王 欣，王磊玉，肖欽廣，周揚帆，王 旗，周蘊文

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101； 2.濟南黃河路橋建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250001)

1 工程概況

處于濰坊路與濱州路之間的高架橋，是濟南市北園大街快速路西延建設(shè)工程中的一座平曲線混凝土橋，橋跨布置為30.04m+3×30m，平曲線半徑為2 000m，橋面寬24m。橋梁總體布置如圖1所示。橋體主梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，106～102號墩各跨重分別為484，990，895，990，484t，總重3 843t，根據(jù)濟南市北園大街快速路西延建設(shè)工程，高架橋向西延伸，考慮經(jīng)濟及對周邊環(huán)境影響，在盡量保留原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對橋梁頂升改造，使其與后期新建高架橋完成對接。102號橋墩為原高架橋落地端，各墩頂升高度為：102號墩為4 202mm，103號墩為3 117mm，104號墩為2 063mm，105號墩為1 009mm，106號墩為0。頂升改造如圖2所示。

圖1 橋形及千斤頂布置平面(單位：m)

圖2 頂升改造示意

2 平曲線橋頂升位移原理及預(yù)警值設(shè)計

2.1 頂升位移原理

根據(jù)橋梁頂升位移特點，以圖2，3闡明平曲線橋梁旋轉(zhuǎn)頂升位移計算原理。平曲線橋梁頂升過程中位移包括順橋向位移、橫橋向位移、繞梁中軸線旋轉(zhuǎn)位移。圖3中實線所示部分ABCD為曲線梁外輪廓，AD為曲線梁外側(cè)端點，O為平曲線圓點，頂升端CD繞OA軸旋轉(zhuǎn)頂升，虛線所示部分為橋梁頂升完成后位置。

圖3 曲線橋頂升位移原理

1)順橋向位移 曲線梁ABCD繞OA軸旋轉(zhuǎn)頂升至ABC′D′，頂升后梁體坡度變緩與水平面夾角減小α(見圖2)。旋轉(zhuǎn)角α為變量，即梁體與水平面之間余弦值為變量，主梁各截面到OA軸的距離在頂升中為物理常量，恒定的距離與余弦值cosα的乘積即為各截面梁體水平投影長度，設(shè)順橋向水平投影位移為ΔL1，隨ΔL1增大，主梁具體表現(xiàn)為頂升端梁體抬高，且沿橋體方向伸長。

ΔL1=L-Lcosα=L(1-cosα)

(1)

式中：L為截面CD到OA軸直線距離；α為主梁旋轉(zhuǎn)角度。

2)橫橋向位移 與順橋向位移同理，曲線梁繞OA軸整體旋轉(zhuǎn)頂升，其中LOD為常量，主梁旋轉(zhuǎn)角度為α時，OD軸旋轉(zhuǎn)角為β(見圖2)，β為變量，LOD與余弦值cosβ的乘積即為梁體橫向水平投影長度，設(shè)橫橋向水平投影位移為ΔL2。頂升中表現(xiàn)為，梁體在橫向位置發(fā)生擺動。

ΔL2=LOD-LODcosβ=LOD(1-cosβ)

(2)

式中：LOD為D到O點的直線距離；β為OD軸旋轉(zhuǎn)角度。

3)繞梁中軸線位移 曲線梁橋墩(點E，F(xiàn))布置垂直于平曲線切線，截面EF繞OA軸旋轉(zhuǎn)角度相同，但兩點距OA軸直線長度LE，LF不相等，即同橋墩曲線兩側(cè)頂升高度不同，設(shè)旋轉(zhuǎn)角度α后，兩點高差為Δh，曲線梁內(nèi)側(cè)應(yīng)比中軸線低Δh/2，曲線梁外側(cè)應(yīng)比中軸線高Δh/2，表現(xiàn)為梁體繞中軸線旋轉(zhuǎn)，外側(cè)頂升高度大于內(nèi)側(cè)。

Δh=LEsinα-LFsinα=(LE-LF)sinα

(3)

式中：LE，LF分別為點E，F(xiàn)到OA軸的直線距離。

2.2 預(yù)警方案設(shè)計

根據(jù)頂升位移原理，從幾何變形和應(yīng)力2個角度對工程進行監(jiān)測。變形監(jiān)測主要從宏觀上觀察橋梁在頂升過程中的運動情況，具體包括橋梁的豎向位移、橫向位移和地基沉降等。應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測主要從微觀角度揭示頂升過程中橋梁內(nèi)部的受力狀態(tài)變化情況,二者監(jiān)測數(shù)據(jù)相互印證，可進一步確保頂升過程的安全性。

