陳偉庚

(中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 深圳工程建設(shè)指揮部，廣東 深圳 518000)

橋梁頂推施工法具有對(duì)施工場地要求低、不需要借助支架及大型施工機(jī)械、施工過程不影響交通、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此適用于跨越既有線路的橋梁施工。經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，頂推施工工藝已日趨成熟[2-3]，但由于在頂推施工過程中，主梁的受力遠(yuǎn)較常規(guī)施工方法復(fù)雜，體系轉(zhuǎn)換頻繁，橋梁各施工階段的結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、內(nèi)力、變形都在不斷變化。因此，對(duì)整個(gè)頂推施工過程進(jìn)行監(jiān)控，清楚地掌握結(jié)構(gòu)在整個(gè)頂推施工過程中的受力、變形情況，對(duì)保證工程質(zhì)量和施工安全有重要意義[4-6]。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁頂推施工，應(yīng)從梁體澆筑階段的預(yù)應(yīng)力張拉開始直到頂推就位落梁進(jìn)行全過程的施工監(jiān)測，以控制結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)[7]。

本文基于一預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨既有鐵路營業(yè)線頂推施工，針對(duì)工程特點(diǎn)制定監(jiān)測方案。通過對(duì)梁體預(yù)應(yīng)力張拉階段、頂舉及試頂推階段、頂推階段、落梁階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂推施工各階段的控制。

1 工程概況

一鐵路橋梁需要上跨既有高速鐵路客運(yùn)專線施工，橋梁設(shè)計(jì)跨徑組合為(48.3+48.3)m，梁體為單箱單室、等高度、變截面箱梁，梁高4.0 m，箱梁頂板寬7.6 m，箱底寬4.6 m，下部結(jié)構(gòu)為實(shí)體橋墩。為減小施工對(duì)運(yùn)營線的影響，橋梁采用鄰孔澆筑頂推就位的方式施工。設(shè)置30.6 m長鋼導(dǎo)梁，其中嵌入混凝土內(nèi)部長度為2.6 m。

箱梁安裝采用18點(diǎn)步履式頂推方式，通過頂推豎向千斤頂抬高箱梁，通過水平千斤頂推進(jìn)箱梁向前移動(dòng)，頂推過程中進(jìn)行方向控制及糾偏。由于連續(xù)梁位于半徑800 m的曲線上，所以頂推過程走行軌跡是一條全長124.6 m、半徑800 m的圓曲線。若按直線行走將偏離橋梁中心很遠(yuǎn)，因此施工過程中采用階段性走切線的方式。

2 箱梁頂推施工監(jiān)測方案

橋梁在預(yù)制及頂推過程中結(jié)構(gòu)體系不斷轉(zhuǎn)換，正負(fù)彎矩交替出現(xiàn)，每個(gè)截面內(nèi)力不斷變化，梁體受力復(fù)雜；每個(gè)頂推階段結(jié)束后，主梁可能會(huì)發(fā)生豎向及橫向變形，線形控制十分重要；頂推過程中各墩除承受豎向壓力外，還承受主梁和墩柱間摩擦力與頂推反力架的反力作用，應(yīng)綜合該橋的施工特點(diǎn)，制定各施工階段的監(jiān)測方案。主要監(jiān)測內(nèi)容如圖1所示。

圖1 箱梁頂推施工監(jiān)測內(nèi)容

2.1 箱梁頂推施工前監(jiān)測

1)開展管道摩阻測試，確保預(yù)應(yīng)力度，可對(duì)張拉力進(jìn)行修正，并對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉過程中重要的參考指標(biāo)伸長量進(jìn)行修正，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

2)在預(yù)應(yīng)力張拉過程中監(jiān)測結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面應(yīng)力及梁體線形，以控制梁體在預(yù)應(yīng)力張拉前后線形變化，便于對(duì)梁體剛度進(jìn)行評(píng)定。

3)為把握梁體靜置階段在收縮徐變作用下的線形及關(guān)鍵截面應(yīng)變變化，開展監(jiān)測工作。

4)為確保頂推過程中關(guān)鍵構(gòu)件安全可控，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)鋼導(dǎo)梁及其與主梁結(jié)合部位開展專項(xiàng)受力驗(yàn)證。

2.2 箱梁頂推施工過程監(jiān)測

1)梁體關(guān)鍵截面應(yīng)力及線形監(jiān)測

頂推過程中梁體關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測主要在于把握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，避免因頂推過程中支點(diǎn)支撐狀態(tài)的過大改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測主要包括主梁跨中、墩頂截面以及頂推過程中控制截面監(jiān)測。主要應(yīng)力測試截面如圖2所示，主梁、鋼導(dǎo)梁截面均設(shè)置外貼應(yīng)力測點(diǎn)，C,F,H截面處設(shè)置內(nèi)埋應(yīng)力測點(diǎn)，墩柱截面設(shè)置外貼應(yīng)力測點(diǎn)。

