簡支鋼桁梁橋旋轉滑移施工的分析與研究

廖曉坤 （安徽省建設監理有限公司，安徽 合肥230022）

0 前言

鋼桁梁橋的施工架設方法包括橫移施工法、懸臂施工法、浮運施工法[1]及旋轉施工方法等。旋轉滑移施工法是將液壓同步累積滑移技術與旋轉施工法相結合的一種新型施工方法[2]，它在跨越既有交通線路的橋梁施工項目中具有巨大優勢，不僅可以減少對既有交通線路正常運營的干擾，而且可以降低施工風險，保障施工安全[3]。因此開展對鋼桁梁橋旋轉滑移施工控制技術的研究具有重要的理論意義和工程價值。

2016年崔新壯、劉磊等人[4]以蘆磋沖特大橋連續箱梁旋轉施工為背景，進行了橋梁旋轉施工全過程安全風險分析，利用風險矩陣法評估各風險源的綜合等級，管控風險較高的風險類型，保證了旋轉施工的安全性。2016年姚長見等人以某跨既有線鋼箱梁橋旋轉施工為背景[5]，研究在旋轉施工中的撓度控制方法。借助Midas Civil軟件和橋梁博士軟件模擬采用體外約束結構和臨時索塔配斜拉索結構約束鋼箱梁的豎向變形效果。計算結果表明，恒載作用下梁端撓度達700mm，采用斜拉索控制旋轉鋼箱梁橋撓度比采用體外約束的效果更加明顯。2017年盧小強等人成功實施了跨既有線某鋼桁梁橋的橫移、旋轉施工[6]。施工前進行了施工作業的難點分析并做了相應的應對措施，確保了有線列車通過時的安全。

論文以某鋼桁梁橋的旋轉滑移施工過程中的臨時支墩與滑道梁為例，對大跨度鋼橋旋轉滑移施工控制技術進行分析研究，采取有效的現場監測、安全控制和模擬優化，對施工過程中的安全保障、施工工藝的優化和技術理論的完善具有重要意義。

1 工程背景

1.1 工程概況

該鋼桁梁橋類型為三角桁架下承式鋼桁梁，鋼桁梁橋主要由桁梁各桿件、橋面系、縱向聯結系、橋門架及橫聯等組成。主桁架跨度為96m，全長為98.46m，節間長度為12m，桁高12.8m，兩片主桁中心距8.5m。主桁連接采用焊接整體節點，箱形截面桿件均在節點外四面拼接，H形截面桿件與節點采用插入式連接。主桁桿件與節點之間采用M24高強螺栓連接。橋體上跨既有鐵路線，底標高與既有線軌道間距為8.089m～8.282m,方向與既有鐵路線相交角為17。，其橋面布置圖與典型斷面圖見圖1所示。

圖1 大橋橋型布置圖

1.2 轉體滑移施工技術要求

旋轉滑移施工法將具有自鎖功能的液壓同步累積滑移技術與轉體技術結合，可減少施工工序，縮短在既有線上方的作業時間，極大降低施工風險[7]。根據該鋼桁梁橋結構，具體施工技術要求如下：

第一步，輔助工程施工。主要包括1#～9#臨時支墩架設施工、11#橋墩頂部旋轉軸安裝施工和滑道梁安裝施工，并在滑道梁上翼緣布置熱軋鋼軌。

圖2 輔助工程施工示意圖

第二步，高位拼裝鋼桁梁橋。鋼桁梁拼裝時從11#橋墩向8#臨時支墩方向依次進行，先拼裝下弦桿、橋面板，后主桁架、上平縱聯及橫聯，一個節間完成再接長第二個節間。

圖3 鋼橋架設完成示意圖

第三步，卸載施工。采用氣割卸載工藝按既定順序和方法割除1#～7#臨時支墩頂部卸載點處的支座，使橋體自重荷載由1#～7#支墩上安全轉移至11#橋墩和8#支墩上。

第四步，滑移施工。利用“液壓同步累積滑移施工技術”將鋼桁梁橋沿著滑道梁平面旋轉滑移28m至設計位置。

圖4 滑移施工示意圖

第五步，鋼桁梁橋落梁就位、輔助工程拆除。在11#橋墩及12#橋墩處使用液壓千斤頂頂起橋體，11#墩頂起高度250mm，12#墩頂起高度300mm，拆除臨時措施，安裝支座后下降就位。