由于我國當前頂升技術(shù)不成熟，橋梁頂升各項預(yù)警值沒有統(tǒng)一標準。通過工程實踐，本工程設(shè)定的預(yù)警值可滿足項目施工要求，對類似工程具有一定借鑒意義。預(yù)警值及檢查方法、頻率具體要求為：①橋中心線偏位超過±20mm 單次頂升完成后，使用全站儀每10m檢查一處；②橋面橫坡大于±5% 單次頂升完成后，使用全站儀每跨檢查5～7處；③橋墩地基出現(xiàn)明顯累計沉降 單次頂升完成后，每墩均需使用全站儀檢查；④單次頂升同橋墩南北豎向位移差>3mm 單次頂升時使用拉線式位移傳感器實時監(jiān)測；⑤應(yīng)變值>400με 頂升時全過程使用光纖光柵應(yīng)變計實時監(jiān)測。

3 頂升受力變化分析及監(jiān)測方案布置

根據(jù)頂升施工方案設(shè)計，本工程采用施工監(jiān)測一體化全過程控制體系，主要包括3部分，即頂升前監(jiān)控、頂升階段監(jiān)控、落梁后監(jiān)控。主要監(jiān)測內(nèi)容為應(yīng)力和變形，將監(jiān)測結(jié)果與理論分析計算值進行分析、比較。應(yīng)力監(jiān)測和變形監(jiān)測從不同角度揭示了頂升過程中橋梁狀態(tài)。變形監(jiān)測從宏觀角度確定了橋梁所處空間位置及整體運動趨勢，其中豎向變形監(jiān)測是判斷橋梁整體和局部頂升同步性的重要依據(jù)，橫向變形監(jiān)測是橋梁傾覆可能性的主要評判標準；應(yīng)力監(jiān)測從微觀角度揭示了梁體內(nèi)部受力和結(jié)構(gòu)損傷狀況。二者數(shù)據(jù)相互印證，精準把握頂升中出現(xiàn)的問題，確保頂升安全性。

頂升前監(jiān)測主要內(nèi)容為外觀監(jiān)測及初步檢查驗算。隨著橋梁運營期增長，超重車、大型車輛增多，橋梁支座及主梁出現(xiàn)破損、老化、變形是既有橋梁常見病害。檢查橋梁表面有無明顯裂縫、缺陷，記錄裂縫寬度、開展形態(tài)，主要目的是觀察在頂升過程中裂縫有無繼續(xù)開展或是否有新裂縫出現(xiàn)，分析裂縫出現(xiàn)的原因及對頂升所造成的影響，必要時對薄弱部位進行加固。在頂升階段主要對施工過程中各支點處箱梁豎向位移、橫向位移、箱梁應(yīng)力、地基沉降等與設(shè)計方案進行分析比較，判斷橋梁整體健康狀態(tài)，并對橋梁頂升變化趨勢做出預(yù)測。

3.1 梁體應(yīng)力變化分析及監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測是頂升監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。橋梁頂升對上部結(jié)構(gòu)主要有幾方面影響：橋梁頂升分配梁位置與原支座位置偏移，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生改變；千斤頂伸長速率不同，橫橋向兩側(cè)頂升速率不一致，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生反轉(zhuǎn)，易造成傾覆，順橋向伸長速率不一致，會使梁體上表面受拉，嚴重時表現(xiàn)為頂升較快位置梁體上表面出現(xiàn)裂縫；頂升后，梁體與水平面夾角改變，梁體空間位置發(fā)生變化，橋梁整體受力狀態(tài)與原結(jié)構(gòu)不同。結(jié)構(gòu)應(yīng)力(變)是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標，結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)將導致應(yīng)力(變)超限或應(yīng)力異常重分布，通過應(yīng)力(變)監(jiān)測實時掌握各關(guān)鍵部位在頂升過程中的應(yīng)力情況，可直接判斷測試位置應(yīng)力是否處于安全水平、校驗構(gòu)件的疲勞應(yīng)力。目前我國對應(yīng)力的監(jiān)測大多通過監(jiān)測應(yīng)變來完成，應(yīng)力主要計算方法有4種，即有效彈模法、疊加法、松弛系數(shù)法、流動率法。出于安全性考慮，本次監(jiān)測中以經(jīng)驗值400με為預(yù)警值。大噸位橋梁頂升施工時間較長，應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測需以確定的零點作為控制標準。應(yīng)力監(jiān)測儀器要求具有較好的耐久性及良好的精準性。如圖4所示，本工程對既有橋梁進行頂升加固改造，擬選用表面式光纖光柵應(yīng)變計對頂升橋梁箱梁主要部位的應(yīng)變進行監(jiān)測，以避免對橋梁原結(jié)構(gòu)造成損傷。光纖光柵應(yīng)變計具有高靈敏度、高精度、耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、高疲勞性能、性能穩(wěn)定、耐久性強等優(yōu)點，能較大限度避免施工環(huán)境對應(yīng)變測量造成的影響。

