張 輝

（中鐵二十一局集團(tuán)路橋工程有限公司 陜西西安 710065）

1 前言

橋梁轉(zhuǎn)體施工是指橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線上進(jìn)行澆筑或拼裝，利用摩擦系數(shù)很小的球鉸、滑道及轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)將成形后的橋梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)計(jì)軸線位置的施工方法。隨著轉(zhuǎn)體橋技術(shù)的進(jìn)步和日趨成熟，轉(zhuǎn)體橋施工工藝技術(shù)的優(yōu)越性日益凸顯，轉(zhuǎn)體橋的重量和寬度也隨之增加［1-3］。由于近幾年來經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的急劇擴(kuò)張，使得跨越既有構(gòu)筑物（如鐵路、公路等）的立交橋梁急劇增多，采用轉(zhuǎn)體橋施工工藝將大大減小對鐵路安全運(yùn)營的影響，且安全可靠、施工方便、造價(jià)較低、受力狀態(tài)明確［4-5］。張勇通過大體積混凝土承臺(tái)水化熱分析，提出管冷進(jìn)行降溫并進(jìn)一步提出改善措施［6］。張?zhí)炖祝?］通過分析曲線橋梁墩底轉(zhuǎn)體風(fēng)險(xiǎn)并提出控制措施；郭英［8］通過采用質(zhì)量控制確保平面轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)成功轉(zhuǎn)體。

包存文［9］通過得到準(zhǔn)確預(yù)拱度的數(shù)據(jù)，為在混凝土澆筑前模板位置的固定起到指導(dǎo)作用，從而保證梁體線形符合施工要求。同時(shí)，不能孤立單個(gè)施工階段，前一個(gè)施工階段為后一個(gè)施工階段作參考，后一個(gè)階段為前一個(gè)階段起到反饋?zhàn)饔茫?0］。王剛［11］通過Midas FEA分別建立空間模型和轉(zhuǎn)體系統(tǒng)空間模型，著重分析0#塊局部應(yīng)力分布情況；車曉軍［12］等研究轉(zhuǎn)體過程中為不發(fā)生傾覆，對球鉸接觸面上的壓應(yīng)力分布形態(tài)進(jìn)行評估。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在施工過程中由于各種因素的影響可能會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，使橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)要求位置不符，從而導(dǎo)致橋梁不能順利、安全、平穩(wěn)轉(zhuǎn)體合龍。因此，本文著重分析超寬超重T構(gòu)梁橋的應(yīng)力和線形。

2 工程背景

本項(xiàng)目為西安市西咸新區(qū)正陽大道秦漢新城段與北環(huán)線、咸銅鐵路立交橋工程。咸銅鐵路立交橋以（65+65）m連續(xù)梁（轉(zhuǎn)體）正交跨越北環(huán)線、咸銅鐵路，連接正陽大道濱河路立交終點(diǎn)和涇河新城。梁體采用變高度變截面單箱五室斜腹板箱形截面。所有基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，主梁在平行鐵路南側(cè)采用支架現(xiàn)澆施工，其中轉(zhuǎn)體段梁長60+60 m，轉(zhuǎn)體角度75.5℃，轉(zhuǎn)體重量達(dá)約2 0000 t，寬36.5 m。

3 施工監(jiān)控及模型

施工監(jiān)控主要為變形監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測，尤其是轉(zhuǎn)體前、轉(zhuǎn)體過程中和轉(zhuǎn)體后的線形和應(yīng)力監(jiān)測。監(jiān)控各施工工序關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變，保障轉(zhuǎn)體施工中結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)，更好地協(xié)助和指導(dǎo)施工人員，做好高程和軸線控制，使結(jié)構(gòu)的標(biāo)高及平面位置達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3．1 梁體現(xiàn)場監(jiān)控布置

