框構(gòu)橋施工過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

劉小輝

(中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，框架橋向大孔徑、多跨度的方向發(fā)展。尤其為了滿足運(yùn)輸客流的需要及城市景觀等方面的要求和受地形地物條件的限制，在城市附近及機(jī)動(dòng)車道干線上的下穿結(jié)構(gòu)的框架橋，跨度和凈高也越來(lái)越大。從工程安全考慮，已有研究主要針對(duì)框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝等，監(jiān)測(cè)也主要是針對(duì)頂進(jìn)施工過(guò)程的變形監(jiān)測(cè)[1]。根據(jù)調(diào)研，框構(gòu)橋在施工過(guò)程中由于復(fù)雜的受力環(huán)境，在頂推過(guò)程中結(jié)構(gòu)本身也易出現(xiàn)受力屈服、開裂等，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性及工程安全[2-5]。因此，本文主要結(jié)合某框構(gòu)橋下穿既有運(yùn)營(yíng)鐵路，埋設(shè)應(yīng)力傳感器，采用自動(dòng)化裝置測(cè)試框構(gòu)橋整個(gè)施工過(guò)程中的應(yīng)力大小及分布規(guī)律，為保證框構(gòu)橋工程施工安全提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

頂進(jìn)框構(gòu)橋與鐵路交匯交角為90°。橋位處有多股鐵路線，基本呈南北走向。各股道均為電氣化鐵路，軌道類型為60 kg/m鋼軌，枕木為鋼筋混凝土枕。通過(guò)此區(qū)段上下行正線列車速度為70 km/h和45 km/h不等。橋位處有兩組硬橫梁接觸網(wǎng)桿，北側(cè)桿號(hào)為162#、163#，南側(cè)桿號(hào)為164#、165#，其中162#、163#硬橫梁接觸網(wǎng)桿距離箱體外邊最近，分別為5.92 m、6.16 m。橋位處共有5組道岔，南調(diào)車線為12號(hào)左開道岔，其余均為12號(hào)右開道岔，另外影響范圍內(nèi)還有2組信號(hào)箱、3個(gè)信號(hào)燈、3組道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、4組信號(hào)變壓器及信號(hào)電纜、光纜等設(shè)備。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)的目的及意義

從施工工藝來(lái)看，框構(gòu)橋在施工過(guò)程中與土體存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)相互作用，主要表現(xiàn)在框構(gòu)橋頂進(jìn)施工引起土體擾動(dòng)產(chǎn)生地層損失，進(jìn)而影響框構(gòu)橋受力，框構(gòu)橋受力如圖1所示。因此，為了確保框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)在施工期間的安全，非常有必要對(duì)其進(jìn)行全面的施工過(guò)程監(jiān)測(cè)。

圖1 框構(gòu)橋受力圖

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容、方法及測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)工程概況及試驗(yàn)?zāi)康?，主要進(jìn)行框構(gòu)橋頂板應(yīng)力及溫度、側(cè)墻應(yīng)力和底板應(yīng)力監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)分析框構(gòu)橋頂推過(guò)程中的應(yīng)力變化。

2.2.2 監(jiān)測(cè)方法

框構(gòu)橋施工一般歷經(jīng)數(shù)月甚至一年以上，施工時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到儀器及傳感器的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目采用振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)試。其優(yōu)點(diǎn)如下：①采用振弦理論設(shè)計(jì)，具有靈敏度與精度高、線性與穩(wěn)定性好、成活率與可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；②全數(shù)字信號(hào)檢測(cè)，長(zhǎng)距離傳輸不失真，抗干擾能力強(qiáng)；③絕緣性能良好，防水耐用；④測(cè)量直觀、快捷、簡(jiǎn)便；⑤安裝自動(dòng)采集裝置可完全自動(dòng)無(wú)人值守。