圖4 光纖光柵應(yīng)變計現(xiàn)場布置

曲線梁變角度頂升本質(zhì)上是一個緩慢改變橋梁空間位置的過程，本橋主梁全過程以106號墩為旋轉(zhuǎn)軸成比例頂升。應(yīng)力監(jiān)測選取彎矩較大的各跨跨中斷面布置應(yīng)力監(jiān)測點，以主梁中軸線為對稱軸每跨跨中布置5個光纖光柵應(yīng)變計，小計20個應(yīng)力監(jiān)測點。在負彎矩較大的分配梁頂升處，103～105號墩，以橋墩中軸線為對稱軸每墩各布置5個光纖光柵應(yīng)變計，考慮103～104號墩頂升高度大且處于橋梁主體跨中，兩橋墩采用同跨布置方式，小計15個應(yīng)力監(jiān)測點。頂升段沿主梁橫斷面共計布置35個監(jiān)測點，布置方式如圖5所示。

圖5 應(yīng)變監(jiān)測點布置

3.2 地基受力變化分析及監(jiān)測

橋梁頂升對下部結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生影響，地基沉降是頂升監(jiān)測必不可少的內(nèi)容之一。橋梁頂升臨時支撐系統(tǒng)作用在原結(jié)構(gòu)已有基礎(chǔ)或傍寬基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)受力狀態(tài)發(fā)生改變：承臺作為主要的支撐反力基礎(chǔ)，頂升過程中除承受原有上部結(jié)構(gòu)荷載外，還需承受支撐系統(tǒng)、頂升設(shè)備等自重，基礎(chǔ)承受荷載變大；頂升中，原荷載傳力路徑為上部結(jié)構(gòu)→支座→橋墩→基礎(chǔ)，頂升傳力路徑為上部荷載→千斤頂→反力支撐系統(tǒng)→基礎(chǔ)，力的作用點改變；平曲線梁頂升，在頂升中橋梁縱坡與水平面夾角減小，各橋墩承受荷載發(fā)生變化；橫向擺動，增加了支撐系統(tǒng)不穩(wěn)定性，曲線橋梁外側(cè)支撐系統(tǒng)受力增加，地基外側(cè)附加應(yīng)力增大；現(xiàn)有基礎(chǔ)傍寬后，原結(jié)構(gòu)橋墩不再傳遞豎向荷載，轉(zhuǎn)而由支撐進行傳遞，原樁基承臺邊界條件發(fā)生改變，承臺上部受力由壓力變?yōu)槔Α?/p>

平曲線梁頂升基礎(chǔ)受力不同，在頂升過程中，橋墩兩側(cè)地基沉降也不相同，同橋墩兩側(cè)均需布置地基沉降觀測點，通過對比同橋墩兩側(cè)地基沉降值確定下部頂升結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。本橋在103～105號橋墩外側(cè)以橋墩中線為對稱軸分別布置2個地基沉降觀測點，在102號墩處以主梁中軸線為對稱軸布置3個地基沉降觀測點，共計9個，如圖6所示。

圖6 地基沉降監(jiān)測點布置

3.3 橋梁整體姿態(tài)受力分析及監(jiān)測

在橋梁頂升階段，為了精確掌握橋梁整體姿態(tài)及其所處空間位置，需要對橋梁整體進行監(jiān)控，位移監(jiān)控內(nèi)容主要包括橋梁橫向位移和豎向位移。

橋梁頂升過程中，橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載及頂升設(shè)備主要靠臨時支撐系統(tǒng)承載，平曲線梁在繞106號橋墩旋轉(zhuǎn)的同時，出現(xiàn)橫向擺動。隨著頂升高度增加，平曲線半徑與水平面夾角減小，橋梁不再僅有向下的豎向荷載，還會產(chǎn)生水平側(cè)向力，側(cè)向力在頂升中的表現(xiàn)為橋梁主體向曲線外側(cè)移位，側(cè)向力逐漸加大，橋梁兩端限位器錨固位置混凝土可能出現(xiàn)裂縫，在頂升過程中，需觀察橋端限位器錨固位置有無裂縫出現(xiàn)，詳細記錄裂縫出現(xiàn)位置、寬度及發(fā)展形態(tài)，并將橫向位移值與理論值比較分析，確定臨時支撐系統(tǒng)所受側(cè)向力大小。