（1）主梁線形監(jiān)控

主梁線形主要通過布設(shè)高程點(diǎn)來控制主梁橫橋向和縱橋向的標(biāo)高在允許誤差范圍內(nèi)。標(biāo)高觀測是控制成橋線形最主要的依據(jù)，成橋后橋面線形幾乎無法調(diào)整，因此必須在橋面施工前確定主梁的位置和標(biāo)高，在隨后的橋面施工后能夠達(dá)到設(shè)計(jì)線形和標(biāo)高。在梁頂布置高程觀測點(diǎn)，線形監(jiān)控采用的是水準(zhǔn)儀和塔尺觀測，監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。

（2）主梁應(yīng)力監(jiān)控

應(yīng)力監(jiān)控是施工監(jiān)控中的主要部分。通過應(yīng)力監(jiān)測，可以掌握主梁結(jié)構(gòu)的受力狀況，及時(shí)判定應(yīng)力是否超限，從而可知道結(jié)構(gòu)的安全狀況。在支架施工1#、2#、3#、4#、5#塊分別埋設(shè)應(yīng)力傳感器，應(yīng)力監(jiān)測使用的是混凝土內(nèi)埋設(shè)弦式應(yīng)變計(jì)和 JMZX—3001綜合測試儀。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 線形測點(diǎn)布置

3．2 建立全橋有限元模型

采用有限元軟件Madis／civil建立全橋模型，對整個(gè)施工過程進(jìn)行仿真模擬。通過有限元模型的建立和分析得到主梁張拉、支架拆除及合龍段施工等關(guān)鍵施工階段的主梁線形和應(yīng)力值。

該橋有限元模型共分成73個(gè)節(jié)點(diǎn)，71個(gè)單元，單元類型為梁單元，全橋模型如圖3所示。

圖3 有限元模型橋

4 結(jié)果分析

4．1 撓度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

支架拆除及成橋后的撓度及應(yīng)力云圖見圖4～圖7。

圖4 梁體支架拆除撓度變形

圖5 梁體成橋后撓度變形

圖6 梁體支架拆除應(yīng)力變形

圖7 梁體成橋后應(yīng)力變形

從圖4和圖6可知，支架拆除完成后，梁體兩端處于懸臂階段，整個(gè)梁僅承受自重作用。0#塊在模型中處于固結(jié)點(diǎn)，位移最小，隨著懸臂段距離的增大，位移變化逐漸增大，懸挑端部位移最大，變化數(shù)值26.70 mm。僅對梁體而言，靠近0#塊應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為拉應(yīng)力，大小為15.69 MPa；應(yīng)力最小位置在4#塊附近，最小應(yīng)力為壓應(yīng)力，大小為-2.21 MPa。整體上來看，支架拆除后，對梁體而言，位移變化值從中間向兩端逐漸增大，應(yīng)力變化值則與位移相反。

從圖5和圖7可知，梁體轉(zhuǎn)體完成后，僅受自重作用，0#和5#塊在模型中處于固結(jié)點(diǎn)，位移變化小，基本接近于0；2#和4#塊逐漸增大，位移變化值為負(fù)值，表明位移下降，最大下降值為11.06 mm；3#墩處位移最大，變化數(shù)值也為負(fù)值，最大下降值為24.33 mm。應(yīng)力變化由0#塊的拉應(yīng)力逐漸變大，緊接著1#、2#塊的應(yīng)力從拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，壓應(yīng)力隨著施工順序的變化逐漸增大。

為了保證在實(shí)際施工過程中梁體與設(shè)計(jì)線形相接近，通過有限元分析可知，拆除支架后梁體應(yīng)提高27 mm左右，從而使得施工結(jié)束后整個(gè)梁體的線形接近設(shè)計(jì)線形。

4．2 有限元分析值與實(shí)測值對比分析

（1）平均值作為指標(biāo)值

在各參數(shù)不變的情況下對其中一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了n次試驗(yàn)，得到n個(gè)測量值，分別記為x1、x2、x3…xn，若用某一指標(biāo)x0作為指標(biāo)值，其方差公式為：

