程克玲

(1.成都市路橋工程股份有限公司， 四川 成都　610000；　2.四川道誠建設(shè)工程檢測有限責(zé)任公司， 四川 成都　610000；

3.長安大學(xué)， 陜西 西安　710064)

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大跨鋼箱梁懸索橋橋面系改造中的主梁線形監(jiān)控研究

程克玲1，2，3

(1.成都市路橋工程股份有限公司， 四川 成都610000；2.四川道誠建設(shè)工程檢測有限責(zé)任公司， 四川 成都610000；

3.長安大學(xué)， 陜西 西安710064)

摘要：近年來我國橋梁改造工程日益增多，橋梁改造完成后要保證結(jié)構(gòu)線形保持設(shè)計(jì)要求，因此必須在整個改造施工過程中對其線形進(jìn)行監(jiān)控。為了更好地了解橋面系改造施工監(jiān)控中主梁線形控制，結(jié)合某鋼箱梁懸索橋橋面系改造工程實(shí)例，在大跨鋼箱梁懸索橋施工監(jiān)控的方法、理論的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件建立了相應(yīng)的計(jì)算模型，比較了有限元模擬結(jié)果與實(shí)際施工過程中主梁線形的不同，明確了其變化規(guī)律，保證了施工監(jiān)控的順利進(jìn)行，為大跨鋼箱梁懸索橋橋面系改造工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程； 懸索橋； 橋面系； 施工監(jiān)控； 有限元模擬

0引言

隨著我國交通量日益增長，早期修建橋梁已逐漸不能適應(yīng)目前極大的交通量，橋梁改造項(xiàng)目日益增多，而橋面系改造是橋梁改造中的一個極重要的部分，橋面系改造中橋梁線形的變化會影響結(jié)構(gòu)的受力，因此需在施工過程中進(jìn)行線形控制。丁晗運(yùn)用有限元分析給出了連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中各個塊段的位移、撓度等結(jié)果，并對計(jì)算分析數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析[1]；程伊彪概述了武漢市江漢二橋維修改造工程中橋面系改造施工的各個方面[2]；孫增壽通過蒲山特大橋的施工監(jiān)控實(shí)踐，介紹了變截面鋼管混凝土桁架拱橋線形控制的原則、方法和效果[3]；李偉結(jié)合吉林臨江門大橋橋面系改造的工程實(shí)例，提出了該類斜拉橋的橋面系改造方案[4]；吳秉軍、梁智垚、范鑫等對懸索橋的施工監(jiān)控的控制參數(shù)以及施工控制技術(shù)進(jìn)行了實(shí)例研究[5-7]；張新志提出了大跨徑PC連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)以理論竣工標(biāo)高作為橋面驗(yàn)收標(biāo)高，以此對橋梁線形監(jiān)控質(zhì)量進(jìn)行評定[8]；范小春在某公鐵兩用大橋公路橋面維修加固施工過程中進(jìn)行了監(jiān)控，建立了有限元模型分析并適時(shí)調(diào)整施工方案[9]；張奇結(jié)合某橋加固改造方案，從線形控制、變形監(jiān)測與應(yīng)力監(jiān)測等方面闡述了施工監(jiān)控技術(shù)及效果[10]；顧雨輝從施工線形控制多方面闡述了蘇通大橋268 m跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的施工線形控制方法，并以實(shí)測數(shù)據(jù)證明了該方法的合理性[11]；Norio Tarada介紹了Miyakodagawa大橋的設(shè)計(jì)和施工方法，其中的施工監(jiān)控方法為本文橋面系改造的監(jiān)控方法提供了參考[12]；Anurag Jain通過有限元分析研究了大跨橋梁的耦合反應(yīng)，為施工監(jiān)控的理論數(shù)據(jù)的修正提供了理論依據(jù)[13]。

目前施工監(jiān)控的研究主要集中在新建橋梁上，舊橋改造過程中施工監(jiān)控研究的較少。大跨徑懸索橋?qū)Τ蓸蚓€形有嚴(yán)格的要求，每個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的微小變化都可能會影響整個結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配。本文通過對某大跨徑懸索橋進(jìn)行施工監(jiān)測，并不斷根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，使橋面系改造后盡可能地接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，即盡可能達(dá)到原設(shè)計(jì)的幾何線形和較為合理的內(nèi)力狀態(tài)，以保證橋梁在橋面系改造施工過程中結(jié)構(gòu)安全和改造后滿足設(shè)計(jì)要求。

