公軌兩用鋼桁梁斜拉橋合龍監(jiān)測(cè)方案分析

蔡送寶， 耿文賓， 韋永斌， 林金地， 張 偉， 強(qiáng)偉亮

（1.中國(guó)建筑第六工程局有限公司，天津300451；2.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京101300；3.中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，北京101300）

跨中合龍是斜拉橋施工過(guò)程中的重要工序。合龍時(shí)鋼梁結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合龍時(shí)溫度、日照、濕度、位移、外力、邊界條件等因素均對(duì)施工產(chǎn)生影響[1～2]。本文以紅巖村嘉陵江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎糜邢拊浖⑷珮蚩臻g模型，對(duì)該橋成橋階段進(jìn)行靜力分析并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)橋塔以及鋼桁梁關(guān)鍵構(gòu)件施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行布置，作為該橋合龍施工的依據(jù)。

1 工程概況

紅巖村嘉陵江大橋?yàn)楦叩退p索面公軌兩用鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為91.4 m+138.6 m+375 m+120 m，見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁總體布置

主塔是由上中下塔柱和上中下三道橫梁組成的門式框架結(jié)構(gòu)。塔柱為C50 多邊形空心薄壁普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為帶有造型的階梯式變截面結(jié)構(gòu)。P3主塔為高塔，總高202 m，P4主塔為低塔，總高150.75 m。

主梁采用雙主桁等高度連續(xù)鋼桁梁。主桁為三角桁架，桁寬28.2 m，桁高11.163 m，全橋鋼桁梁共分為49 個(gè)節(jié)段，P1 交接墩至P3 塔范圍內(nèi)節(jié)間長(zhǎng)度為15.4 m，P3塔至A5橋臺(tái)范圍內(nèi)節(jié)間長(zhǎng)度為15 m；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼梁包括上弦桿、下弦桿、上橋面板、下橋面板、斜腹桿5種構(gòu)件，上層橋面板和下層橋面板均為正交異性鋼橋面板。見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼桁梁三維構(gòu)造

鋼桁梁在P1交接墩和A5橋臺(tái)處的主桁下弦節(jié)點(diǎn)處分別設(shè)置雙向活動(dòng)球形鋼支座，在P2 輔助墩和P4橋塔中橫梁的主桁下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置雙向活動(dòng)速度鎖定球形鋼支座，在P3橋塔中橫梁的主桁下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置可沿橫橋向滑動(dòng)的單向活動(dòng)速度鎖定球形鋼支座。

2 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置原則及計(jì)算方法

2.1 布置原則

由于合龍段以前施工工序均已完成，故本文僅研究主梁合龍成橋后、橋面附屬設(shè)施等二期荷載施工前工況下施工監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置應(yīng)能準(zhǔn)確反映合龍后橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況、主梁線形等信息，確保合龍后橋梁狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 計(jì)算方法

采用Midas Civil建模，橋塔、主梁上下弦桿、腹桿、橫梁等均采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用索單元模擬，見(jiàn)圖3。

圖3 全橋有限元計(jì)算模型

仿真分析為合龍成橋階段、附屬設(shè)施等二期荷載施工之前階段的成橋索力、變形、主梁應(yīng)力等。

3 監(jiān)測(cè)方案及點(diǎn)位布置

3.1 溫度監(jiān)測(cè)

溫度對(duì)合龍口寬度、主梁標(biāo)高、斜拉索索力等關(guān)鍵參數(shù)均有影響，因此合龍時(shí)的溫度測(cè)量是合龍工作的基礎(chǔ)[3]。合龍時(shí)環(huán)境的實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度之間的差異會(huì)導(dǎo)致鋼桁梁及斜拉索產(chǎn)生溫度應(yīng)力和形變，從而使合龍口寬度、兩側(cè)橋面的標(biāo)高、角度發(fā)生變化；同時(shí)由于本橋?yàn)殡p層公軌兩用橋，上下層橋面之間的溫度差異同樣會(huì)使上下弦桿產(chǎn)生差異。因此溫度監(jiān)測(cè)不僅應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度，還應(yīng)監(jiān)測(cè)上下層橋面間的溫差，為施工提供更好地保障。

