閆 鵬

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

橋梁是跨越江河湖海、深溝峽谷等自然屏障的人工構(gòu)筑物，是交通設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樞紐工程，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活安全的重要保障[1-3]。目前，橋梁常見(jiàn)的施工方法有懸臂施工法、逐跨施工法、逐段施工法以及頂推施工法，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中頂推法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4-5]。

許多學(xué)者對(duì)橋梁頂推施工技術(shù)及施工過(guò)程受力進(jìn)行了較為深入的研究。Granata Michele Fabio學(xué)者通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中施工過(guò)程結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，提出當(dāng)導(dǎo)梁長(zhǎng)度與頂推最大懸臂比值取0.6時(shí)可以提高施工過(guò)程安全性的結(jié)論[6]；戴杰通過(guò)對(duì)青銀高速公路濟(jì)南黃河大橋頂推施工過(guò)程研究提出了鋼結(jié)構(gòu)橋梁在頂推施工中要以主梁線形控制為主、截面應(yīng)力為輔的頂推施工控制理念[7]；顏東煌等通過(guò)對(duì)三汊機(jī)大橋鋼箱梁頂推施工過(guò)程中截面應(yīng)力和主梁線形監(jiān)控提出了拼接鋼箱梁施工控制體系，為保證鋼箱梁頂推施工成形階段結(jié)構(gòu)受力和線形與目標(biāo)狀態(tài)一致提供了理論基礎(chǔ)[8]。然而目前對(duì)頂推施工法過(guò)程控制的研究主要集中在混凝土箱梁或鋼箱梁，而對(duì)鋼桁架橋梁頂推施工過(guò)程控制方面研究較少。因此，本文以陜西省富縣管廊跨河大橋?yàn)楣こ桃劳袑?duì)鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過(guò)程中主梁受力和撓度變化進(jìn)行研究。

1 工程概況

富縣管廊跨河大橋?yàn)檠影裁河蜌赓Y源綜合利用項(xiàng)目，是陜西省和延安市確定的重大項(xiàng)目之一，是延長(zhǎng)石油集團(tuán)加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)油氣煤一體化綜合利用的重要舉措，對(duì)加快陜北能源基地建設(shè)，發(fā)揮陜北資源優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。

管廊跨河大橋橋長(zhǎng)318 m，共7跨，縱向布置為第一聯(lián)（48+36+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁和第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁。橋墩采用空心和實(shí)心墩相結(jié)合，橋梁上部采用3層鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋?qū)?5 m，高6 m。檢修通道位于橋梁兩側(cè)，各1.5 m寬，布置在桁架底層，采用懸挑結(jié)構(gòu)。管廊跨河大橋橋型布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 管廊跨河大橋橋型布置圖（單位：mm）

本文主要對(duì)富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力和線形進(jìn)行控制研究。（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁橋由兩個(gè)48 m跨及一個(gè)42 m跨連續(xù)桁架組成，采用頂推安裝方案?，F(xiàn)場(chǎng)在5號(hào)墩后設(shè)置54 m現(xiàn)場(chǎng)拼裝胎架，在胎架上以2號(hào)墩向5號(hào)的順序進(jìn)行逐段拼裝，分段頂推，并經(jīng)6次頂推后達(dá)到預(yù)定的成橋狀態(tài)。針對(duì)橋墩較高、跨徑較大的特點(diǎn)，本工程采用了“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法。第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁后兩跨均為48 m，跨度較大且現(xiàn)場(chǎng)后側(cè)拼裝胎架長(zhǎng)度有限，為了避免鋼桁架頂推施工過(guò)程中產(chǎn)生傾覆，二、三跨采用滑道梁作為臨時(shí)支撐來(lái)進(jìn)行頂推；第一跨為42 m跨度相對(duì)較小且鋼桁架后端已有足夠的抗傾覆長(zhǎng)度，為了提高施工效率該跨采用鋼導(dǎo)梁的方式進(jìn)行頂推施工。對(duì)于橋墩較高、跨徑較大的鋼桁架橋梁，“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法能夠有效地提高施工過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁主要通過(guò)對(duì)頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)線形、應(yīng)力的監(jiān)控，保證本項(xiàng)目在頂推施工過(guò)程中對(duì)自身的撓度、應(yīng)力在可控范圍之內(nèi)，并在變形達(dá)到一定限制條件時(shí)發(fā)出預(yù)報(bào)警，保證頂推施工的安全進(jìn)行和施工質(zhì)量。

