寬幅鋼箱梁下穿既有橋梁結構響應監測及施工控制措施研究

0 引言

隨著城市交通網絡的日益發展，高速鐵路和高速公路的建設加速了橋梁交通網絡的密集化和復雜化。寬幅鋼箱梁作為新型高效的橋梁結構形式，廣泛應用于跨江河、跨高速公路等大跨度橋梁建設[1-2]。

寬幅鋼箱梁與傳統橋梁相比，具有更加復雜的施工要求[3]。尤其是在下穿既有橋梁時，由于施工過程中存在地面振動、荷載傳遞等多方面的影響，可能引發既有橋梁的變形、裂縫或其他結構性損害[4-5]。此外，橋梁自身的質量、施工過程中產生的振動和應力變化，也會對既有橋梁的結構產生潛在威脅[6]。因此準確掌握寬幅鋼箱梁施工過程中，對周圍環境、特別是下穿的既有橋梁結構的影響，成為研究的重點。

本研究基于某寬幅鋼箱梁項目工程，通過箱梁對下穿既有橋梁施工過程中的結構響應進行監測，實時獲取既有橋梁變形、振動和應力等數據，并繪制相應歷程曲線，分析評估寬幅鋼箱梁施工過程對既有橋梁可能產生的影響，進而提出科學的施工控制措施，以期為今后相關箱梁下穿既有橋梁工程提供可借鑒參考。

右幅下穿形式均為寬幅鋼箱梁橋下穿。該橋梁上部結構為單幅梁面寬度18.5m的寬幅鋼箱梁，下部結構為蓋梁、墩柱和樁基礎組合結構。樁基直徑為 1.5m ，墩柱尺寸為1.5m～2m，蓋梁長度為 6 . 5m "。箱梁頂板厚度為 50cm ，箱梁底板厚度為 40cm 。箱梁兩側處存在懸臂翼緣板，且懸臂翼緣板長度為 1.9m ，根部厚度為 50cm ，端部厚度為 30cm

2下穿既有橋梁結構響應監控

2.1 監測內容與設備

為了有效控制寬幅鋼箱梁下穿既有橋梁時對結構的影響，結構響應監測顯得尤為重要。本項目主要的監測內容包括：樁身沉降與傾斜量、橋梁振動響應狀況、頂板、底板應力。具體監測項目如表1所示。

表1監測項目分類

1工程概況

某項目為山東省某高架鋼箱梁橋工程，該線路第TJ01標段需下穿既有變截面混凝土箱梁，其中鋼箱梁左

2.2結構響應監測分析

2.2.1 樁身沉降、傾斜監測

沉降、傾斜監測主要用于檢查施工過程中既有橋梁墩柱、樁體的沉降和傾斜情況，沉降過大可能導致既有橋梁的基礎不均勻沉降和傾斜現象產生，從而產生應力集中，影響橋梁的穩定性。

此項目樁身沉降監測主要應用的監測設備為全站儀，監測點應用反光片，布設于既有橋梁樁基礎或者墩柱處。樁身傾斜監測采用固定式傾斜儀，配備自動化讀數儀器。根據監測數據繪制的樁身處測得的沉降和傾斜變形曲線如圖1所示。

針對圖1樁身沉降和傾斜變化曲線分析可知，在下部結構施工的初期階段，既有橋梁樁基礎發生輕微沉降和傾斜。隨著施工步驟的逐步開展，樁基礎單次沉降量和水平傾斜量也逐漸增大，且在第6個施工步驟（樁基礎鉆孔、澆筑施工）時變化量達到最大值，分別為2mm和 0.6mm 。在后續施工中沉降變形逐漸較小，而水平傾斜量逐漸趨于穩定，且有些許回彈。

2.2.2振動監測

振動監測的主要目的是識別施工過程中產生的動態荷載對橋梁的影響，可能出現的結構疲勞現象。應用的監測設備為振動傳感器。為充分對振動效應進行監測，本項目利用振動傳感器結合自動化數據采集器監測樁體的豎向振動波。通過振動波數據獲取豎向振動幅值，并繪制出寬幅鋼箱梁不同施工階段下的振動幅值變化曲線如圖2所示。

根據圖2可知，既有橋梁的振幅最值隨著寬幅鋼箱梁施工的推進，呈現出先增大后減小的現象，且隨著施工的完成，樁基礎也逐漸趨于穩定。在第6道施工步驟（樁基礎鉆孔、澆筑施工）處，樁基礎振動幅度達到最大值為 3mm ，后逐漸下降。對比分析距離施工地點不同距離樁基礎上的振幅變化，發現距離越近其振幅最值越大，且變化幅度也最大。

2.2.3頂板、底板應力監測

為保證既有橋梁結構運營的安全性和穩定性，采用應變計為監測設備，對寬幅鋼箱梁的施工期間的既有橋梁頂板和底板應力進行監測分析。提取既有橋梁頂板與底板實測應力值，并繪制出其隨施工步驟變化曲線如圖3所示。

由圖3可看出，既有橋梁頂板和底板應力的增長主要集中在施工步驟前部分中。該部分主要是下部結構中樁基礎和墩柱的建設，其中樁基礎的鉆孔和墩柱澆筑施工（第4～7施工步驟）會造成既有橋梁下部結構（樁基礎、墩柱）發生沉降，進而致使已有橋梁頂板和底板應力大幅度增加。