圖2 應(yīng)力測試截面(單位：cm)

梁體線形監(jiān)測主要包括主梁四分點(diǎn)豎向變形監(jiān)測，以便通過梁體線形變化把握結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。線形及空間變位測點(diǎn)布置如圖3所示。線形測點(diǎn)主要布置在混凝土梁四分點(diǎn)以及鋼導(dǎo)梁梁端，空間變位測點(diǎn)布置在混凝土梁二分點(diǎn)、鋼導(dǎo)梁梁端以及各墩柱墩頂。

圖3 線形及空間變位測點(diǎn)(單位：cm)

2)導(dǎo)梁關(guān)鍵截面應(yīng)力及線形監(jiān)測

關(guān)鍵截面主要是指鋼導(dǎo)梁根部及鋼導(dǎo)梁-混凝土梁結(jié)合部位。

3)墩柱空間變位監(jiān)測

頂推過程中各墩除承受豎向壓力外，還承受主梁底板下緣與墩頂間摩擦產(chǎn)生的水平推力與頂推反力架的反力作用，因此有必要對(duì)頂推過程中墩柱空間變位進(jìn)行監(jiān)測。

4)梁體及導(dǎo)梁空間幾何形態(tài)監(jiān)測

主要跟蹤梁體、導(dǎo)梁在頂推過程中空間位移的變化，以便判定結(jié)構(gòu)空間位置是否處于合理范圍之內(nèi)，對(duì)于出現(xiàn)的異常偏位現(xiàn)象采用糾偏的方式及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。梁體監(jiān)測點(diǎn)主要包括梁體墩頂、導(dǎo)梁端測點(diǎn)。

5)頂升力跟蹤監(jiān)測

通過頂推控制設(shè)備監(jiān)測頂推過程中千斤頂頂力的變化，用于評(píng)定頂推過程中頂升力分配的均勻性。

2.3 落梁階段監(jiān)測

落梁階段對(duì)梁體關(guān)鍵截面受力及支座反力進(jìn)行監(jiān)測。梁體頂推就位后需拆除臨時(shí)支撐，安放永久支座，落梁，為避免梁體恒載受力狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)要求，需對(duì)頂升、落梁前后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化，對(duì)于結(jié)構(gòu)恒載受力偏離設(shè)計(jì)要求的工況，可通過調(diào)整支座反力的方式予以改善。

2.4 監(jiān)測方法

1)應(yīng)力監(jiān)測方法

頂推過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測采用無線分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)涉及到施工建造過程中的構(gòu)件應(yīng)力、頂升力、溫度監(jiān)控、位移構(gòu)建數(shù)據(jù)無線傳輸與采集控制平臺(tái)，可以適應(yīng)頂推過程中梁體空間位置不斷變化、對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要求高的特點(diǎn)，確保能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)地采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2)頂升力監(jiān)測方法

滑箱、頂升系統(tǒng)、水平頂推系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)及相關(guān)構(gòu)件組成頂推單元，多個(gè)頂推單元連接智能泵站后組成步履式頂推系統(tǒng)，多個(gè)頂推系統(tǒng)聯(lián)接主控臺(tái)后組成一套多頂同步步履式頂推系統(tǒng)，在總控臺(tái)顯示每個(gè)千斤頂?shù)捻斏Α?/p>

3)梁體及墩柱空間變位監(jiān)測方法

梁體及墩柱空間變位采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，于結(jié)構(gòu)監(jiān)測部位布設(shè)棱鏡，采用全站儀人工測讀的方式跟蹤梁體及墩柱的空間變位工況，根據(jù)梁體成橋后的軸線方向建立局部坐標(biāo)系，在頂推過程中跟蹤監(jiān)測梁體空間(主要為橫向)變位狀況。

4)梁體及鋼導(dǎo)梁豎向變形監(jiān)測方法

梁體及鋼導(dǎo)梁豎向變形采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，于結(jié)構(gòu)監(jiān)測部位布設(shè)棱鏡，于關(guān)鍵工況測試梁體及導(dǎo)梁的豎向變形狀況。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 梁體預(yù)應(yīng)力張拉效果監(jiān)測