1工程概況

該鋼箱梁懸索橋總跨徑為1 022 m，橋跨布置為211 m+600 m+211 m，橋?qū)挒?5.5 m(有效寬度為32.5 m)。橋面布置為雙向6車道，兩邊各設(shè)2.5 m的人行道。

圖1　原設(shè)計(jì)橫斷面布置(單位： mm)

本懸索橋至今已經(jīng)運(yùn)營近12 a，橋面鋪裝層破損較為嚴(yán)重，而且已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)使用年限。本次橋面系改造工程的設(shè)計(jì)方案為將橋面鋪裝層翻修，取消原橋中的人行道，將其改為檢修通道，將雙向6車道改為雙向8車道。本橋的公路設(shè)計(jì)等級為城市快速路，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。原橋的橫斷面布置為：4.25 m(輕軌線)+11.75 m(車行道)+0.50 m(中央分隔帶)+11.75 m(車行道)+4.25 m(輕軌線)=32.5 m，如圖1。橋面鋪裝層的改造方案：橋面鋪裝設(shè)計(jì)總厚度為75 mm，結(jié)構(gòu)組成為：2 mm防水粘結(jié)層+35 mm澆筑式瀝青混凝土(GA10)+38 mm高彈瀝青SMA10，如圖2。

圖2　大橋橋面鋪裝層改造方案

2橋面系測點(diǎn)布置

本次監(jiān)控量測橋面撓度的測點(diǎn)布置于吊索旁邊，對于雙吊索，則將測點(diǎn)布置于兩根吊桿的中間位置。本次監(jiān)控量測共布設(shè)184個測點(diǎn)。撓度點(diǎn)按以下規(guī)則進(jìn)行編號：東塔以東的上游撓度點(diǎn)的編號為“東1上”～“東17上”，而下游撓度點(diǎn)的編號為“東1下”～“東17下”；東西塔之間的上游撓度點(diǎn)的編號為“中1上”～“中58上”，下游撓度點(diǎn)的編號為“中1下”～“中58下”；西塔以西的上游撓度點(diǎn)的編號為“西1上”～“西17上”，下游撓度點(diǎn)的編號為“西1下”～“西17下”。橋面撓度點(diǎn)觀測時(shí)需進(jìn)行封橋并中斷交通，觀測期間大橋不能外加動荷載。撓度變形點(diǎn)采用Trimble DINI03電子水準(zhǔn)儀按《建筑變形測量規(guī)范》[14]的二級水準(zhǔn)精度要求進(jìn)行觀測。

橋面線形的測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3　橋面線形監(jiān)控測量測點(diǎn)布置(單位： m)

3有限元模擬分析

3.1有限元模型的建立

橋梁結(jié)構(gòu)整體受力分析采用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行建模分析，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整模型參數(shù)。

整個有限元模型共有214個節(jié)點(diǎn)和192個單元，其中單元分為98個桁架桿單元和94個梁單元。索塔和主梁采用梁單元進(jìn)行模擬，采用彈性支撐連接模擬索鞍的滑動和對纜索的支撐效應(yīng)。建模時(shí)使用到的模型參數(shù)是在理論參數(shù)基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整之后的參數(shù)。

橋塔底部和地基之間采用固結(jié)，兩個橋臺的約束條件相同，橋臺處的兩個支座分別為固定支座和活動支座，固定支座采用固結(jié)，而活動支座只約束豎向和橫向的位移，允許其他方向的轉(zhuǎn)動與位移。

本橋的有限元模型如圖4。

圖4　有限元計(jì)算模型

3.2有限元分析結(jié)果

3.2.1橋梁整體控制計(jì)算結(jié)果

橋梁施工監(jiān)控中控制線形的方法是測量得到施工時(shí)的標(biāo)高，然后與預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測的實(shí)際值和預(yù)計(jì)值相差較大時(shí)，則進(jìn)行檢查和分析，找出問題的原因并排除后才能繼續(xù)施工，這樣就能避免出現(xiàn)事故，防止造成不必要的損失。

