余姚江特大橋頂推施工分析與監控技術

周繼亮,呂 俊,朱利明,劉大帥

(1.中鐵二局集團有限公司,四川 成都 610031;2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司,江蘇 南京 210031)

隨著交通網絡的發展,不可避免地出現新建橋梁跨越既有線路或者高山峽谷、河流的情況,頂推法施工憑借其不需要支架和大型吊裝機械、使用的場地較少、對周圍既有建筑的影響較小等優點,成為當前應用較為廣泛的一種橋梁施工方式[1]。鋼桁梁的重量輕、安裝架設技術成熟、質量容易控制并且抗彎剪扭、剛度大、適應性強,與頂推施工相結合可保證在上部結構施工時既有線路的正常運營。

頂推法施工起源于20世紀50年代奧地利建造的Ager橋[2],1974年我國在修建狄家河鐵路橋[3]時首次引用了頂推施工方法。在之后的半個多世紀中頂推施工技術不斷發展,已經廣泛應用于大跨鋼桁梁施工。陳永宏[4]結合黃河特大橋主橋鋼桁梁施工詳細介紹了鋼桁梁臨時支墩搭設、頂推施工等關鍵技術。田亮等[5]指出鋼桁梁頂推是一個動態過程,力學機構復雜,有限元數值分析能夠將復雜的工程問題簡單化,是研究鋼桁梁施工過程的高效可靠的驗算手段。

當鋼桁梁采取頂推施工時,不僅需要關注成橋階段的受力狀態,更需要對施工過程進行分析。鋼桁梁受力、變形在頂推施工中是一個動態變化的過程,各個階段的受力模型各異,為保證鋼桁梁的施工安全,有必要對其頂推過程進行施工監控[6]。對于鋼桁梁頂推施工監控,國內外學者已經展開了諸多研究。施工監測中,根據各控制量在結構中的重要性與可操作性可以確定其主次關系,大跨度鋼桁梁橋的頂推施工監控常以位移控制為主,應力控制為輔[7]。此外,傳統監控技術在鋼桁梁施工過程中難以有效應用,隨著智能測量技術、鋼弦式應變計等新技術的出現,鋼桁梁施工監控技術逐漸成熟[8]。

通過midas Civil有限元軟件建立余姚江特大橋三跨連續鋼桁梁空間梁單元模型,進行鋼桁梁頂推施工全過程仿真計算,得到各施工工況下結構的受力特性,并與現場監測數據進行對比分析,以便對下一步頂推施工進行調整,保證橋梁施工安全。

1 工程概況

1.1 鋼桁梁概況

余姚江特大橋起于莊橋站南側、麗江西路北側,跨過余姚江后,止于余姚江南岸。新建橋位于既有杭深上行線余姚江大橋上游約25 m處。主橋采用80 m+128 m+80 m三跨簡支鋼桁梁。120 m跨節間長度16 m,桁高16 m;80 m跨節間長度為10 m,桁高11.6 m。

該施工方案的主要步序為:在10#～12#臨時墩之間,分段拼裝鋼桁梁,整個拼裝過程采用懸臂拼裝法。利用臨時桿件將三跨簡支鋼桁梁拼裝成三跨連續鋼桁梁,頂推鋼桁梁向大里程方向前移,在11#、12#、13#、14#、15#臨時墩滑道梁上均設置頂推設備,頂推鋼梁至設計位置后,拆除臨時桿件,落至墊塊,三跨連續鋼桁梁變為三跨簡支鋼桁梁。

因余姚江南岸設計鋼梁拼裝場緊鄰住宅小區,屬于環境敏感點,現場無法建設,并且因船只通航需求、汛期安全等因素限制,主墩間無法打設樁基礎、增設臨時墩,使得施工方案在選擇上具有較大的局限性。綜合考慮本工程現場環境條件,經過多方案比選,確定三跨連續鋼桁梁分段拼裝、多點同步單向連續頂推是較為可行的施工方案[9]。因中間不設臨時墩,采用先連續后簡支的總體方案,128 m與80 m跨之間通過臨時桿件連接上弦桿,鋼板連接下弦桿,頂推過程中不額外設置導梁。