在預(yù)應(yīng)力張拉過程中關(guān)鍵截面(A,C,D)上下緣實(shí)測應(yīng)力響應(yīng)與理論計(jì)算變化規(guī)律在張拉完下緣預(yù)應(yīng)力之后基本一致，數(shù)值基本吻合，截面軸向壓應(yīng)力數(shù)值較為接近。在張拉下緣預(yù)應(yīng)力期間，推斷由于梁體底部支架未拆除以及測量過程中溫度的變化，導(dǎo)致理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力存在一定的偏差，預(yù)應(yīng)力張拉效果總體滿足設(shè)計(jì)要求。以A截面為例，各應(yīng)力張拉工況對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值與監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為各預(yù)應(yīng)力鋼束編號(hào)及相應(yīng)張拉應(yīng)力。

圖4 A截面上下緣預(yù)應(yīng)力張拉過程中應(yīng)力變化

預(yù)應(yīng)力張拉階段，圖3中所示的9個(gè)梁體線形測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果與理論響應(yīng)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力分階段梁體變形

圖5表明：在預(yù)應(yīng)力張拉過程中梁體實(shí)測變形與理論計(jì)算值變化規(guī)律有一定差別，變形數(shù)值與理論計(jì)算值相差較大。這與張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)梁體底部模板未拆除，梁體的支撐剛度不確定，張拉過程時(shí)間較長以及溫度變化較大有關(guān)系。從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果看，梁體整體下?lián)?。這是由于頂推前主要張拉梁體上緣的預(yù)應(yīng)力，而梁底支撐的是貝雷架，剛度相對(duì)較小。從應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果看，預(yù)應(yīng)力張拉效果總體滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 頂舉與試頂推監(jiān)測

3.2.1 稱重試驗(yàn)

通過梁體頂舉試驗(yàn)對(duì)全橋進(jìn)行稱重，得到梁體實(shí)際的總重，同時(shí)得到各個(gè)支反力的數(shù)值，為后續(xù)頂推提供初始狀態(tài)。通過各墩上共12個(gè)千斤頂同步頂升，保持梁體處于頂升狀態(tài)，將千斤頂油壓換算成壓力值。3次平均梁重 2 379.48 kN；摩擦因數(shù) 0.025 4；動(dòng)靜摩擦因數(shù)與施工方案一致，全橋水平頂推力約600 kN，滿足頂舉、推進(jìn)、糾偏各工況設(shè)備要求。

3.2.2 試頂推試驗(yàn)

通過試頂推試驗(yàn)測試頂推過程中的摩擦因數(shù)，驗(yàn)證各個(gè)監(jiān)控環(huán)節(jié)，為后續(xù)頂推提供依據(jù)。頂推過程中根據(jù)豎向頂壓力以及縱向頂推力可以判斷千斤頂在滑箱內(nèi)的摩擦力大小，在43#墩接收前梁體前端達(dá)到最大懸臂，根據(jù)此時(shí)梁體所受應(yīng)力大小判斷后續(xù)梁體前端到達(dá)44#墩接收前最大懸臂狀態(tài)梁體應(yīng)力狀況。實(shí)測最大懸臂狀態(tài)梁體最大撓度為42.1 mm，導(dǎo)梁下?lián)现禐?55.1 mm，理論計(jì)算得梁體最大撓度為51.1 mm，導(dǎo)梁下?lián)现禐?58.6 mm。最大懸臂工況梁體及導(dǎo)梁實(shí)測撓度與理論計(jì)算較符合。頂舉與試頂推過程包括以下5個(gè)工況：頂舉、落梁、頂程1.3 m頂起、頂程1.3 m到位、43#墩接收。各工況下控制截面F,G,I實(shí)測應(yīng)力變化見圖6，可知其與理論計(jì)算值較吻合。

圖6 頂舉與試頂推試驗(yàn)應(yīng)變實(shí)測值

3.3 頂推階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

對(duì)各測試截面在頂推過程中的應(yīng)力變化進(jìn)行了監(jiān)測，典型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面A截面實(shí)測與理論應(yīng)變變化見圖7。