分析可知，De是x0的非負(fù)二次函數(shù)，故其最小值也是極小值，根據(jù)式2可求得極小值點(diǎn)。

于是得到：

這說明x0＝x時(shí)誤差的方差最小，也就是說平均值與所測量的n組數(shù)據(jù)之間的方差最小。因此，將平均值作為指標(biāo)值［13］。

（2）結(jié)果分析

本文著重對成橋后主梁線形和應(yīng)力變化進(jìn)行分析。橋梁在施工過程中結(jié)構(gòu)體系隨著施工和階段的不同而不同，而結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化值和分析值、設(shè)計(jì)值都存在差異。

通過對現(xiàn)場采集的線形和應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析值進(jìn)行對比分析?，F(xiàn)場線形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)①～⑦共7個(gè)點(diǎn)取平均值；應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)頂板①～④共4個(gè)點(diǎn)取平均值，底板⑤～⑥共2個(gè)點(diǎn)取平均值。

①位移結(jié)果分析

從圖8可知，轉(zhuǎn)體完成后，實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形存在一定的偏差，但是差值均在10 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也滿足《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》要求。但是，設(shè)計(jì)值與實(shí)測值的差值中，只有距離0#塊40 m附近，有2個(gè)測點(diǎn)在設(shè)計(jì)要求范圍之外，原因?yàn)樵擖c(diǎn)不易進(jìn)行應(yīng)力的測量導(dǎo)致讀數(shù)存在誤差。合龍完成后，0#塊和5#塊的設(shè)計(jì)值、有限元分析值和實(shí)測值的位移差值均為0，而其它位置的位移差值相對較大。總體來講，有限元分析值與實(shí)測值相差不大，且均與設(shè)計(jì)值大致相同，誤差也在合理范圍之內(nèi)。

圖8 撓度設(shè)計(jì)值與分析值、實(shí)測值的差值

②應(yīng)力結(jié)果分析（見表1～表2）

表1 頂板應(yīng)力值 MPa

表2 底板應(yīng)力值 MPa

從表1、表2可知，梁體頂板和底板的應(yīng)力值均在設(shè)計(jì)范圍值之內(nèi)。同時(shí)，設(shè)計(jì)值與實(shí)測值的相對誤差較小。頂板和底板應(yīng)力隨著澆筑和張拉順序變化的趨勢由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化成壓應(yīng)力。頂板處澆筑張拉4#并拆除支架完成后，此時(shí)應(yīng)力最大，變化數(shù)值是負(fù)值（壓應(yīng)力），頂板最大應(yīng)力值為16.70 MPa；底板拆除支架處應(yīng)力最大，底板最大壓應(yīng)力為6.897 MPa。整體來講，張拉后的應(yīng)力值大于澆筑前的應(yīng)力值，支架拆除完成后的應(yīng)力值為壓應(yīng)力，其數(shù)值大小為最大值。

5 結(jié)論

（1）僅對梁體而言，支架拆除后，位移變化值從中間向兩端逐漸增大，應(yīng)力變化則與位移變化相反。0#塊在模型中處于固結(jié)點(diǎn)，位移最小，隨著懸臂段距離的增大，位移變化逐漸增大，懸挑端部位移最大；靠近0#塊應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為拉應(yīng)力，應(yīng)力最小位置在4#塊附近，最小應(yīng)力為壓應(yīng)力。

（2）通過建立有限元 Madis／civil模型，得出在實(shí)際施工中拆除支架后梁體應(yīng)提高27 mm的結(jié)論，從而使得施工結(jié)束后整個(gè)梁體的線形接近設(shè)計(jì)線形。

（3）對成橋后主梁線形和應(yīng)力變化進(jìn)行分析，且現(xiàn)場采集線形和應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將其測得的平均值作為監(jiān)測數(shù)據(jù)值，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)值與分析值進(jìn)行對比分析，可知有限元分析值與監(jiān)測數(shù)據(jù)值相差不大，且均與設(shè)計(jì)值大致相同，誤差也在合理范圍之內(nèi)。