王文建，成仲鵬

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州　730070)

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上行式SX64/2700型移動(dòng)支架造橋機(jī)預(yù)壓試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及分析

王文建，成仲鵬

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070)

摘要：為保證橋梁施工質(zhì)量和安全，移動(dòng)支架造橋機(jī)首次使用前必須進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。以西成客運(yùn)專線漢江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹上行式SX64/2700型移動(dòng)支架造橋機(jī)預(yù)壓試驗(yàn)的有限元分析、測(cè)點(diǎn)布置、監(jiān)測(cè)方法及頻次。通過(guò)對(duì)預(yù)壓過(guò)程的監(jiān)測(cè)和對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算出了彈性變形和非彈性變形，取得了應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證明上行式SX64/2700型移動(dòng)支架造橋機(jī)完全能夠滿足該橋的施工要求。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)支架造橋機(jī)；預(yù)壓試驗(yàn)；監(jiān)測(cè)；節(jié)段拼裝；撓度；應(yīng)力

利用專用移動(dòng)支架造橋機(jī)建造預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁是在造橋機(jī)的腹內(nèi)組拼預(yù)制梁段，墩頂原位張拉，采用先“化整為零”后“集零為整”的一種施工方法。移動(dòng)支架造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝施工，不受整孔梁運(yùn)輸設(shè)備和運(yùn)輸通道的限制，更加易于控制幾何線形，工程質(zhì)量和進(jìn)度能得到更好的保證。利用移動(dòng)支架造橋機(jī)節(jié)段預(yù)制拼裝施工已成為當(dāng)前大中跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的主要施工方法之一[1-2]。

1工程概況

1.1橋梁概況

西成客運(yùn)專線漢中漢江特大橋位于陜西省漢中市漢臺(tái)區(qū)與南鄭縣交接處，橫跨漢江。全橋位于直線及R=8 000 m的曲線上，孔跨布置為：24 m簡(jiǎn)支梁11孔、32 m簡(jiǎn)支梁117孔、64 m簡(jiǎn)支梁12孔，橋梁全長(zhǎng)4 908.24 m。跨越漢江主河槽采用12孔64 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，跨越94號(hào)～106號(hào)橋墩，采用上行式SX64/2700型移動(dòng)支架造橋機(jī)施工(以下簡(jiǎn)稱造橋機(jī))。

64 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)直箱梁梁體為單箱單室、等高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.20 m，箱梁底寬6.7 m，頂板厚度40～70 cm，底板厚度35～80 cm，腹板厚度50～100 cm，均按照直線線性變化。單孔64 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁施工時(shí)分為15個(gè)節(jié)段。

1.2造橋機(jī)概況

圖1　上行式SX64/2700型移動(dòng)支架造橋機(jī)構(gòu)造(單位：mm)

造橋機(jī)總長(zhǎng)154.8 m，主要由主梁、導(dǎo)梁、后尾梁、回轉(zhuǎn)天車、前支腿、中支腿、后支腿、運(yùn)梁車、懸吊系統(tǒng)、后支點(diǎn)小車等組成。主梁全長(zhǎng)68.8 m、高9 m、寬11.8 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)4.8 m，為上下封口型閉合結(jié)構(gòu)。其額定載重能力可達(dá)2 700 t。造橋機(jī)構(gòu)造如圖1所示。進(jìn)行梁段拼接施工時(shí)，先將造橋機(jī)在首跨兩橋墩之間原位拼裝，再將從制梁場(chǎng)運(yùn)輸來(lái)的預(yù)制梁段通過(guò)跨墩大龍門(mén)吊提升到輪胎式運(yùn)梁車上，運(yùn)梁車自行到造橋機(jī)尾部，再由回轉(zhuǎn)天車提升梁段運(yùn)至指定位置，旋轉(zhuǎn)天車通過(guò)下降、旋轉(zhuǎn)、縱移將節(jié)段預(yù)制箱梁按一定的順序擺放懸掛在懸吊系統(tǒng)上，通過(guò)縱向、橫向和豎向的調(diào)整逐個(gè)調(diào)整就位，然后經(jīng)過(guò)穿鋼絞線、綁扎鋼筋、立模板、澆筑濕接縫混凝土等多道工序，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后進(jìn)行張拉、壓漿及封端等工作，完成整孔梁的施工[3]。再將造橋機(jī)拖拉過(guò)孔至下一跨橋墩位置繼續(xù)施工直至全橋施工完畢。

