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        500 t級運(yùn)梁車作用下貝雷梁棧橋監(jiān)測技術(shù)研究

        2020-08-29 08:59:04黎開政
        鐵道建筑技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:運(yùn)梁貝雷梁棧橋

        黎開政

        (中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 上海 201399)

        1 引言

        成都軌道交通10號線2期高架橋施工中,500 t級運(yùn)梁車需在一定時間內(nèi)持續(xù)通過鋼棧橋運(yùn)送梁體,此種工況在全國范圍內(nèi)較為罕見,必須采取針對性的技術(shù)措施保證運(yùn)梁車順利通過。基于架梁施工的迫切需求,以主線橋墩采用貝雷梁和鋼管樁搭設(shè)的鋼棧橋上通過最大荷載為530 t運(yùn)梁車和架橋機(jī)為工程背景,對鋼棧橋進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計,同時設(shè)置智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測鋼棧橋的變形及受力,以確保施工過程中人員和設(shè)備的安全[1-3]。

        通過智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測鋼棧橋變形及受力,不但能有效消除人工監(jiān)測的盲區(qū),還可提高監(jiān)測的及時性與有效性。通過捕捉動態(tài)數(shù)據(jù),反映鋼棧橋在荷載條件下的動態(tài)響應(yīng),實(shí)時評價橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和安全性[4-5]。為確保鋼棧橋使用安全,結(jié)合施工段的地形地質(zhì)條件、施工方法等特點(diǎn),確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動撓度及沉降三個監(jiān)測項(xiàng)目[6-8]。采用安全監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼棧橋參數(shù)超限時自動預(yù)警,報警信息以短信的形式發(fā)送到設(shè)定的管理人員手機(jī)上,為管理單位及時采取措施提供數(shù)據(jù)依據(jù),同時對有效保護(hù)鋼棧橋結(jié)構(gòu)的安全贏得時機(jī)[9-12]。

        通過貝雷梁棧橋監(jiān)測技術(shù)可獲得鋼棧橋典型部位應(yīng)力、撓度、結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)特征,再通過鋼棧橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,掌握鋼棧橋通車時的狀態(tài)參量,以分析鋼棧橋?qū)嶋H力學(xué)行為和使用狀況。結(jié)合鋼棧橋結(jié)構(gòu)有限元模型計算結(jié)果,對鋼棧橋的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,使得監(jiān)測數(shù)據(jù)超限時實(shí)現(xiàn)多種形式的預(yù)警。

        綜上所述,通過鋼棧橋結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建及有效運(yùn)行,可掌握鋼棧橋使用期間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù),并通過數(shù)據(jù)分析對鋼棧橋的使用狀態(tài)和力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)警和評估,為鋼棧橋的安全運(yùn)營提供有力保障,為以后相關(guān)項(xiàng)目開辟新思路,同時提供相關(guān)監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)。

        2 鋼棧橋設(shè)計

        2.1 工程概況

        (1)鋼棧橋結(jié)構(gòu)

        花橋站-新津站高架區(qū)間位于成都地鐵10號線2期工程的大件路南段,總長度3 702.253 m(見圖1)。其中F13~F16設(shè)計為(30+45+30)m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,處于高架島式車站出站四線變雙線的結(jié)合部位,兩線最大間距為10 m。架橋機(jī)和運(yùn)梁車無法正常通過,影響了架橋進(jìn)度。為確保項(xiàng)目整體工期,擬利用已建成的橋墩采用貝雷梁和鋼管柱搭設(shè)鋼棧橋,鋼棧橋設(shè)置13跨鋼管支撐體系,貝雷梁跨度為(5×9+3×6+4×9+6)m,以使最大荷載530 t的運(yùn)梁車和架橋機(jī)順利通行,運(yùn)架50片預(yù)制箱梁,以滿足橋通節(jié)點(diǎn)工期要求。本臨時運(yùn)梁棧橋工程危險等級為Ⅰ級,危險等級系數(shù)為1.10,對鋼棧橋承載力和穩(wěn)定性具有較高的要求。

        圖1 鋼棧橋布置示意(單位:cm)

        (2)運(yùn)梁車及架橋機(jī)

        運(yùn)梁車橫向有4個車輪。運(yùn)梁車運(yùn)梁時主車載荷為269 t,每軸線載荷為33.625 t,每個輪胎受力為8.4 t,每個輪胎接地面積約為0.3 m×0.4 m;運(yùn)梁車運(yùn)梁時副車載荷為263 t,每軸線載荷為32.875 t,每個輪胎受力為8.1 t,每個輪胎接地面積約為0.3 m×0.4 m。

