條件相對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件比較復(fù)雜，所以必需考慮傳感器的布線與埋設(shè)問題，防止出現(xiàn)施工期間傳感器破壞的情況，提前做好措施避免破壞的發(fā)生。以下為采取的措施：1）位于同一截面的連接導(dǎo)線集中在一起后從一個(gè)鋼筋節(jié)點(diǎn)引出，與其他截面的導(dǎo)線沿一個(gè)方向匯集，避免單根導(dǎo)線抗拉不足容易斷裂。2）導(dǎo)線外露部分不能暴露于橋面，這里采取的辦法是從鋼筋下穿過用扎絲固定，防止施工過程中因各種因素被壓斷或焊斷。3）大部分導(dǎo)線是沿一個(gè)方向，在澆筑混凝土前使用PVC管匯集在其內(nèi)加以保護(hù)；少部分導(dǎo)線是單獨(dú)引出到護(hù)欄外部的安全位置，考慮使用鐵箱或木箱聚集在一起進(jìn)行保護(hù)。

5 施工監(jiān)控結(jié)果及分析

5.1 變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

實(shí)測(cè)的導(dǎo)梁前端撓度和計(jì)算值分析比較結(jié)果如圖9，從圖中可以看出仿真分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合性較好，偏差在5%～10%之間。存在差異的主要原因有以下兩點(diǎn)：1）實(shí)際波形鋼腹板箱梁橋上部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，仿真分析時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如忽略了加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)等。2）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響及測(cè)量誤差的存在。

圖9 關(guān)鍵工況導(dǎo)梁前端撓度

5.2 應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

圖10 和圖11分別為5#和7#監(jiān)測(cè)截面實(shí)測(cè)頂板應(yīng)力值和計(jì)算值分析比較結(jié)果。從圖中可以看出，仿真分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好，整體變化趨勢(shì)一致，差值較小。該計(jì)算模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)波形鋼腹板箱梁橋變形和應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果可以驗(yàn)證頂推施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。施工期各截面應(yīng)力均小于規(guī)范限值，最不利施工階段分別為各節(jié)段頂推至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，此時(shí)上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉應(yīng)力，但混凝土未開裂，符合規(guī)定要求。

圖10 5#監(jiān)測(cè)截面頂板應(yīng)力對(duì)比

圖11 7#監(jiān)測(cè)截面頂板應(yīng)力對(duì)比

6 結(jié)論

該工程實(shí)踐表明：1）有限元仿真分析計(jì)算結(jié)果為施工各階段的監(jiān)控提供了科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而確保了施工安全；2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控頂推施工過程，通過變形控制和應(yīng)力控制，掌握結(jié)構(gòu)受力情況，保證了工程質(zhì)量；3）波形鋼腹板箱梁橋運(yùn)用頂推法施工，其優(yōu)點(diǎn)有施工工序少進(jìn)度快、占用場(chǎng)地較小、材料利用率高等，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值，為以后跨越渠道、河流、深谷等橋梁的施工提供了實(shí)踐依據(jù)。

[1]Jung K H,Kim K S,Sim CW,et al.Verification of Incremental Launching Construction Safety for the Ilsun Bridge:The World's Longest and Widest Prestressed Concrete Box Girder with Corrugated Steel Web Section[J].Journal of Bridge Engineering,2011,16(3):453-460.

[2]陳水生,劉律,桂水榮.波形鋼腹板PC組合箱梁橋在我國(guó)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].公路工程,2015,40(3):57-62.

[3]陳寶春,黃卿維.波形鋼腹板PC箱梁橋應(yīng)用綜述 [J].公路,2005(7):45-53.

[4]張曉東.橋梁頂推施工技術(shù)[J].公路,2003(9):45-51.

[5]王侃,王用中.波形鋼腹板PC箱梁橋的施工技術(shù)與效益分析 [J].施工技術(shù),2012,41(17):1-5.

[6]劉雙意.頂推施工法在波形鋼腹板組合箱梁中的應(yīng)用研究 [D].湖南：湖南大學(xué)，2014.

[7]韓亞軍,何斌.常莊干渠高架橋斜波腹板鋼混組合梁頂推施工[J].山西建筑,2015,41(20):175-177.

[8]楊順生,陳芙蓉,舒剛,等.基于頂推法成橋的波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋施工監(jiān)控技術(shù)研究[J].四川建筑,2017,37(3):146-149.

[9]張克治.寬幅多室波形鋼腹板橋施工控制技術(shù)研究 [J].科學(xué)之友,2012(3):73-75.

[10]王劍.波形鋼腹板pc組合箱梁橋特點(diǎn)及施工質(zhì)量控制 [J].黑龍江交通科技,2013(12):126-126.

[11]陳建兵,萬水.波形鋼腹板PC組合箱梁設(shè)計(jì)和施工方法研究[J].中外公路,2006,26(2):118-121.

[12]張興志.波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋施工過程與預(yù)應(yīng)力參數(shù)分析[D].西南交通大學(xué),2009.