2造橋機(jī)預(yù)壓

2.1預(yù)壓重力的確定

移動(dòng)支架首次拼架梁體前應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓，以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，消除其非彈性變形，觀測(cè)結(jié)構(gòu)各控制截面的彈性變形及主要桿件的應(yīng)力。根據(jù)要求，預(yù)壓荷載取施工過(guò)程中最不利狀態(tài)荷載的1.1倍[4]。施工過(guò)程中的最不利狀態(tài)，即64 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁濕接縫澆筑完畢，預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉之前狀態(tài)進(jìn)行考慮[5]。經(jīng)計(jì)算，預(yù)壓重力確定為24 570 kN(由于1號(hào)和15號(hào)節(jié)段直接支撐于橋墩上，不計(jì)其重力)。

2.2有限元模型

利用MIDAS軟件按照主桁的實(shí)際尺寸與桿件截面建立主桁架有限元模型并進(jìn)行分析。建模單元均為梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)均為剛性連接，造橋機(jī)為靜定結(jié)構(gòu)。移動(dòng)支架主梁受到的總荷載包括桁架自重、預(yù)制節(jié)段及濕接縫重力、懸吊系統(tǒng)重力、天車及附屬構(gòu)件重力以及混凝土施工荷載等。由于造橋機(jī)跨度較大建模時(shí)支腿對(duì)主桁桿件的應(yīng)力及變形影響不大，因此，主桁架支腿處約束直接設(shè)置成支座，主桁架計(jì)算模型如圖2所示。

圖2主桁架計(jì)算模型

2.3加載方案

在造橋機(jī)拼裝完成之后，首先吊裝梁體作為首批預(yù)壓荷載。梁體吊裝完之后，再采用水袋加載，最后回轉(zhuǎn)天車在跨中懸吊一梁段以達(dá)到預(yù)壓荷載要求。

預(yù)壓試驗(yàn)程序與步驟：移動(dòng)支架造橋機(jī)就位—全面檢查支架—布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)—采集初值—分級(jí)加載—數(shù)據(jù)采集—靜置終值—全面檢查監(jiān)測(cè)—分級(jí)卸載—數(shù)據(jù)采集—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析[6]。

由于該橋預(yù)壓采用預(yù)制箱梁，提梁時(shí)，梁體混凝土強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，梁段通過(guò)跨墩大龍門(mén)吊提升到喂梁平臺(tái)上，再由回轉(zhuǎn)天車提升梁段運(yùn)至指定位置，回轉(zhuǎn)天車通過(guò)下降、旋轉(zhuǎn)、縱移將節(jié)段預(yù)制箱梁按順序擺放懸掛在懸吊系統(tǒng)上，節(jié)段吊裝時(shí)從兩端向中間對(duì)稱進(jìn)行。

首批預(yù)壓荷載施加完畢后，將梁段頂面的雜物清掃干凈，水袋鋪設(shè)在梁段上。將水泵、水袋用水管連接起來(lái)，水泵置于河中，以方便抽水。水袋加載時(shí)采用2臺(tái)水泵同時(shí)從兩邊水袋往中間水袋注水加載。水袋重力通過(guò)注水時(shí)間進(jìn)行控制。梁段上水袋加載時(shí)盡可能使4根吊桿受力均勻。移動(dòng)支架水袋加載示意如圖3所示。

圖3　移動(dòng)支架水袋加載

2.4預(yù)壓監(jiān)測(cè)

2.4.1監(jiān)測(cè)目的

(1)通過(guò)對(duì)預(yù)壓過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證預(yù)壓試驗(yàn)的安全；