2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

對(duì)富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁24個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中主桁架結(jié)構(gòu)上布置兩組測(cè)點(diǎn)，每組6個(gè)測(cè)點(diǎn)，臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)上布置兩組測(cè)點(diǎn)，每組6個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)及位置如表1所示。

表1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)及位置

主桁架結(jié)構(gòu)12個(gè)測(cè)點(diǎn)平面布置及立面布置情況如圖2、圖3所示。

圖2 主桁架結(jié)構(gòu)上層平面測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 主桁架結(jié)構(gòu)下層平面測(cè)點(diǎn)布置圖

臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)12個(gè)測(cè)點(diǎn)平面布置及立面布置情況如圖4、圖5所示。

圖4 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)上層平面測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)下層平面測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 變形監(jiān)測(cè)

富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過(guò)程中變形監(jiān)測(cè)和線形施工控制按照“計(jì)算”→“施工”→“量測(cè)”→“修正”→“施工”循環(huán)過(guò)程進(jìn)行。嚴(yán)格按照施工控制方案對(duì)主梁關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行撓度測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量值與模型理論值的誤差進(jìn)行分析、調(diào)整、預(yù)測(cè)，為下一步的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

本橋在施工過(guò)程中對(duì)變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容如下。

2.2.1 主鋼桁架撓度監(jiān)測(cè)

鋼桁梁撓度測(cè)點(diǎn)布置在各墩墩頂截面和各跨跨中截面，每個(gè)斷面橫向布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用短鋼筋焊接在鋼桁梁頂面（其中中間測(cè)點(diǎn)鋼筋頂面刻十字絲）。主鋼桁梁撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為1～3號(hào)、10～17號(hào)點(diǎn)。

2.2.2 滑道鋼桁架撓度監(jiān)測(cè)

滑道梁的變形決定頂推施工能否順利進(jìn)行，因此需要對(duì)其撓度變化情況進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，滑道鋼桁梁撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為4～9號(hào)點(diǎn)。

2.2.3 墩柱豎向位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)墩柱壓縮變形理論計(jì)算結(jié)果，在墩柱施工階段提供各墩墩頂封頂標(biāo)高，確保成橋后墩柱標(biāo)高滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 有限元模型建立

根據(jù)富縣管廊跨河大橋施工順序，基于空間有限元分析軟件MIDAS建立全橋有限元模型，根據(jù)施工方案共劃分為45個(gè)施工階段對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行受力分析，施工過(guò)程中初始系統(tǒng)溫度默認(rèn)為0℃。結(jié)構(gòu)整體模型見(jiàn)圖6。

圖6 富縣管廊跨河大橋整體模型

鋼桁架連續(xù)梁部分施工階段模型見(jiàn)圖7～圖10所示。

圖7 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage0模型

圖8 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage6模型

圖9 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage24模型

圖10 富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)Stage45模型

4 頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)變控制分析

結(jié)構(gòu)應(yīng)變采集部分試驗(yàn)設(shè)備及其布置如圖11 所示。

圖11 部分試驗(yàn)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為應(yīng)變，根據(jù)公式：

取鋼材彈性模量E=2.1×105MPa，將各監(jiān)測(cè)應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，并將測(cè)試值與理論值進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)采集時(shí)的環(huán)境溫度為30℃～40℃。

4.1 主桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比

圖中 1’、2’、3’表示理論值，1、2、3 表示監(jiān)測(cè)值，其余類(lèi)似。

圖12 主桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力圖

由圖12可知，富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過(guò)程中主桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值計(jì)算較吻合，其中主桁架應(yīng)力誤差最大點(diǎn)為S2監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)應(yīng)力為71.44 MPa（壓應(yīng)力），理論分析結(jié)果 60.78 MPa，誤差率為14.9%，且均小于Q345鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310 MPa。