施工控制中的線形施工誤差調(diào)整理論方法有結(jié)構(gòu)參數(shù)識別與修正法、卡爾曼濾波法、灰色系統(tǒng)法、最小二乘法和約束優(yōu)化反演法等，本文采用的是灰色系統(tǒng)法，需要有限元分析軟件計(jì)算得到預(yù)計(jì)的橋面變形值。該橋在各種活載工況作用下橋面的變形指標(biāo)控制值如表1。

表1 橋面變形控制表序號荷載工況主要變形控制值/mm邊跨L/2撓度中跨L/4撓度1人群+6車道Vmax8068102人群+6車道Vmin-928-153158車道Vmax77380368車道Vmin-883-14457橋面保留4車道Vmax5075258橋面保留4車道Vmin-566-924主要變形控制值/mm中跨L/2撓度中跨3L/4撓度邊跨L/2撓度598810806-1745-1531-928599803773-1655-1445-883389525507-1088-834-566 注:撓度向上為正,向下為負(fù)。

施工過程中的主要控制值如表2(以下計(jì)算值沒有考慮溫度影響，因此在實(shí)際控制過程中會根據(jù)實(shí)際溫度在計(jì)算模型中進(jìn)行溫度參數(shù)的修正)。

3.2.2橋梁分階段控制計(jì)算結(jié)果

橋梁在各主要施工階段中，橋面的變形指標(biāo)控制值如圖5所示(以下計(jì)算值沒有考慮溫度影響，因此在實(shí)際控制過程中會根據(jù)實(shí)際溫度在計(jì)算模型中進(jìn)行溫度參數(shù)的修正)。

表2 橋梁施工過程中控制截面主要控制值荷載工況主要控制值/mm邊跨L/2撓度中跨L/4撓度中跨L/2撓度中跨3L/4撓度邊跨L/2撓度橋面系改造全過程362607657607362 注:撓度均為絕對值。

圖5　橋面變形指標(biāo)控制值

4橋面線形監(jiān)測結(jié)果與分析

4.1概述

本次監(jiān)控量測根據(jù)方案內(nèi)容和要求，對該橋進(jìn)行了5期施工監(jiān)控測量，第1期為成橋階段(目的是獲得初始值)；第2期為橋面人行道及欄桿拆除階段(拆除后仍然放置在橋面)；第3期為人行道改造完畢后的階段；第4期為兩側(cè)7.5 m的橋面鋪裝層改造施工完畢階段；第5期為施工全部完成并通車后的第1個溫度變化季節(jié)。

4.2監(jiān)控量測結(jié)果及分析

1) 一期、二期施工監(jiān)控測量結(jié)果。

第1期測量階段的環(huán)境溫度為30.0 ℃，第2期測量階段的環(huán)境溫度為26.4 ℃，2次測量的橋面線形相對變化曲線如圖6及圖7所示。

圖6　主橋上游撓度相對變化曲線圖

圖7　主橋下游撓度相對變化曲線圖

從圖6和圖7中可以看出，由于本橋第2期比第1期溫度低，所以結(jié)構(gòu)遇冷收縮，橋面發(fā)生一定的上撓，距離跨中越近，橋面的上撓值也越大，上游的相對上撓量為89.9 mm，下游的相對上撓量為101.3 mm，上下游的撓度變化趨勢基本一致。在前后兩期溫度荷載的作用下，橋面的理論上撓值為90 mm，與實(shí)際觀測結(jié)果相差不大。因此，本次橋面線形變化的主要影響因素為溫度荷載。

2) 第3期監(jiān)控量測結(jié)果(人行道改造完畢)。

本橋的第1期階段(2013年8月9日)觀測時(shí)的環(huán)境溫度為30 ℃，本期(2013年9月29日)觀測時(shí)的環(huán)境溫度為19.0 ℃。溫度降低了11.0 ℃，同時(shí)由于人行道改為了檢修通道，橋面的二期恒載減少了0.58 t/m(兩側(cè))，因此橋梁理論變形值是受溫度降低及橋面二期恒載減少影響的。