2 施工監測及測點布置

鋼桁梁橋的旋轉滑移施工監測屬于靜力監測范疇[21]，考慮到鋼桁梁橋旋轉滑移的施工特點，在確保結構穩定性的前提下，滑移施工過程中，滑道梁和臨時支墩等輔助設施應以應力控制為主，兼顧變形控制。監控對象包括旋轉軸裝置中的上節點及下節點、8#～9#臨時支墩和滑道梁。8#～9#臨時支墩上部架設滑道梁，而滑道梁橫跨既有鐵路線，因此8#～9#臨時支墩和滑道梁也是本次施工監控的重點監控對象。

臨時支墩的穩定性應通過穩定性計算保證，并結合結構的應力和變形情況綜合判斷。因此布置ZS-A12及ZS-A13號振弦式應變計監控8#～9#臨時支墩的受力狀況，兩測點位置見圖5。當鋼桁梁橋滑移到既有鐵路線正上方時，滑道梁和臨時支墩間的短梁將承受最不利工況，布置ZS-B13測點監控短梁的受力狀況，ZS-B12和ZS-B14測點分別監控滑道梁在剪力最不利工況和彎矩最不利工況下的應力水平，ZS-B11、ZS-B12和ZS-B14測點布置在滑道梁的腹板外表面。ZS-A10和ZS-A11號振弦式應變計，監測滑道梁側面軸向受力構件的應力水平。并布置ZD-9和ZD-12測點監控臨時支墩頂部的位移（見圖5），當位移出現異常時，應停止施工排查原因。另外根據有限元計算結果，選擇滑道梁最大位移位置處布置位移測點監控其位移。

圖5 臨時支墩及滑道梁的測點布置

3 旋轉滑移施工有限元模擬分析

論文采用Midas Gen軟件計算得到滑道梁的兩種最不利工況，圖6工況為滑道梁的彎矩最危險工況，圖7工況為滑道梁的剪力最危險工況。計算結果表明，滑道梁最大Mises應力為143MPa，小于材料屈服強度345MPa，最大撓度為11.2mm，小于允許值12570/4=31.4mm，滑道梁承載力和變形滿足安全要求。

圖6 彎矩最不利工況（單位：N、MPa）

圖7 彎矩最不利工況（單位：N、MPa）

在集中荷載作用下，滑道梁存在局部失穩的可能性，采用ANSYS軟件分析滑道梁在兩種最不利工況下的局部穩定性。滑道梁模型見圖8，滑道梁材料為Q345B鋼材，本構模型采用雙線性隨動強化模型，屈服準則采用Mises屈服準則，屈服后材料的切線模量取0.03Es。采用SHELL181四節點殼單元建立有限元模型，滑道梁與臨時支墩處的連接作鉸接處理。

圖8 臨時支墩滑道梁模型示意圖

圖9 彎矩最不利工況Mises應力（單位：MPa）

圖10 彎矩最不利工況Mises應力（單位：MPa）

兩種最不利工況下滑道梁的受力情況見圖9和圖10。在彎矩最不利工況下，滑道梁的最大Mises應力為273.42MPa，大部分位置的應力小于68MPa，剪力最不利工況下滑道梁的最大Mises應力為308.28MPa，大部分位置的應力小于38MPa，滑道梁的承載力能滿足工程要求。兩種工況下最大應力均發生在橋體側鋼軌與滑道梁的接觸位置。