圖7 A截面上下緣應(yīng)變隨行程變化曲線

由圖7可知：①預(yù)應(yīng)力混凝土梁A～H截面在頂推過程中上下緣實(shí)測應(yīng)變均處于結(jié)構(gòu)受力安全范圍之內(nèi)，其中A～G截面實(shí)測受力規(guī)律及變形趨勢與理論計(jì)算基本一致，但截面左右側(cè)腹板受力呈現(xiàn)一定的不均勻性。左右側(cè)受力不均勻主要由梁底千斤頂頂力不均勻造成，同步頂升過程中很難準(zhǔn)確控制位移，預(yù)應(yīng)力混凝土梁剛度大，不均勻位移會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力，另一方面由于頂推時(shí)間跨度長，溫度變化顯著，溫度補(bǔ)償并不能完全消除溫度變化引起的應(yīng)力變化，使得梁體實(shí)際受力狀態(tài)偏離了理論計(jì)算值。②鋼導(dǎo)梁截面在頂推過程中左右側(cè)鋼導(dǎo)梁受力整體趨勢一致，但頂推過程中左右側(cè)鋼導(dǎo)梁受力存在一定的不同步性，主要與左右側(cè)支撐力不均有關(guān)。頂推過程中，實(shí)測鋼導(dǎo)梁下緣最大拉應(yīng)變?yōu)?47×10-6，換算鋼材應(yīng)力為173 MPa，發(fā)生在44#墩支承于鋼導(dǎo)梁中部，大于鋼導(dǎo)梁試驗(yàn)時(shí)的146.5 MPa，但小于鋼材的抗拉強(qiáng)度270 MPa。③在頂推過程中，各實(shí)測應(yīng)變均在安全受力范圍之內(nèi)。

3.4 落梁階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測

臨時(shí)支撐安裝完畢后，外側(cè)落梁支撐千斤頂回油，臨時(shí)支撐承擔(dān)梁體重量，墩上操作人員根據(jù)梁體下落高度將落梁支撐上層墊塊更換成不同厚度組合鋼墊板；然后千斤頂加壓將梁體頂升，使梁體脫離臨時(shí)支撐，墩上操作人員拆除臨時(shí)支撐上層墊塊更換成不同厚度組合鋼墊板，最后將落梁千斤頂回油，使梁體回落至臨時(shí)支撐上，一個(gè)落梁循環(huán)結(jié)束。落梁階段共持續(xù)230 min，落梁階段梁體關(guān)鍵截面應(yīng)變變化曲線見圖8。

圖8 落梁階段梁體關(guān)鍵截面應(yīng)變變化曲線

由圖8可知：在落梁過程中梁體由于頂起與落下的循環(huán)受到了反復(fù)的應(yīng)力變化，但應(yīng)力較小。落梁到位后，梁體累計(jì)應(yīng)變最大為7×10-6，可見落梁過程中梁體未產(chǎn)生內(nèi)力。

3.5 橫向偏位監(jiān)測

梁體推進(jìn)軌跡位于半徑為800 m的圓曲線上，如不加強(qiáng)頂推軸線過程控制，形成較大偏差，將在糾偏上存在很大難度，同時(shí)增加安全風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際頂推過程中，梁體空間變位采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，于頂推現(xiàn)場附近高樓布設(shè)測站，在頂推過程中原則上按每頂進(jìn)2 m(5個(gè)行程)進(jìn)行一次梁體空間變位的監(jiān)測，在關(guān)鍵位置適當(dāng)加密測量。整個(gè)頂推過程為曲線頂推，通過靠近圓心側(cè)糾偏千斤頂回程(按弦差比例同步位移控制)，外側(cè)糾偏頂按比例頂進(jìn)且約束。關(guān)鍵測點(diǎn)平面位置在施工平面坐標(biāo)系中的變化見圖9。

圖9 關(guān)鍵測點(diǎn)平面位置變化

由圖9可知：與設(shè)計(jì)相比，在頂推過程中梁體雖然存在一定的偏位，但基本按照設(shè)計(jì)軌跡以曲線的路徑行走，每5個(gè)行程進(jìn)行一次平面位置監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整水平糾偏頂?shù)膮?shù)，在隨后幾個(gè)行程里逐漸調(diào)整梁體的偏位。梁體最大的糾偏位移為4.6 cm，頂推就位后，梁端中線偏差0.1 cm，梁中中線偏差0.3 cm，梁尾中線偏差0.3 cm。

4 結(jié)論

1)預(yù)應(yīng)力張拉階段梁體張拉效果滿足設(shè)計(jì)要求。

2)頂舉與試頂推階段頂推系統(tǒng)工作正常，受力狀態(tài)與計(jì)算值吻合良好。

3)頂推階段梁體和導(dǎo)梁左右側(cè)受力存在一定的不均勻性，但均在安全范圍之內(nèi)，此外通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)梁體進(jìn)行糾偏，使得整個(gè)頂推過程中梁體橫向偏位很小，基本按照設(shè)計(jì)軌跡以曲線路徑行走。

4)落梁階段梁體累積應(yīng)變較小，落梁過程未對(duì)梁體產(chǎn)生內(nèi)力。

綜上所述，本文通過對(duì)梁體預(yù)應(yīng)力張拉階段、頂舉及試頂推階段、頂推階段、落梁階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了頂推施工各階段控制，為同類型橋梁頂推施工過程控制提供了參考。