上游橋面撓度變化實(shí)際值與理論值對比曲線如圖8所示，下游橋面撓度變化實(shí)際值與理論值對比曲線如圖9所示。

圖8　主橋上游橋面撓度變化實(shí)際值與理論值對比曲線

圖9　主橋下游橋面撓度變化實(shí)際值與理論值對比曲線

從圖8、圖9可以看出，本期觀測時(shí)，由于環(huán)境溫度降低及二期恒載減少，橋面發(fā)生了上撓，最大上撓值發(fā)生在中跨跨中處，其中上游側(cè)橋面的最大上撓值為412.0 mm(中跨25#吊桿位置)，下游側(cè)橋面的最大上撓值為411.1 mm(中跨吊桿位置)。

上游側(cè)的理論計(jì)算值為348 mm，實(shí)際變形與理論變形的差值為64 mm；下游側(cè)的理論計(jì)算值為348 mm，實(shí)際變形與理論變形的差值為63.1 mm。實(shí)測變形值與理論變形值存在一定差異主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對于溫度變化的響應(yīng)、橋面荷載實(shí)際變化值與理論計(jì)算平均取值的差異以及橋梁實(shí)際剛度與理論計(jì)算剛度的差異有關(guān)(需要說明的是實(shí)測變形值與理論變形值存在較大差異，也與本次監(jiān)控量測時(shí)橋面上有建渣未清理完畢有關(guān))，但從整體來看橋面的變形規(guī)律與理論計(jì)算相符，橋面上下游變化基本一致，說明橋梁在現(xiàn)有狀況下整體變形正常。

3) 第4期監(jiān)控量測結(jié)果(兩側(cè)7.5 m橋面鋪裝層改造施工完畢)。

本橋的第1期階段(2013年8月9日)觀測時(shí)的環(huán)境溫度為30 ℃，本期(2013年11月3日)測量時(shí)的環(huán)境溫度為15 ℃。溫度降低了15 ℃。因?yàn)闃蛎婧奢d基本沒有發(fā)生變化，因此橋梁理論變形值為溫度降低導(dǎo)致的橋面變形值。

上游側(cè)本期測試值與初始測量值對比曲線如圖10所示，下游側(cè)本期測試值與初始測量值對比曲線如圖11所示。

圖10　主橋上游側(cè)本期測試值與初始測量值對比曲線

圖11　主橋下游側(cè)本期測試值與初始測量值對比曲線

從圖10、圖11可以看出，本期觀測時(shí)，由于環(huán)境溫度降低，橋面發(fā)生了上撓，目前中跨跨中區(qū)域最大撓度與初始測量值作比較，上游側(cè)上撓了352.3 mm，下游側(cè)上撓了349.8 mm。

5結(jié)論

本文基于施工誤差調(diào)整理論方法中的灰色系統(tǒng)法，以某鋼箱梁懸索橋橋面系改造實(shí)例，進(jìn)行了橋面線形控制研究，得出的主要結(jié)論如下：

1) 由于環(huán)境溫度降低及二期恒載減少，橋面會發(fā)生向上的變形，橋面最大上撓值發(fā)生在中跨跨中附近。變形值與理論變形值存在一定差異，這與結(jié)構(gòu)對于溫度變化的響應(yīng)、橋面荷載實(shí)際變化值與理論計(jì)算平均取值的差異及橋梁實(shí)際剛度與理論計(jì)算剛度的差異有關(guān)。但從整體來看橋面變形規(guī)律與理論計(jì)算相符，說明橋梁在現(xiàn)有狀況下整體變形正常。

2) 通過計(jì)算得出了橋面系改造過程中的撓度，可用于指導(dǎo)該橋梁梁段的改造施工。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)橋梁在施工過程中嚴(yán)格控制安裝高程，橋面系改造后最終能夠達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的理想成橋線形。

3) 本橋在施工控制的過程中，主梁撓度的實(shí)測值與理論值始終存在著較高的吻合度，這表明本文所依據(jù)的理論計(jì)算分析模型能夠較好的反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，運(yùn)用所提出的施工控制方法能夠得到良好的施工控制效果，表明本文采用的施工控制方法是可行的。

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中圖分類號：U 448.25

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0082-05