將振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)焊接在受力鋼筋上，然后澆注在混凝土里面。當(dāng)鋼筋測(cè)力計(jì)受力時(shí)，引起彈性鋼弦的張拉變化，改變鋼弦的振動(dòng)頻率，通過(guò)鋼弦的頻率變化即可測(cè)出鋼筋所受作用力的大小。由于在頂推過(guò)程中，鋼筋測(cè)力計(jì)與周圍混凝土保持相同的微應(yīng)變，因此可換算得到框構(gòu)橋隨著施工進(jìn)度的結(jié)構(gòu)受力。

本項(xiàng)目采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集方法，為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，同時(shí)布置部分人工測(cè)點(diǎn)，不定期與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行校核比對(duì)。

框構(gòu)橋監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集方法，在確定監(jiān)測(cè)方案之后，將鋼筋測(cè)力計(jì)埋入框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并通過(guò)信號(hào)線與采集設(shè)備相連；自動(dòng)采集設(shè)備可以通過(guò)設(shè)置采集的時(shí)間間隔來(lái)控制采集數(shù)據(jù)的頻率，采集數(shù)據(jù)之后通過(guò)GPRS信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)框構(gòu)橋上部多股鐵路線路位置，取鐵路線路正下方的位置為監(jiān)測(cè)斷面，如圖2所示。

圖2 傳感器布置縱斷面(單位：mm)

框構(gòu)橋在使用過(guò)程中，其四周均承受荷載，受力狀態(tài)復(fù)雜?？驑?gòu)橋頂板底板以及側(cè)墻中間位置所受彎矩較大，因此本項(xiàng)目主要在框構(gòu)橋的頂板、底板和側(cè)墻上進(jìn)行應(yīng)力傳感器布設(shè)，測(cè)試布置如圖3所示。頂板與底板的傳感器為橫向布設(shè)，側(cè)墻上傳感器為豎向布設(shè)，意在測(cè)量頂板、底板以及側(cè)墻中心位置因受彎造成的拉壓應(yīng)力。

頂進(jìn)施工階段，通過(guò)千斤頂對(duì)框構(gòu)橋底板施加推進(jìn)力完成頂推，千斤頂頂推位置如圖3所示。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本次框構(gòu)橋使用HRB335鋼筋，其屈服強(qiáng)度為335 MPa；C45混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度21.1 MPa。

圖3 測(cè)試布置示意圖(單位：mm)

3.1 框構(gòu)橋頂板受力分析

3.1.1 頂板應(yīng)力與溫度關(guān)系分析

本次框構(gòu)橋溫度監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，因此監(jiān)測(cè)頻率較高，每5 min采集1次溫度數(shù)據(jù)。圖4為框構(gòu)橋頂板應(yīng)力與混凝土溫度變化折線圖。

圖4 頂板應(yīng)力與混凝土溫度變化

由于框構(gòu)橋頂板位于上部，在施工階段以及頂推前期會(huì)直接受到太陽(yáng)的照射，使得頂板混凝土中午時(shí)溫度比較高，而晚上溫度降低，混凝土熱脹冷縮，其應(yīng)力受溫度影響變化并且呈周期性。在5月3日至5月13日之間由于現(xiàn)場(chǎng)施工，暫停溫度監(jiān)測(cè)。在5月30日之后，框構(gòu)橋完成頂推，沒有直接接受太陽(yáng)照射，其溫度差變化不大。

截取5月20至22日2 d(即2個(gè)周期)的溫度與應(yīng)力變化進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，如圖5所示。由圖5可見，頂板混凝土應(yīng)力隨著溫度的變化而變化，其應(yīng)力最大出現(xiàn)在中午溫度最高時(shí)段，應(yīng)力最小出現(xiàn)在午夜溫度最低時(shí)段。從測(cè)試數(shù)值可以看出，溫度引起的框構(gòu)橋頂板應(yīng)力變化幅值平均約為±1.8 MPa。