根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，沿縱向共設(shè)置8 個(gè)斷面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面處上下層橋面均布置無(wú)線溫度儀進(jìn)行測(cè)量，共計(jì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 溫度測(cè)點(diǎn)布置

3.2 主塔塔頂位移監(jiān)測(cè)

塔頂?shù)乃轿灰剖遣粚?duì)稱荷載、索力、溫度等因素的綜合反映[4～5]。橋塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔身高度較大，在鋼梁架設(shè)過(guò)程中，塔頂位移一直處于變化狀態(tài)。為保證塔頂位移處于監(jiān)控要求范圍內(nèi)，在塔頂設(shè)置位移監(jiān)控設(shè)施，隨時(shí)監(jiān)測(cè)塔頂位移。

分別在每個(gè)主塔塔頂用反光模做觀測(cè)點(diǎn)，采用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行多個(gè)測(cè)回測(cè)量。合龍后主塔塔頂位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 合龍后主塔塔頂位移

由圖5 可知，合龍后高塔塔頂位移為106 mm，矮塔塔頂位移為89 mm。

3.3 索力監(jiān)測(cè)

斜拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，索力不僅影響主梁的受力狀態(tài)，還會(huì)影響成橋后主梁的線形[4～5]，為準(zhǔn)確掌握斜拉索在合龍過(guò)程中的索力變化，在每根拉索錨區(qū)內(nèi)均安裝壓力傳感器進(jìn)行索力監(jiān)控。施工過(guò)程中需多次對(duì)索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，校核實(shí)際索力與監(jiān)控計(jì)算索力是否吻合。見(jiàn)圖6。

圖6 合龍后索力

由圖6 可知，合龍后最外側(cè)拉索HA14、HJ14、LA7及LJ7索力最大，拉索索力隨著靠近主塔而呈減小趨勢(shì)，與設(shè)計(jì)所給成橋索力趨勢(shì)相符，但數(shù)值小于設(shè)計(jì)所給索力。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)所給成橋索力為施加兩側(cè)壓重以及橋面二期荷載以后最終的成橋索力，后期施工壓重并適當(dāng)調(diào)索后即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.4 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

主梁合龍前后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生改變，引起主梁內(nèi)力重新分布，合龍后主梁主要受力構(gòu)件的內(nèi)力是否與計(jì)算吻合意味著橋梁施工質(zhì)量的好壞，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在主梁受力構(gòu)件關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置應(yīng)變傳感器。掌握主梁合龍前后關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化對(duì)合龍施工具有重要作用[4～5]。合龍后主梁上下弦桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 合龍后主梁應(yīng)力

由圖7 可知，合龍后主梁上弦桿最大應(yīng)力為204 MPa，下弦桿最大應(yīng)力為162 MPa，兩個(gè)主塔位置弦桿位置應(yīng)力較大。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別在主桁上下弦桿以及斜腹桿布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)合龍后主梁應(yīng)力變化。見(jiàn)圖8。

圖8 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

3.5 主梁撓度及線形監(jiān)測(cè)

合龍后主梁線形是橋梁受力狀態(tài)的響應(yīng)[4～5]。本工程鋼桁梁共分為49個(gè)節(jié)段，在每一個(gè)施工節(jié)段端頭上弦桿位置均設(shè)置一個(gè)標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各節(jié)段豎向撓度及合龍成功后主梁整體線形，作為施工指導(dǎo)依據(jù)。合龍后主梁撓度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 合龍后主梁線形

4 結(jié)語(yǔ)

在紅巖村嘉陵江大橋跨中合龍施工監(jiān)控過(guò)程中，通過(guò)確定主塔塔頂位移、斜拉索索力、主梁線形、主梁應(yīng)力等監(jiān)控目標(biāo)，制定合理的監(jiān)控方案，實(shí)現(xiàn)合龍施工過(guò)程的精確控制，保證合龍的精度與質(zhì)量，為成橋目標(biāo)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

合龍過(guò)程中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及合龍后主梁線形、塔頂位移等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好，表明該橋施工過(guò)程規(guī)范，施工質(zhì)量控制良好。□■