(2)對(duì)造橋機(jī)在64 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁施工中的使用能力及安全性進(jìn)行測(cè)試；

(3)對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中影響安全性的重要特征參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為設(shè)備安全運(yùn)行及再制造提供基礎(chǔ)資料；

(4)積累造橋機(jī)的工作經(jīng)驗(yàn)，為今后施工中的安全使用提供科學(xué)依據(jù)。

2.4.2監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)該造橋機(jī)在預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：

(1)造橋機(jī)控制截面撓度；

(2)造橋機(jī)主要控制桿件的應(yīng)力。

2.4.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(1)撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)

①撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在最能反映變形特征且便于觀測(cè)的位置，要求移動(dòng)支架上設(shè)置的變形觀測(cè)點(diǎn)均勻分布，能夠反映支架預(yù)壓期間的撓度變化規(guī)律。據(jù)此造橋機(jī)沿縱向布置9個(gè)監(jiān)測(cè)截面，主桁支點(diǎn)各1個(gè)共2個(gè)斷面，跨中1個(gè)斷面，其余4個(gè)斷面位于1/8跨、1/4跨和3/8跨處，左右對(duì)稱。從后支腿到中支腿依次標(biāo)號(hào)Ⅰ-Ⅰ到Ⅸ-Ⅸ截面，如圖4所示。

圖4　撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向布置

②每個(gè)撓度監(jiān)測(cè)斷面上設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于造橋機(jī)橫斷面的上下游外側(cè)主桁下弦桿位置(采用粘貼反光膜的方法)，共計(jì)18個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。上游測(cè)點(diǎn)以1表示，下游測(cè)點(diǎn)以2表示。由此可以得出后支腿上游側(cè)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為Ⅰ-1，依次類推。

圖5　撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向布置

③由于支架預(yù)壓變形較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，撓度監(jiān)測(cè)采用徠卡TS06全站儀[7]。

(2)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

①造橋機(jī)主桁架主要由弦桿，豎桿、斜桿組成。通過(guò)有限元模型對(duì)主桁架進(jìn)行分析，確定出在施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響較大的關(guān)鍵桿件，進(jìn)行應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置。造橋機(jī)沿縱向共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)截面，依次編號(hào)為A-A到F-F截面，如圖6所示。

圖6　應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向布置

②因造橋機(jī)主桁架桿件橫斷面均為H形斷面，主桁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在腹板中心線上(測(cè)點(diǎn)盡量布置在桿件1/2位置，距離節(jié)點(diǎn)板500 mm以上)，如圖7所示。主桁架共布置計(jì)30個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。從上游到下游4片主桁分別編號(hào)1、2、3、4。對(duì)于不同桿件編號(hào)，上弦桿為1，下弦桿為2，豎桿為3，斜桿為4。由此可以得出跨中截面上游側(cè)主桁上弦桿對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)為D-1-1，依次類推。

圖7　主桁桿件應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

③造橋機(jī)中支腿和后支腿各布置4個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，限于篇幅不做詳細(xì)介紹。

④為保證在較長(zhǎng)的施工周期內(nèi)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性，應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變計(jì)及其采集系統(tǒng)。

2.4.4監(jiān)測(cè)方法及頻次

加載過(guò)程監(jiān)測(cè)。當(dāng)造橋機(jī)拼裝完成拖拉到位后，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)、布線。一切測(cè)試準(zhǔn)備工作完成后，采集各測(cè)點(diǎn)初讀數(shù)并做好記錄。加載過(guò)程中，盡量保證架橋機(jī)的受力與實(shí)際拼裝架設(shè)時(shí)一致。每級(jí)加載需持續(xù)一段時(shí)間后，待變形穩(wěn)定后才能進(jìn)行下一級(jí)加載，持荷時(shí)間根據(jù)監(jiān)測(cè)變形穩(wěn)定值進(jìn)行控制。未采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能加載下一級(jí)荷載。每完成一級(jí)加載應(yīng)同時(shí)對(duì)造橋機(jī)進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即停止加載，及時(shí)分析，采取相應(yīng)措施后才可繼續(xù)加載， 以免出現(xiàn)重大安全事故[8]。

