鋼桁架橋整體移運復位施工過程模擬與監測

曲 揚 劉智勇 馬懷章 陳 波 李佳鵬 羅永峰

1. 中建八局第三建設有限公司 江蘇 南京 210046;2. 同濟大學 上海 200092

1 工程概況

背景工程為一座位于上海市區蘇州河上的鋼桁架橋，1908年建成服役至今一直供汽車及行人通行，是我國僅存的幾座魚腹式簡支梁式鋼桁架橋之一。該橋為下承式簡支鋼桁架橋，跨度59.74 m，高度9.14 m，2榀主桁架中心距為9.03 m，兩側各有外伸寬4.96 m的人行道，橋體總重約444.7 t，橋體全貌如圖1所示。該鋼橋服役時間長，已出現較多損傷與缺陷，為延長使用壽命，需對橋體結構進行大修。由于該橋位于市區，在原橋址進行大修的難度很大，故根據預定施工方案，需將該橋整體滑移至距北岸100 m左右的預設維修加固廠內，進行橋體結構維護大修（圖2）。待維修加固完成后，再將其整體移運至原橋址處進行原位安裝。本鋼橋結構大修施工分為舊橋整體移卸施工和新橋整體移運復位施工2個階段，本文僅介紹新橋整體移運復位施工階段的施工過程模擬和應力監測方法與結果。

圖1 鋼橋全貌

圖2 鋼橋大修現場

2 施工流程分解

本文根據結構施工過程的受力特點和邊界條件，將整個施工過程分為6個施工步驟，根據各施工步驟實際構造，設置各施工步驟的邊界條件，建立對應的施工過程力學模型，施工流程如表1所示。

表1 施工流程

3 施工過程模擬計算

復雜結構和施工過程的跟蹤模擬計算是對施工中的結構力學性態進行準確預測，進而對施工中可能出現的破壞現象提出評估預警的關鍵環節[1]。本文針對各施工步驟對應的力學模型分別進行數值計算，統計得到的各施工步驟下結構的應力云圖、最大應力、位移云圖以及最大位移如表2所示。計算過程采用Midas結構有限元軟件進行建模分析，結構構件均采用空間梁單元模擬。

表2 施工過程模擬計算

計算結果表明，結構構件的最不利應力狀態出現在第1、3、4步的橋體南、北部第2根立桿底部，最大應力為－138.96 MPa（＜210 MPa），應力比為0.66。各施工步驟下結構的最大變形均出現在橋體跨中。結構的最大變形發生在第6步，結構最大位移為30.54 mm，方向豎直向下。根據TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》規定，鋼橋所有構件應力比和結構變形均滿足安全性要求。

4 施工過程監測

4.1 施工監測參數的確定

施工監測參數應該能夠反映結構及其施工支撐體系在任意施工階段的力學性態或預示可能出現的失效模式[2]。根據本工程的結構特點和施工方案，通過數值模擬分析鋼橋的受力性態，確定在施工過程中可能出現的不利情況，進而確定需要監測的主要參數有以下3個方面。

1）構件應力：應力較大構件的應力、應力變化較大構件的應力、關鍵構件的應力。

2）位移或變形：防汛墻沉降、橋臺沉降、橋體變形及幾何形狀變化。

3）環境溫度。

本文主要分析本次監測項目中的應力監測數據，因此位移或變形監測情況不再贅述。

4.2 應力監測點布置

根據施工模擬計算結果，按照以下原則確定需要監測應力的構件，并布置相應的測點（圖3）。

圖3 應力測點布置示意

1）應力較大的構件：在滑移施工階段，選取驗算結果中應力較大的構件布置應變計，以監測此類構件的內力。布置的測點有SS3、SS4、SS7和SS8。

2）結構重要構件：支座附近構件和加固立桿附近構件受力較復雜，且構件內力較大，需布置應變計以監測結構內力狀態。布置的測點有SS5、SS6、SS9、SS10和SS11。

3）應力變化較大構件：施工過程中存在結構體系轉換過程，南、北部加固立桿在結構體系轉換過程中，受力變化較大。因此，在受力變化較大的加固立桿處布置應變計以監測構件受力變化。布置的測點有SS1、SS2、SS3、SS4、SS7和SS8。