1.2 鋼桁梁頂推方案

頂推方案主要由橋梁的頂推重量及頂推跨度等因素綜合決定[10]。為保障余姚江特大橋頂推過程的順利進行,采用多點同步連續頂推系統,此系統由水平頂推系統、垂直頂升系統、滑移系統、糾偏系統及同步控制系統五大系統組成,較單點頂推更加充分,在任何階段都能提供必須的頂推動力。

2 施工過程仿真分析

2.1 結構分析模型

采用midas Civil 2020有限元軟件建立空間計算分析模型,對鋼桁梁整個頂推過程進行全過程施工模擬,采用滑塊動梁不動的方式模擬鋼桁梁頂推過程,主梁與滑塊之間的邊界條件采用僅受壓彈性連接來模擬。

對頂推施工全過程進行仿真分析時,合理加載可保證頂推施工階段的結構變形、測點斷面處應力分布狀況更加符合實際情況,為橋梁施工控制提供合理的數據。橋的荷載內容考慮結構自重、二期恒載、活載效應與溫度荷載等,主要荷載類型及大小如表1所示。

表1 橋梁主要荷載類型及大小

2.2 施工工況

為更加完整的把握橋梁頂推全過程,將midas Civil有限元模型與現場頂推情況結合,共分為26個頂推施工階段。

其中,三個懸臂狀態對主橋較為不利。

(1)不利工況7:頂推98.303 m,即將上14#墩。

(2)不利工況18:頂推229.225 m,即將上15#墩,此時為最大懸臂狀態。

(3)不利工況26:頂推321.518 m,即將上16#墩。

具體頂推過程及三個最不利工況如圖1所示。

圖1 頂推工況詳情

3 頂推過程中主梁監測點布置

鋼桁梁在施工過程中會經歷多次體系轉換,每次體系轉換都會對主梁的線形、應力產生影響[11],因此需要選取合適的梁端撓度及桿件應力測點,以便準確把握主梁頂推姿態。

3.1 主梁前端撓度測點

根據實際施工情況,建立變形測量控制網作為整個余姚江特大橋的控制網,采用TS30全站儀進行主梁前端撓度測量。因主梁前端撓度關乎是否能夠正常上墩,故在全橋頂推過程中選擇80 m鋼桁梁前端進行監測,測點布置在下弦桿節點處。

對于頂推法施工主梁撓度測試,舒彬等提出在導梁前端兩側設置豎向標尺,在墩上放置全站儀,以達到測量梁端撓度的目的[12];楊凱等將橋梁長期監測常用的動位移測試儀器引入鋼桁梁頂推監測中,結果表明實測數據與理論數據吻合較好[13]。

但余姚江特大橋主梁頂推時需用墊塊調節主梁高度,以上測量方法不再適用。可將測量基準點設置在前支點墊塊與梁底接觸處,主梁豎向實際撓度為前支點梁底高程與懸臂端主梁底高程的差值。

3.2 桿件應力測點

由于鋼弦應力計具有長期穩定性好、抗損傷性能好、安裝定位容易及對施工干擾小等優點,采用JMZX3001型振弦檢測儀進行桿件應力測試。主梁桿件較多,對所有桿件進行監測成本較高且無實際意義,因此選擇鋼桁梁上弦桿、下弦桿、斜腹桿、梁端、臨時桿件共19個應力包絡較大部位作為測點斷面。下弦桿底部在頂推過程中需要與滑塊接觸,為防止底部應力測點損壞,將其布置在下弦桿側面[14],應力傳感器根據施工進度進行表貼式安裝。

桁架撓度應變測試截面橫橋向測點布置如圖2所示。

圖2 頂推過程中撓度、應變測點布置位置橫截面圖

4 頂推過程變形與應力報警、預警、控制值設置

施工監控的目標就是在施工過程中控制結構的受力狀態和變形始終處于安全的范圍內,成橋后結構的線形與內力達到設計要求。因此有必要提出報警、預警、控制值,以便把握橋梁的安全狀態,規避潛在風險。

4.1 主梁前端變形

對鋼桁梁前端即將上14#、15#和16#墩三個不利工況進行數值分析,提取主梁前端變形數據,根據相關工程經驗,預警值為計算值的80%,報警值為計算值,控制值為計算值的120%。三個不利工況的預警、報警、控制值如表2所示。