4 旋轉滑移施工監測結果

4.1 臨時支墩、滑道梁應力結果

ZS-A10、ZS-A11測點測值見表1，單向壓應力實測最大值分別為-5.44MPa及-14.48MPa，應力水平較低，表明滑道梁扭轉失效概率很小。ZS-A12、ZS-A13測點位于8#及9#臨時支墩上，單向壓應力實測最大值分別為-49.21MPa及-18.5MPa，臨時支墩的應力值未達到應力閾值，滑移施工過程中臨時支墩處于安全受力狀態。ZS-B12測點位于滑道梁承受最大剪力位置處，實測Mises應力峰值74.32MPa，ZS-B13測點位于臨時支墩頂部箱梁，現場實測應力水平較高，Mises應力達到86.46MPa，兩測點工作應力均處于安全范圍內。

應力測點實測值（單位：MPa） 表1

圖11 ZS-B14測點應力實測值與理論值

圖12 ZD-11測點撓度實測值與理論值

ZS-B14測點位于滑道梁跨度最大段的跨中位置，實測應力變化趨勢見圖11，現對其做具體說明。從圖中可以看出，ZS-B14測點的測值變化趨勢與理論計算值較符合，最危險位置有兩個，分別是滑移施工進度推進到約6m和滑移施工進度推進到約15m，現場實測值分別為56.9MPa及65.1MPa，兩處位置的測量結果均在安全范圍內，在滑移施工進度推進到約20m時，出現實測值大于理論計算值的情況，由于應力水平較低，測點應力仍處于安全范圍內。

4.2 臨時支墩、滑道梁位移監測結果對比

采用全站儀監測8#～9#臨時支墩及滑道梁的位移變化，圖12反映了滑道梁跨中撓度的變化趨勢，ZS-B14、ZD-11測點位置較接近，可以近似等效認為圖11及圖12為跨中同一測點的應力和位移變化曲線，通過對比分析發現，兩曲線變化規律較一致，測點測值可以較好反映滑道梁的受力狀況。

當滑移距離超過6m后，測點撓度實測值普遍高于理論計算值，當滑移距離達到6.1m后，實測值已略微超過設置的位移閾值，因此作出暫停施工的措施。分析后可以看出，由模擬計算結果得到測點理論撓度達到最大值時的滑移距離為6.7m，實際滑移距離與其十分接近，撓度實測值增加幅度有限，結合各測點的應力測量值及位移測量值判斷結構受力仍處于安全狀態，可以繼續進行滑移施工，但應減小單次的滑移距離并多次監測，確保結構受力狀態可控。當實際滑移距離達到6.4m時，ZD-11測點撓度實測值達到最大值，最大實測撓度為12.0mm，理論計算值為10.12mm，實測值比理論計算值高18.6%，隨后實測撓度緩慢減小，且始終處于安全閾值范圍內直至滑移施工結束。

綜合以上應力及位移的監控結果，8#～9#臨時支墩、滑道梁的受力狀態在鋼桁梁滑移施工階段始終可控。

5 結論

①測點布置方法基于有關研究和工程經驗進行總結，測點布置效果缺乏普遍適用的評判標準，如何優化測點布置并進行有效評價是今后研究的一個方向。背景工程基于閾值法設置控制指標對監控進行預警，預警手段較單一，對于更復雜工程如何實現綜合預警需要深入研究。

②鋼橋施工全過程模擬分析中除了進行常規的有限元模擬施工步計算，還包括特殊變量影響下的承載力驗算。論文以有限元模擬結果和施工監控結果表明，該工程中的滑道梁及臨時支墩等臨時結構的承載力滿足旋轉滑移施工的工程要求，施工過程始終處于可控狀態，進一步證明了采取的旋轉滑移施工方案合理有效。

③施工模擬分析中對力學模型的部分邊界條件作了簡化處理，在荷載取值上相對保守，提高了建模效率和計算速度的同時使得測點計算結果與實測值有一定偏差。