4.2 滑道臨時(shí)支撐桁架測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

由圖13可知，對(duì)比富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工過(guò)程中滑道臨時(shí)支撐桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值，誤差最大點(diǎn)為X3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，94.22 MPa（壓應(yīng)力），理論分析結(jié)果為81.58 MPa，誤差率為13.4%，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值計(jì)算較吻合。

通過(guò)模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度和模型系統(tǒng)溫度不相同是引起主桁架各測(cè)點(diǎn)和滑道臨時(shí)支撐桁架測(cè)點(diǎn)應(yīng)力理論值和實(shí)測(cè)值不一致的主要原因。因此對(duì)于晝夜溫差大、氣溫變化快的地區(qū)，要盡量在凌晨等溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)在模型中對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行修正，從而減小溫度效應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工的影響程度，保證工程的順利進(jìn)行。

圖13 滑道臨時(shí)支撐桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力圖

5 頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)線形控制分析

鋼桁架頂推施工過(guò)程中到達(dá)指定施工中間狀態(tài)后要采用水準(zhǔn)儀對(duì)主梁標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，并與理論分析得到的測(cè)點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)誤差在合理范圍內(nèi)時(shí)可進(jìn)行下一步的頂推施工，否則就要通過(guò)墩頂支撐處千斤頂進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格按照“計(jì)算”→“施工”→“量測(cè)”→“修正”→“施工”循環(huán)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集時(shí)的環(huán)境溫度為30℃～40℃，撓度采集照片如圖14所示。

管廊跨河大橋鋼桁架豎向變形的理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如圖15所示。圖中1·2·3’表示理論值，1·2·3表示監(jiān)測(cè)值，其余類(lèi)似。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼桁架施工過(guò)程變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，在施工過(guò)程中鋼桁架結(jié)構(gòu)的變形處于正常狀態(tài)，符合結(jié)構(gòu)變形要求。結(jié)構(gòu)頂推過(guò)程中變形最大的點(diǎn)為5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為-14.6 mm，理論分析結(jié)果-13.9 mm，滿(mǎn)足要求。同主桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律，溫度取值的不一致導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)鋼桁架施工過(guò)程變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)值與理論值的誤差，因此在實(shí)際工程中應(yīng)采取措施通過(guò)控制溫度效應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工的影響程度從而達(dá)到精確控制施工過(guò)程的目的。

圖15 鋼桁架豎向變形的理論與實(shí)測(cè)對(duì)比值

富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工工藝，采用了“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法，鋼桁架橋梁頂推施工過(guò)程中主梁內(nèi)力和變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均滿(mǎn)足誤差要求，并最終達(dá)到了預(yù)定的合理成橋狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文以富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工為背景，對(duì)鋼桁架橋梁頂推施工過(guò)程中主梁內(nèi)力和變形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，研究結(jié)果表明：

a）對(duì)于橋墩較高、跨徑較大的鋼桁架橋梁，“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法能夠有效地提高施工過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架采用了“導(dǎo)梁+滑道梁”的頂推施工法，鋼桁架橋梁頂推施工過(guò)程中主梁內(nèi)力和變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均滿(mǎn)足誤差要求，并最終達(dá)到了預(yù)定的合理成橋狀態(tài)。

b）溫度變化是影響鋼桁架和滑道臨時(shí)支撐桁架變形和受力的主要因素。對(duì)于晝夜溫差大、氣溫變化快的地區(qū)，要盡量在凌晨等溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)在模型中對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行修正，從而減小溫度效應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工的影響程度，保證工程的順利進(jìn)行。

c）富縣管廊跨河大橋第二聯(lián)（42+48+48）m鋼桁架連續(xù)梁頂推施工的順利完成可為同類(lèi)型橋梁的頂推施工提供參考。