圖1既有橋梁樁體沉降、傾斜監測變形

對比分析來看，底板的應力變化相對于頂板較大，在第8～10施工階段，即寬幅鋼箱梁上部結構施工完成階段達到應力最大值，頂板與底板應力值分別為4.5MPa和8.2MPa 。在后續的上部結構施工中，頂板和底板應力不會再發生變化，表明后續施工將不會對既有橋梁產生影響。

綜上所述，在寬幅鋼箱梁施工建設階段，主要影響既有橋梁穩定因素在于施工階段的下部結構部分，主要包括樁基礎的鉆孔、鋼筋布設、混凝土澆筑和墩柱結構的建設。上部結構對既有橋梁穩定影響主要集中在鋼箱梁架設施工階段。

3施工控制措施

3.1施工前期準備

3.1.1 開展全面風險評估

本項目施工前，對既有混凝土箱梁進行了詳細的結構安全評估，其承載力、使用年限和當前狀態完全符合安全施工規定范圍。同時，通過分析橋梁的脆弱點，識別潛在的施工風險，并對于老化、損壞或結構較為薄弱的橋梁，采取增加支撐的加固措施。

圖2不同施工階段振幅最值變化曲線

圖3既有橋梁頂板與底板實測應力值

3.1.2 部署監測系統

在施工之前，安裝了一套完備的結構響應監測系統。監測系統包括應變計、位移計、振動傳感器等儀器，將這些傳感器安裝在既有橋梁的橋墩、支座、橋面板等處，實時采集振動、沉降和應變等數據。上述監測設備也可應用于稍后的施工過程中對既有變截面混凝土箱梁變形、應力等方面的監測。

3.2施工過程中控制措施

3.2.1 優化施工順序與工藝

該項目施工中，根據既有變截面混凝土箱梁的實際情況，合理調整施工順序。例如，該項目選擇分階段施工法，逐步推進鋼箱梁的安裝，最大限度的減少對變截面混凝土箱梁的瞬時沖擊。

3.2.2采取減振措施

對于施工過程中可能引起較強振動的環節（如鉆孔、寬幅鋼箱梁吊裝等），采用振動衰減裝置和振動屏蔽裝置等減振措施，減小了施工振動的傳播。如在該項目中，針對既有橋梁的保護采用了沉重防護墻，針對寬幅鋼箱梁施工采用質量阻尼器等。同時，在施工設備選型上，優先選擇低振動設備，以減少對既有橋梁的影響。

3.2.3合理控制荷載傳遞

對鋼箱梁的安裝，尤其是吊裝和定位過程，嚴格控制荷載的傳遞速率和幅度。該項目采取逐步分段安裝、均衡荷載分配等施工方法，避免突然性的荷載沖擊。對于臨時支撐設施的設計，確保其能夠有效分散荷載，避免直接集中在地基上，特別是要避免荷載分布在既有橋梁的某一位置。

3.2.4動態調整施工方案

施工過程中，對既有混凝土箱梁結構不斷進行監測并實時分析數據，特別是在施工設備運行、土方作業及鋼箱梁安裝的關鍵節點。通過監測系統，能及時了解橋梁結構的變形、沉降和振動情況，確保不超出預定安全限值。

工程建設中，若發現施工擾動對橋梁的影響逐步加劇或出現異常，應及時調整施工方法或暫停施工。在該項目中，針對施工設備作業強度過大，施工中對地面產生過大振動，及時調整了施工進度。

3.3施工后的后期檢測與維護

3.3.1 施工后評估

完成施工后，該項目對已有橋梁進行安全檢查和穩定安全性的綜合評估。結果顯示，寬幅鋼箱梁施工中產生的沉降、傾斜和變形等數據在合理范圍內，由此說明施工過程中對其影響較小，運營的安全性和穩定性得到了可靠保證。

3.3.2長期監測與維護

在施工完成后的初期階段，對橋梁進行定期檢測，確保其長期穩定性。如該項目使用了結構健康監測系統，監測橋梁的運行狀態，確保其在使用過程中不會受到施工擾動的長期影響。

4結論

本文以某寬幅鋼箱梁下穿既有混凝土箱梁為工程背景，對施工中造成既有橋梁產生的樁基礎沉降、傾斜和振動以及頂板和底板應力等結構變化進行監測分析，并對該項目采用的施工控制措施進行分析。得到如下結論：

1）寬幅鋼箱梁下穿既有橋梁工程中，寬幅鋼箱梁下部結構的樁基礎鉆孔和混凝土澆筑、墩柱澆筑施工、上部結構的寬幅鋼箱梁吊裝，會致使既有橋梁出現沉降、傾斜、應力變形等現象。

2）對距施工點不同距離的樁基礎監測發現，隨著距離的增大，既有橋梁的樁基礎沉降、傾斜和振動等數據逐漸減小。

3）在上部結構的寬幅鋼箱梁吊裝完成施工后，樁基礎沉降、傾斜和振動以及樁頂板、底板應力等數據逐漸趨于穩定，即后期施工不會在對既有橋梁結構造成影響。

4）施工前進行風險評估與結構檢測，施工中優化施工工藝、采取減震措施并對既有橋梁實時監測，施工后對既有橋梁安全穩定風險進行評估，可減小寬幅鋼箱梁施工對既有橋梁在沉降、傾斜和應力等方面造成的影響。

參考文獻

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