表2 主梁前端變形預警值 單位:mm

4.2 桿件應力

通過有限元模型計算,得到整個頂推過程中各監測點的最大應力值。與主梁前端撓度不同,根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB 10091—2017)[15]可知,Q370鋼在恒載與施工荷載的共同作用下存在固定的材料容許應力264 MPa。根據相關工程經驗,預警值為計算值,報警值為計算值的120%,控制值為容許應力264 MPa。各桿件頂推過程最大拉應力預警、報警值如圖3所示。

圖3 各桿件應力預警、報警曲線

由圖3可知,在整個頂推過程中,各桿件應力預警、報警值不斷變化。4#、17#桿件應力較大,這是因為當鋼桁梁即將上15#墩時,17#桿件處于懸臂根部,受荷載作用,存在較大拉應力,預警值為144.0 MPa。與之類似的是,當桁梁即將上16#墩時,此時4#桿件處于懸臂根部,存在較大拉應力,預警值為186.1 MPa。

5 頂推監測結果分析

5.1 主梁前端撓度

頂推過程中實際撓度與理論撓度時程曲線對比分布如圖4所示。

圖4 頂推過程梁端實測撓度與理論變形時程曲線

主梁懸臂端撓度監測是頂推施工監測工作中的關鍵部分,直接關系到主梁是否可以順利上墩。

由圖4可知,實測值與理論值變化趨勢整體一致,但由于施工現場溫度、臨時堆載等情況不斷變化,理論值與實測值存在一定的差異。整個頂推過程,主梁在三個不利工況中前端下撓較大,特別是處于最大懸臂狀態時,為保證施工安全,加大了監測頻率,最終測得主梁前端實測撓度最大值-922.7 mm,處于合理變形范圍內,結構安全,可以順利上墩。

5.2 主梁應力

由理論模型可知,在頂推過程中,4#、17#桿件應力較大,故對其進行重點分析。上述3個桿件的實測應力與理論應力時程曲線對比分布如圖5所示。

圖5 頂推過程桿件上下緣實測應力與理論應力時程曲線

桿件應力監測是保證鋼桁梁頂推施工安全性的主要依據,隨著頂推施工的進行,懸臂長度不斷變化,當處于較大懸臂狀態時,懸臂根部彎矩也隨著變大,因此,需要重點監測對應桿件應力,適時掌握結構的受力狀態。由5圖可知,在頂推過程中,各桿件應力實測值與理論值趨勢整體一致,最大應力出現在4#桿件位置,上緣應力在-102.5～177.1 MPa之間;下緣應力在-143.4～173.8 MPa之間。這是因為雖然4#桿件并不處于最大懸臂狀態根部,但其自身截面與所處位置的主梁截面均小于16#桿件,故應將4#桿件作為重點監測桿件。

可以看出,部分測點理論值與實測值相差較大,但實測應力未超材料容許限值264 MPa,結構處于安全狀態。分析其原因,下列施工因素會引發偏差:(1)在建立有限元模型時部分單元尺寸與實際值不完全相同;(2)各工況中墩頂滑塊的實際位置與理論模型存在差別。

6 結 論

以余姚江特大橋頂推施工過程為研究對象,結合現場施工情況,利用midas Civil有限元軟件建立鋼桁梁空間梁單元模型,模擬施工頂推全過程,對鋼桁梁主梁在頂推過程中的變形、應力進行分析,主要結論如下。

(1)針對余姚江特大橋主梁頂推時需用墊塊調節主梁高度這一特殊性,提出了將撓度測量基準點設置在前支點墊塊與梁底接觸處,主梁豎向實際撓度為前支點梁底高程與懸臂端主梁底高程的差值,結果表明實測值與理論值吻合較好。

(2)該橋主梁在頂推過程中主梁梁端實測撓度與理論撓度時程曲線、桿件實測應力和理論應力時程曲線趨勢基本一致,有限元模型可以較好地反映實際頂推情況。

(3)在頂推過程中;鋼桁梁前端即將上15#墩時撓度達到最大,但小于控制值;前80 m跨與128 m跨連接處桿件應力值在鋼桁梁前端即將上16#墩時達到最大值,小于材料容許限值,主橋處于安全狀態。

(4)經研究分析,頂推過程中主梁處于最大懸臂狀態時變形、應力較大,應在此時加大監測頻率,不斷對施工過程進行調整,以確保施工的順利進行。