4）滑移同步性：在整個吊裝滑移過程中，若作業不同步，整個橋體對稱部位受力差異將較大，因此，在東、西側桁架關鍵部位布置對稱測點以控制滑移同步性。布置的測點有SS1、SS2、SS3、SS4、SS5、SS6、SS7和SS8。

根據本工程施工特點和以上測點布置原則，應力測點主要布置于南、北兩側第1根和第2根立桿、桁架南側第3節間下弦桿、西側桁架斜腹桿等部位。

4.3 監測結果及比較

由于在橋體整體滑移施工前，橋體結構在自重和施工荷載作用下，處于一定的受力狀態，需計算此狀態下各測點的初始應力值，再與監測結果疊加，以反映構件的真實應力狀態。本文采用時間序列分段線性表示對數據進行擬合，引入了基于一次極值點和二次極值點的擬合方法[3]，通過對比壓縮率和擬合誤差，驗證上述方法的有效性。

為更好地表現突變的效果，選取變化值大、變化次數多的測點SS3（南部東側第2根立桿）作為關鍵測點，對關鍵測點的應力監測數據進行處理。同時，將關鍵應力測點的應力監測數據處理結果與理論計算值進行對比分析，以證明擬合方法的有效性。圖4為施工過程中應力測點SS3監測數據實測值與理論值的對比，圖5為施工過程中應力測點SS3-1監測數據的原始序列以及根據定義得到的一次極值點序列和二次極值點序列。

圖4 理論值與實測值對比

圖5 2種方法擬合效果對比

綜合圖4、圖5可以看出：

1）以監測頻次為橫軸、應力值為縱軸的二次極值點序列，既表達了突變的時間，也顯示了施工步驟持續時間。其中第2步持續時間最長，該施工步驟為南部橋體由吊機吊起，向浮箱擱置位置移運橋體。該施工步驟涉及起吊、移運、擱置等關鍵步驟，耗時較長，與圖中反映情況一致。

2）施工第1步、第2步、第3步和第6步，測點應力經歷了4次突變，這與橋體結構在移運過程中經歷的“擱置—起吊—擱置—落位”的施工過程一致，每一次支撐點轉換都會引起應力的突變。第6步為橋體落位施工階段，兩測點應力恢復到橋體復位施工前初始狀態應力水平。

分析圖4可知，在第1、3、4、5步，現場實測值小于理論值。主要是橋體南部第2根立桿受力不均勻、施工誤差、風荷載和溫度作用等不確定性因素導致理論計算值與實測值產生差異。SS3測點應力最大值出現在第4步，其中理論計算值最大為－114 MPa，實測有效應力代表值最大為－67.04 MPa。在整個施工過程中，應力測點應力值均在安全范圍內。

分析圖5可知，一次極值點序列既能很好地保留原始序列的局部細節，也能從整體上把握原始序列的主要形態特征。但相對于原始序列，一次極值點序列的數據壓縮率僅為50%，而二次極值點序列則忽略了原始序列中部分不影響整體趨勢的局部細節，保留了原始序列的主要形態特征，同時具備較高的擬合精度。相對于原始序列，二次極值點序列的數據壓縮率為83%。對于施工過程監測數據處理方法的選用，目的是以少量數據表達原始海量數據序列的主要形態特征。因而，二次極值點序列更適用于該類監測數據的數據處理。

5 結語

1）本文實施的施工過程模擬能夠準確預測鋼橋施工過程的構件應力-應變狀態和結構變形規律。計算結果表明，整體移運復位施工方法能夠有效保證鋼橋原位安裝過程的安全性。

2）本文采用的監測技術可以有效地監控構件應力和結構變形。監測結果與有限元軟件的計算吻合度較高，可以為結構安全施工提供可靠的信息，同時也驗證了本文所提出的施工方法可以在實際工程中廣泛應用。

3）本文采用的二次極值點序列方法，可有效擬合監測數據實際值，保留了原始數據的主要特征，數據壓縮率和擬合精度較高，可在實際監測數據處理中廣泛推廣。

[1] 羅永峰,王春江,陳曉明,等.建筑鋼結構施工力學原理[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[2] 羅永峰,葉智武,陳曉明,等.空間鋼結構施工過程監測關鍵參數及測點布置研究[J].建筑結構學報,2014,35(11):108-115.

[3] 高喜欣,羅永峰,馮俊華,等.鋼結構施工過程靜力監測數據分段線性化表示方法[J].建筑鋼結構進展,2020,22(3):114-120.