500 t級運梁車作用下貝雷梁棧橋監測技術研究

黎開政

(中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399)

1 引言

成都軌道交通10號線2期高架橋施工中，500 t級運梁車需在一定時間內持續通過鋼棧橋運送梁體，此種工況在全國范圍內較為罕見，必須采取針對性的技術措施保證運梁車順利通過。基于架梁施工的迫切需求，以主線橋墩采用貝雷梁和鋼管樁搭設的鋼棧橋上通過最大荷載為530 t運梁車和架橋機為工程背景，對鋼棧橋進行特殊結構設計，同時設置智能監測系統實時監測鋼棧橋的變形及受力，以確保施工過程中人員和設備的安全[1-3]。

通過智能監測系統實時監測鋼棧橋變形及受力，不但能有效消除人工監測的盲區，還可提高監測的及時性與有效性。通過捕捉動態數據，反映鋼棧橋在荷載條件下的動態響應，實時評價橋梁結構的承載力和安全性[4-5]。為確保鋼棧橋使用安全，結合施工段的地形地質條件、施工方法等特點，確定結構應力、動撓度及沉降三個監測項目[6-8]。采用安全監測系統實現鋼棧橋參數超限時自動預警，報警信息以短信的形式發送到設定的管理人員手機上，為管理單位及時采取措施提供數據依據，同時對有效保護鋼棧橋結構的安全贏得時機[9-12]。

通過貝雷梁棧橋監測技術可獲得鋼棧橋典型部位應力、撓度、結構振動響應特征，再通過鋼棧橋監測數據的分析，掌握鋼棧橋通車時的狀態參量，以分析鋼棧橋實際力學行為和使用狀況。結合鋼棧橋結構有限元模型計算結果，對鋼棧橋的監測數據進行對比分析，使得監測數據超限時實現多種形式的預警。

綜上所述，通過鋼棧橋結構智能監測系統的構建及有效運行，可掌握鋼棧橋使用期間的結構響應參數，并通過數據分析對鋼棧橋的使用狀態和力學行為進行預警和評估，為鋼棧橋的安全運營提供有力保障，為以后相關項目開辟新思路，同時提供相關監測經驗。

2 鋼棧橋設計

2.1 工程概況

(1)鋼棧橋結構

花橋站-新津站高架區間位于成都地鐵10號線2期工程的大件路南段，總長度3 702.253 m(見圖1)。其中F13～F16設計為(30+45+30)m現澆預應力混凝土連續梁，處于高架島式車站出站四線變雙線的結合部位，兩線最大間距為10 m。架橋機和運梁車無法正常通過，影響了架橋進度。為確保項目整體工期，擬利用已建成的橋墩采用貝雷梁和鋼管柱搭設鋼棧橋，鋼棧橋設置13跨鋼管支撐體系，貝雷梁跨度為(5×9+3×6+4×9+6)m，以使最大荷載530 t的運梁車和架橋機順利通行，運架50片預制箱梁，以滿足橋通節點工期要求。本臨時運梁棧橋工程危險等級為Ⅰ級，危險等級系數為1.10，對鋼棧橋承載力和穩定性具有較高的要求。

圖1 鋼棧橋布置示意(單位：cm)

(2)運梁車及架橋機

運梁車橫向有4個車輪。運梁車運梁時主車載荷為269 t，每軸線載荷為33.625 t，每個輪胎受力為8.4 t，每個輪胎接地面積約為0.3 m×0.4 m；運梁車運梁時副車載荷為263 t，每軸線載荷為32.875 t，每個輪胎受力為8.1 t，每個輪胎接地面積約為0.3 m×0.4 m。

2.2 鋼棧橋合理布置方案研究

(1)內力分析及貝雷梁布置

臨時運梁棧橋采用貝雷片梁式棧橋施工，支架從下至上依次為φ529×8 mm鋼管樁、雙榀10#槽鋼聯接系、雙榀 45b承重梁、45 cm一聯的貝雷梁、間距37.5 cm的 16橫向分配梁。鋼管柱長11 m(根據實際標高調整)，棧橋橫向凈寬6.0 m，鋼管柱橫向間距1.2+2.4+1.2 m，縱向間距9 m。

貝雷梁采用45 cm一聯布置，工字鋼分配梁間距約37.5 cm，10縱向布置，橫向10 cm。為保證工字鋼自身的穩定性，需采用U型卡與貝雷梁上弦桿連接，或采用間隔點焊的形式固定。

利用Midas軟件建立全橋有限元模型，分析運梁車荷載作用下最大彎矩和剪力。單片標準貝雷梁彎矩容許值為788.2 kN·m，剪力容許值為245.2 kN。故由最大彎矩和剪力可分別估算出所需貝雷梁片數:2 817.9/788.2＝3.6(取4片)，2 128.3/245.2＝8.7(取9片)?？紤]到運梁車的沖擊效應，最終采用18片貝雷梁方案。具體布置如圖2所示。

圖2 貝雷梁橫斷面布置(單位：mm)