        2.2 鋼棧橋合理布置方案研究

        (1)內(nèi)力分析及貝雷梁布置

        臨時運(yùn)梁棧橋采用貝雷片梁式棧橋施工,支架從下至上依次為φ529×8 mm鋼管樁、雙榀10#槽鋼聯(lián)接系、雙榀 45b承重梁、45 cm一聯(lián)的貝雷梁、間距37.5 cm的 16橫向分配梁。鋼管柱長11 m(根據(jù)實(shí)際標(biāo)高調(diào)整),棧橋橫向凈寬6.0 m,鋼管柱橫向間距1.2+2.4+1.2 m,縱向間距9 m。

        貝雷梁采用45 cm一聯(lián)布置,工字鋼分配梁間距約37.5 cm,10縱向布置,橫向10 cm。為保證工字鋼自身的穩(wěn)定性,需采用U型卡與貝雷梁上弦桿連接,或采用間隔點(diǎn)焊的形式固定。

        利用Midas軟件建立全橋有限元模型,分析運(yùn)梁車荷載作用下最大彎矩和剪力。單片標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁彎矩容許值為788.2 kN·m,剪力容許值為245.2 kN。故由最大彎矩和剪力可分別估算出所需貝雷梁片數(shù):2 817.9/788.2=3.6(取4片),2 128.3/245.2=8.7(取9片)??紤]到運(yùn)梁車的沖擊效應(yīng),最終采用18片貝雷梁方案。具體布置如圖2所示。

        圖2 貝雷梁橫斷面布置(單位:mm)

        (2)鋼棧橋運(yùn)營工況計算分析

        根據(jù)具體布置方案,利用Midas軟件建立鋼棧橋整體分析模型,對運(yùn)梁車通過鋼棧橋最不利工況進(jìn)行有限元分析。

        鋼棧橋最不利工況下最大應(yīng)力分布云圖見圖3。由計算分析可知,貝雷梁桿件最大應(yīng)力主要分布在跨中及墩柱頂附近,此處正、負(fù)彎矩較大。上弦桿最大應(yīng)力為118.62 MPa,下弦桿最大應(yīng)力為-95.31 MPa;貝雷梁腹桿和豎桿最大應(yīng)力為-149.44 MPa(墩頂柱直接受壓);橫向分配梁最大應(yīng)力為142.01 MPa(位于車輪下,實(shí)際此處與貝雷梁上弦桿為面接觸而非模型中的點(diǎn)接觸,實(shí)際應(yīng)力更小);墩頂橫向分配梁最大應(yīng)力39.10 MPa;鋼管立柱最大應(yīng)力為-44.27 MPa,最大支反力為-700.8 kN。貝雷梁的容許應(yīng)力為273 MPa,其余桿件容許應(yīng)力為170 MPa。由計算可知,各桿件均滿足規(guī)范要求,計算中未考慮沖擊效應(yīng)。

        圖3 最不利工況下最大應(yīng)力分布

        3 鋼棧橋運(yùn)梁過程監(jiān)測

        3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

        3.1.1 監(jiān)測范圍

        鋼棧橋?yàn)?3跨結(jié)構(gòu),跨徑分別為9 m和6 m不等。貝雷梁組成構(gòu)件較多,滿覆蓋監(jiān)測成本極高且無必要,并會產(chǎn)生較多的冗余數(shù)據(jù)。經(jīng)分析本項(xiàng)目重點(diǎn)監(jiān)測其中的6跨,包括第1跨~第2跨、第5跨~第6跨,其中重點(diǎn)是第1跨(受沖擊最大)和第5跨~第6跨。

        3.1.2 監(jiān)測項(xiàng)目

        參照其他鋼棧橋設(shè)計施工及監(jiān)測情況,結(jié)合本棧橋的現(xiàn)場實(shí)際,對棧橋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、動撓度及沉降進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。通過視頻監(jiān)測,可直觀掌握運(yùn)梁車通過時貝雷梁的狀態(tài)變化。

        (1)結(jié)構(gòu)應(yīng)力:結(jié)構(gòu)應(yīng)變(應(yīng)力)變化情況是結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化的直接反應(yīng),特別是在運(yùn)梁車通過過程中,將應(yīng)力變化與計算值相互校核,可及時判斷鋼棧橋受力是否處于正常范圍。

        (2)動撓度監(jiān)測:梁體撓度是鋼棧橋結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征最直觀的指標(biāo)之一,同時也是體現(xiàn)鋼棧橋是否能正常使用的重要指標(biāo)。