圖5 兩天中頂板應(yīng)力與溫度變化

3.1.2 頂板應(yīng)力分析

將圖4中的框構(gòu)橋頂板應(yīng)力單獨(dú)顯示于圖6。從圖6可以看出，框構(gòu)橋頂板應(yīng)力受到溫度影響變化幅度最大為2.02 MPa，占混凝土抗壓能力的9.57%，約10%；受到頂推影響應(yīng)力變化幅度最大為1.8 MPa，占混凝土抗壓能力的8.89%。頂推結(jié)束后最終應(yīng)力約為7.2 MPa，占混凝土抗壓能力的34.1%。

圖6 框構(gòu)橋頂進(jìn)施工過(guò)程頂板應(yīng)力

3.2 框構(gòu)橋側(cè)墻受力分析

框構(gòu)橋側(cè)墻應(yīng)力隨頂進(jìn)施工過(guò)程的變化(散點(diǎn)圖)如圖7所示。在5月3日至5月13日之間由于現(xiàn)場(chǎng)施工，暫停受力監(jiān)測(cè)(下同)。在結(jié)構(gòu)施工階段，每天中午采集1次應(yīng)力數(shù)據(jù)；在頂進(jìn)施工階段，每5 min采集1次應(yīng)力數(shù)據(jù)(下同)。

由圖7可見，隨著頂進(jìn)深度的加大，應(yīng)力有變大趨勢(shì)。最大值達(dá)到7.56 MPa，占混凝土抗壓強(qiáng)度的35.81%。由此表明，在整個(gè)框構(gòu)橋頂進(jìn)施工過(guò)程中，框構(gòu)橋側(cè)墻受力較小，安全儲(chǔ)備較大。

3.3 框構(gòu)橋底板受力分析

框構(gòu)橋底板的受力測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8可知，在框構(gòu)橋底板混凝土應(yīng)力最大值為15.16 MPa，最小值為5.46 MPa，都在混凝土的安全服役范圍之內(nèi)?？驑?gòu)橋應(yīng)力隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其主要原因是：①隨著框構(gòu)橋的頂推，框構(gòu)橋逐漸被從基礎(chǔ)混凝土板上頂推到開挖后的泥地上，其摩擦阻力增加，頂推力也增加；②框構(gòu)橋在后期的頂推過(guò)程中有“低頭”發(fā)生，為了克服“低頭”，在后續(xù)的頂推過(guò)程處于中刃角吃土頂推，從而阻力增加。

圖7 框構(gòu)橋側(cè)墻應(yīng)力 圖8 框構(gòu)橋底板應(yīng)力

4 結(jié)論與建議

(1)由于框構(gòu)橋頂板受到太陽(yáng)的直接照射，會(huì)產(chǎn)生周期性溫度應(yīng)力的熱脹冷縮應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的影響。測(cè)試數(shù)值表明，溫度應(yīng)力影響變化幅度最大為2.02 MPa，占混凝土抗壓強(qiáng)度的9.57%。

(2)框構(gòu)橋邊墻、頂板的應(yīng)力受力相對(duì)小，均在混凝土結(jié)構(gòu)允許應(yīng)力安全范圍之內(nèi)。

(3)框構(gòu)橋底板在澆筑后頂推前，應(yīng)力達(dá)到7.67 MPa，頂推過(guò)程中達(dá)到12.94 MPa。換算表明，由頂推施工引起的增量為5.27 MPa，約占最大應(yīng)力的40.7%?？梢?，框構(gòu)橋的受力主要是由澆筑混凝土形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其次是頂推施工應(yīng)力。

總體來(lái)看，若嚴(yán)格按照規(guī)范要求施工，穿越既有線路的框構(gòu)橋結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較大，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力屈服。但由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，框構(gòu)橋施工完成后，頂進(jìn)施工使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所占比重較大(以頂板為例約占34.1%)?？梢酝ㄟ^(guò)控制千斤頂?shù)耐焦ぷ?，?lái)減小施工過(guò)程中產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力。由于框構(gòu)橋兩端自由，殘余應(yīng)力在長(zhǎng)期使用過(guò)程中可緩慢釋放。