(2)鋼棧橋運營工況計算分析

根據具體布置方案，利用Midas軟件建立鋼棧橋整體分析模型，對運梁車通過鋼棧橋最不利工況進行有限元分析。

鋼棧橋最不利工況下最大應力分布云圖見圖3。由計算分析可知，貝雷梁桿件最大應力主要分布在跨中及墩柱頂附近，此處正、負彎矩較大。上弦桿最大應力為118.62 MPa，下弦桿最大應力為-95.31 MPa；貝雷梁腹桿和豎桿最大應力為-149.44 MPa(墩頂柱直接受壓)；橫向分配梁最大應力為142.01 MPa(位于車輪下，實際此處與貝雷梁上弦桿為面接觸而非模型中的點接觸，實際應力更小)；墩頂橫向分配梁最大應力39.10 MPa；鋼管立柱最大應力為-44.27 MPa，最大支反力為-700.8 kN。貝雷梁的容許應力為273 MPa，其余桿件容許應力為170 MPa。由計算可知，各桿件均滿足規范要求，計算中未考慮沖擊效應。

圖3 最不利工況下最大應力分布

3 鋼棧橋運梁過程監測

3.1 監測方案設計

3.1.1 監測范圍

鋼棧橋為13跨結構，跨徑分別為9 m和6 m不等。貝雷梁組成構件較多，滿覆蓋監測成本極高且無必要，并會產生較多的冗余數據。經分析本項目重點監測其中的6跨，包括第1跨～第2跨、第5跨～第6跨，其中重點是第1跨(受沖擊最大)和第5跨～第6跨。

3.1.2 監測項目

參照其他鋼棧橋設計施工及監測情況，結合本棧橋的現場實際，對棧橋的結構應力、動撓度及沉降進行實時在線監測。通過視頻監測，可直觀掌握運梁車通過時貝雷梁的狀態變化。

(1)結構應力:結構應變(應力)變化情況是結構受力狀態變化的直接反應，特別是在運梁車通過過程中，將應力變化與計算值相互校核，可及時判斷鋼棧橋受力是否處于正常范圍。

(2)動撓度監測:梁體撓度是鋼棧橋結構力學行為特征最直觀的指標之一，同時也是體現鋼棧橋是否能正常使用的重要指標。

(3)沉降監測:臨時安裝的鋼管柱在運梁車荷載作用下，極有可能會產生沉降變形，因此監測鋼管柱支架沉降十分必要。

3.1.3 監測點布置方案

根據監測項目并結合鋼棧橋特點，各監測點布置如下:

(1)在鋼棧橋的第1、2、5、6跨的跨中截面處各布設3個應力監測點，分別布置于梁體中心與運梁車左右輪下梁底各一個。共計4個截面，應力監測點12個。

(2)第6跨跨中截面處各布設1個結構溫度監測點，布設于梁體中心位置。截面共計3個，共布設監測點3個。

(3)在第1跨和第6跨跨中截面處各布設1個動撓度監測點，布設于梁體中心位置。

(4)在第1跨和第6跨跨中截面處各布設1個振動監測點，布設于梁體中心位置。共布設2個振動監測點。

(5)在第1、5、6、7、12 號鋼支架頂部左右兩側各布置1個沉降監測點，共計10個沉降監測點；另在相鄰混凝土橋墩上布置2個沉降監測基準點。共計12個沉降測點。

(6)在運梁車上鋼棧橋位置布設1個視頻監測點。

具體監測范圍、監測項目和監測點布置如圖4所示。

圖4 鋼棧橋監測點布置

3.2 監測結果及分析

針對2018年10月13日開始運梁到2018年11月13日結束運梁的監測數據進行分析。

(1)應力監測

本項目采用光纖光柵應變計測量結構應變(應力)，監測結果見圖5(圖中僅列出5次峰值應力)。

圖5 鋼棧橋第1跨跨中測點應力

由圖5可見，各測點應力變化穩定，運梁車通過時每次實測應力差別不大，均小于理論分析應力值，且遠小于貝雷梁的設計容許應力273 MPa，結構處于安全狀態。

(2)動撓度監測

采用激光動態撓度監測儀實時監測鋼棧橋動撓度。通過不同時間段運梁車過橋時第1跨跨中撓度曲線(見圖6)可以看出，鋼棧橋撓度值變化穩定，實測最大撓度值為6.3 mm，小于理論撓度值7.0 mm。因此，貝雷梁棧橋剛度符合規范要求。

圖6 第1跨跨中撓度變化曲線

(3)沉降監測

沉降監測主要目的為控制鋼棧橋沉降量，保證鋼棧橋使用安全，為優化加固鋼棧橋施工提供分析參考數據。 在 1#、5#、6#、7#、12#臨時墩左右兩側布置一臺靜力水準儀。圖7和圖8分別為1#和5#臨時墩在運梁車過橋時的沉降變化曲線。由實測結果可知，各測點最大沉降量均小于4 mm，在安全范圍內。

圖7 1#臨時墩沉降變化曲線

圖8 5#臨時墩沉降變化曲線

從沉降變化曲線看出，在運梁車通過時，鋼棧橋的累計沉降值趨于穩定，低于設定的容許沉降值，鋼棧橋處于安全狀態。

4 結論

500 t級運梁車通過鋼棧橋是成都地鐵10號線2期運架梁的關鍵控制工序。為確保鋼棧橋結構安全，本文系統地進行鋼棧橋的設計驗算分析，并介紹監測系統的總體構架、監測內容及監測數據處理等內容，形成了一套完整的健康監測系統方案。本次施工共運梁64片，歷時28 d，每天24 h不間斷地對鋼棧橋參數進行數據采集、傳輸，并對應力、動撓度、沉降等數據進行處理與分析?？傮w表明，監測系統運行穩定，監測數據顯示運梁過程中鋼棧橋運營狀態正常，滿足安全和使用要求。