加載完成時(shí)需對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，采用連續(xù)觀測(cè)方法，兩次觀測(cè)時(shí)間間隔6h。加載完成后當(dāng)兩次差值小于2 mm(不含測(cè)量誤差)時(shí)，表明移動(dòng)支架撓度和彈性變形已基本到位，可以進(jìn)行卸載，否則還需荷載持續(xù)，直至差值小于2 mm[9]。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)造橋機(jī)在預(yù)壓過(guò)程中的工作狀態(tài)，保證預(yù)壓的安全，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，加載過(guò)程監(jiān)測(cè)工況為：吊裝完成7個(gè)節(jié)段、吊裝完成11個(gè)節(jié)段、吊裝完成全部節(jié)段、梁段擺放水袋重力1/2、梁段擺放全部水袋重力、回轉(zhuǎn)天車懸吊梁段于跨中。

卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)。卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)是預(yù)壓的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)各級(jí)荷載的卸載監(jiān)測(cè)，可推算出移動(dòng)支架在各級(jí)荷載作用下的彈性變形量與殘余變形量，卸載監(jiān)測(cè)過(guò)程與加載監(jiān)測(cè)過(guò)程相反，卸載監(jiān)測(cè)工況包括：懸吊梁段卸下(回轉(zhuǎn)天車停到后支腿位置)、水袋卸載、全部卸載造橋機(jī)脫空。

卸載時(shí)每完成一級(jí)卸載均待觀測(cè)完成，做好記錄再卸下一級(jí)荷載。全部卸載之后也需要進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)過(guò)程貫穿于造橋機(jī)預(yù)壓全過(guò)程，在此過(guò)程要統(tǒng)一協(xié)調(diào)，統(tǒng)一指揮。

3數(shù)據(jù)分析

3.1理論計(jì)算

根據(jù)有限元模型計(jì)算，主桁架在預(yù)壓荷載作用下最大靜撓度為99 mm，位于跨中位置；主桁架跨中截面上弦桿壓應(yīng)力最大值為151.12 MPa，下弦桿拉應(yīng)力最大值為132.52 MPa，均小于Q345鋼材的抗拉、壓允許應(yīng)力[σ]=200 MPa[10]。

3.2撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

卸載完成后，整理加載和卸載過(guò)程中收集得到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列于表1，限于篇幅表1僅列出下游側(cè)主桁幾個(gè)主要工況的撓度數(shù)據(jù)。其他工況及上游側(cè)主桁撓度數(shù)據(jù)略(上游側(cè)主桁實(shí)測(cè)變形略小于下游側(cè)主桁，最大差值為8 mm)。

預(yù)壓荷載作用下，主桁彈性撓度值和理論值及其校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表2，圖8為撓度理論值與實(shí)測(cè)值的比較。

表1　移動(dòng)支架撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)　mm

注：表中數(shù)據(jù)已扣除由于橋墩和支腿彈性變形而引起的造橋機(jī)整體下?lián)稀?/p>

表2　主桁彈性撓度值和理論值及其校驗(yàn)系數(shù)(η)

圖8　移動(dòng)支架主桁架變形

從表1、表2和圖8可以得出如下結(jié)論。

(1)本次預(yù)壓試驗(yàn)主桁架最大實(shí)測(cè)撓度為145 mm，撓跨比在規(guī)范[11]允許的范圍內(nèi)，主桁架剛度滿足要求。

(2)主桁架最大非彈性變形為42 mm，最大彈性變形為103 mm，均發(fā)生在跨中截面位置。

(3)主桁架實(shí)測(cè)彈性撓度比理論撓值略大。主要原因：一是移動(dòng)支架拼裝時(shí)，受加工精度和螺栓緊固程度影響，各構(gòu)件未能很緊密地連接造成銷孔撓度偏大；二是實(shí)際加載情況與理論模擬之間存在差異。