        (3)沉降監(jiān)測:臨時安裝的鋼管柱在運(yùn)梁車荷載作用下,極有可能會產(chǎn)生沉降變形,因此監(jiān)測鋼管柱支架沉降十分必要。

        3.1.3 監(jiān)測點(diǎn)布置方案

        根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目并結(jié)合鋼棧橋特點(diǎn),各監(jiān)測點(diǎn)布置如下:

        (1)在鋼棧橋的第1、2、5、6跨的跨中截面處各布設(shè)3個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn),分別布置于梁體中心與運(yùn)梁車左右輪下梁底各一個。共計4個截面,應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)12個。

        (2)第6跨跨中截面處各布設(shè)1個結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測點(diǎn),布設(shè)于梁體中心位置。截面共計3個,共布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)3個。

        (3)在第1跨和第6跨跨中截面處各布設(shè)1個動撓度監(jiān)測點(diǎn),布設(shè)于梁體中心位置。

        (4)在第1跨和第6跨跨中截面處各布設(shè)1個振動監(jiān)測點(diǎn),布設(shè)于梁體中心位置。共布設(shè)2個振動監(jiān)測點(diǎn)。

        (5)在第1、5、6、7、12 號鋼支架頂部左右兩側(cè)各布置1個沉降監(jiān)測點(diǎn),共計10個沉降監(jiān)測點(diǎn);另在相鄰混凝土橋墩上布置2個沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)。共計12個沉降測點(diǎn)。

        (6)在運(yùn)梁車上鋼棧橋位置布設(shè)1個視頻監(jiān)測點(diǎn)。

        具體監(jiān)測范圍、監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

        圖4 鋼棧橋監(jiān)測點(diǎn)布置

        3.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

        針對2018年10月13日開始運(yùn)梁到2018年11月13日結(jié)束運(yùn)梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        (1)應(yīng)力監(jiān)測

        本項(xiàng)目采用光纖光柵應(yīng)變計測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變(應(yīng)力),監(jiān)測結(jié)果見圖5(圖中僅列出5次峰值應(yīng)力)。

        圖5 鋼棧橋第1跨跨中測點(diǎn)應(yīng)力

        由圖5可見,各測點(diǎn)應(yīng)力變化穩(wěn)定,運(yùn)梁車通過時每次實(shí)測應(yīng)力差別不大,均小于理論分析應(yīng)力值,且遠(yuǎn)小于貝雷梁的設(shè)計容許應(yīng)力273 MPa,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

        (2)動撓度監(jiān)測

        采用激光動態(tài)撓度監(jiān)測儀實(shí)時監(jiān)測鋼棧橋動撓度。通過不同時間段運(yùn)梁車過橋時第1跨跨中撓度曲線(見圖6)可以看出,鋼棧橋撓度值變化穩(wěn)定,實(shí)測最大撓度值為6.3 mm,小于理論撓度值7.0 mm。因此,貝雷梁棧橋剛度符合規(guī)范要求。

        圖6 第1跨跨中撓度變化曲線

        (3)沉降監(jiān)測

        沉降監(jiān)測主要目的為控制鋼棧橋沉降量,保證鋼棧橋使用安全,為優(yōu)化加固鋼棧橋施工提供分析參考數(shù)據(jù)。 在 1#、5#、6#、7#、12#臨時墩左右兩側(cè)布置一臺靜力水準(zhǔn)儀。圖7和圖8分別為1#和5#臨時墩在運(yùn)梁車過橋時的沉降變化曲線。由實(shí)測結(jié)果可知,各測點(diǎn)最大沉降量均小于4 mm,在安全范圍內(nèi)。

        圖7 1#臨時墩沉降變化曲線

        圖8 5#臨時墩沉降變化曲線

        從沉降變化曲線看出,在運(yùn)梁車通過時,鋼棧橋的累計沉降值趨于穩(wěn)定,低于設(shè)定的容許沉降值,鋼棧橋處于安全狀態(tài)。

        4 結(jié)論

        500 t級運(yùn)梁車通過鋼棧橋是成都地鐵10號線2期運(yùn)架梁的關(guān)鍵控制工序。為確保鋼棧橋結(jié)構(gòu)安全,本文系統(tǒng)地進(jìn)行鋼棧橋的設(shè)計驗(yàn)算分析,并介紹監(jiān)測系統(tǒng)的總體構(gòu)架、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容,形成了一套完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)方案。本次施工共運(yùn)梁64片,歷時28 d,每天24 h不間斷地對鋼棧橋參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸,并對應(yīng)力、動撓度、沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析??傮w表明,監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示運(yùn)梁過程中鋼棧橋運(yùn)營狀態(tài)正常,滿足安全和使用要求。

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