(4)整個(gè)預(yù)壓加卸載過(guò)程各測(cè)點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)異常的彈性撓度突變，變形規(guī)律和理論相符，說(shuō)明結(jié)構(gòu)始終處于安全工作狀態(tài)。

3.3應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

為了分析、評(píng)定移動(dòng)支架系統(tǒng)的工作狀況，確定系統(tǒng)的安全儲(chǔ)備，對(duì)移動(dòng)支架系統(tǒng)各部位的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)η進(jìn)行計(jì)算[12]。部分受力較大桿件主要工況計(jì)算結(jié)果如表3所列。

從表3可以得出如下結(jié)論。

(1)上弦桿實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為138.4 MPa，下弦桿實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為118 MPa，豎桿實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為90.2 MPa，斜桿實(shí)測(cè)最大應(yīng)力為111.9 MPa，均小于許用應(yīng)力200 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

表3　部分桿件應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及校驗(yàn)系數(shù)

注：“-”表示受壓。

(2)移動(dòng)支架系統(tǒng)各部位結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于等于1，說(shuō)明理論計(jì)算偏于安全[13]。結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備.系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。

(3)造橋機(jī)各部分構(gòu)件在預(yù)壓過(guò)程中均處在彈性范圍內(nèi)工作，主要桿件應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值基本吻合。

4結(jié)語(yǔ)

(1)在造橋機(jī)達(dá)到預(yù)壓荷載時(shí)，移動(dòng)支架主桁架的實(shí)測(cè)應(yīng)力值、實(shí)測(cè)彈性撓度值均與理論計(jì)算值較吻合。

(2)預(yù)壓試驗(yàn)和有限元理論分析表明，造橋機(jī)主桁架強(qiáng)度和剛度均滿足要求，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。

(3)造橋機(jī)的預(yù)壓監(jiān)測(cè)達(dá)到了預(yù)期的效果，支架非彈性變形和彈性變形數(shù)據(jù)為64 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁的施工預(yù)拱度設(shè)置提供了依據(jù)。

(4)上行式SX64/2700型移動(dòng)支架造橋機(jī)完全能夠滿足64 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁橋的施工要求。

由于移動(dòng)支架的非彈性變形在預(yù)壓試驗(yàn)后基本可以消除，因此在接下來(lái)各跨的梁體施工中，不再需要進(jìn)行預(yù)壓，但由于鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中存在疲勞變形，故在施工過(guò)程中還需要加強(qiáng)移動(dòng)支架本身的變形觀測(cè)，從而確保橋梁的施工安全和成橋線形。

本文介紹的移動(dòng)支架造橋機(jī)預(yù)壓試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)方法，在預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁橋移動(dòng)支架施工中證明有效可行，對(duì)今后移動(dòng)支架造橋機(jī)的預(yù)壓試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)具有借鑒意義。

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Monitoring and Analysis of Pre-compaction Tests with Up-going SX64/2700 Movable-supported Bridge-building Machine

WANG Wen-jian， CHENG Zhong-peng

(School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Abstract：In order to ensure the bridge construction quality and safety， pre-compaction tests must be conducted before first use of movable-supported bridge-building equipment. Based on Hanjiang extra-long bridge on Xi’an-Chengdu passenger dedicated line， this paper introduces the finite element analysis the arrangement of measuring points， monitoring method and frequencies of the pre-compaction tests conducted with up-going SX64/2700 movable-supported bridge-building machine. The elastic deformation and inelastic deformation are calculated and the stress testing data are obtained by means of monitoring the procedure of pre-compaction and analyzing the monitoring data， which demonstrates that the up-going SX64/2700 movable-supported bridge-building machine meets the construction requirements of this bridge.

Key words：Movable-supported bridge-building machine; Pre-compaction tests; Monitoring; Segmental assembly; Deflection; Stress

中圖分類號(hào)：U445.46； U446.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.018

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0067-05

作者簡(jiǎn)介：王文建(1991—),男，碩士研究生，E-mail：wwj.win.123@qq.com。

收稿日期：2014-08-09； 修回日期：2014-08-30