實時監(jiān)測豎向位移是保證頂升同步性的重要措施之一。本橋頂升縱坡由4%變?yōu)?.5%，縱坡的變化使千斤頂難以完全均勻垂直受力，剛性橋梁在實際施工中會不同程度地出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象，即單個千斤頂及部分千斤頂不受力或不完全受力情況，進而使頂升速率出現(xiàn)不一致。沿橋向局部頂升速率不一致時，頂升過快，橋梁負彎矩區(qū)彎矩迅速增大，同區(qū)域橋梁上表面出現(xiàn)裂縫；頂升過慢，相鄰橋墩處負彎矩區(qū)彎矩增大，橋梁上表面出現(xiàn)裂縫；沿橋向曲線內(nèi)外兩側(cè)整體頂升速率不一致，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生翻轉(zhuǎn)；橫向同橋墩處頂升速率不一致，結(jié)構(gòu)受扭，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生損傷，相鄰跨中主梁外側(cè)應(yīng)力值增大，橋墩處兩側(cè)應(yīng)力值變化趨勢相反。

為實時掌握頂升過程中各橋墩同步性，如圖7所示，擬采用拉線式位移傳感器，拉線式位移傳感器采用無線傳輸信號，實時傳輸數(shù)據(jù)，施工方便快捷，具有高靈敏度、高精度、高疲勞性能、性能穩(wěn)定、耐久性強等優(yōu)點。102號墩距分配梁左側(cè)4cm橫斷面處布置3個拉線式位移傳感器，103～105號墩支座外側(cè)4cm處以橋墩中軸線為對稱軸布置拉線式位移傳感器，全橋共計15個豎向位移測點。在102～105號墩各墩中軸線箱梁南側(cè)底面各設(shè)置1個橫向位移監(jiān)測點，用高精度全站儀進行測量，共計4個橫向位移監(jiān)測點。102號墩頂升效果如圖8所示，位移測點布置如圖8所示。

圖7 拉線式位移傳感器及其現(xiàn)場布置

圖8 位移監(jiān)測點布置

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 箱梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及分析

在頂升全過程中均對梁體進行實時應(yīng)變監(jiān)測。取橋梁兩端監(jiān)測點Y1，Y31及跨中監(jiān)測點Y16，應(yīng)變監(jiān)測如圖9所示。應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果表明：頂升過程中，前期累計頂升高度較小，應(yīng)變值變化較平緩，隨著頂升累計高度增加，應(yīng)變值變化量隨之增加；從應(yīng)變值來看，單次頂升數(shù)值變化量呈上升趨勢，梁體基本處于彈性變形范圍，單行程頂升結(jié)束后，梁體恢復原狀?？拷D(zhuǎn)軸的監(jiān)測點Y31單行程應(yīng)變變化值略高于遠端監(jiān)測點Y1，表明頂升中約束強的一端結(jié)構(gòu)損傷積累高于頂升一側(cè)結(jié)構(gòu)損傷；頂升高度位于1.5～3.0m處數(shù)值出現(xiàn)突變，突變值約為150με，應(yīng)變傳感器測得應(yīng)變?yōu)榭倯?yīng)變，包括應(yīng)力應(yīng)變和非應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)力應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和徐變應(yīng)變2種，非應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榛炷馏w積應(yīng)變、溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變，此處數(shù)值突變?yōu)榉菓?yīng)力應(yīng)變，施工時間為夏季8—9月，梁體表面溫度較高，頂升至此高度出現(xiàn)連續(xù)降雨，溫度下降約7℃，基本符合試驗中溫度每±1℃，微應(yīng)變±20με的理論值?？紤]溫度作用后應(yīng)變變化值均在-100～200με，小于預(yù)警值400με，且頂升中未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，結(jié)構(gòu)受力處于安全范圍內(nèi)。

圖9 應(yīng)變監(jiān)測

4.2 箱梁位移監(jiān)測結(jié)果及分析

為從宏觀角度把握橋梁運動趨勢及其所處空間位置，對102～106號墩兩側(cè)進行位移監(jiān)測，監(jiān)控內(nèi)容包括橋梁橫向位移和實時橋墩豎向位移。監(jiān)測結(jié)果表明：各橋墩處于平穩(wěn)上升姿態(tài)，實時監(jiān)測過程中，箱梁內(nèi)、外側(cè)同步性較好，單行程頂升同截面兩側(cè)誤差嚴格把控在3mm以內(nèi)，各橋墩累計頂升豎向高度基本為線性關(guān)系，與106號墩旋轉(zhuǎn)軸距離成正比，最大高度為102號墩監(jiān)測點，累計頂升高度為4 159.69mm，如圖10所示，由于監(jiān)測點布于橋墩內(nèi)側(cè)，因此略小于設(shè)計值4 200mm，與預(yù)期理論頂升值相吻合。曲線梁在頂升過程中有2個橫向側(cè)移高峰值，最大值為N1點，橫向側(cè)移值為8.7mm，橫向位移急劇增加的原因是旋轉(zhuǎn)軸106號墩處限位器位置箱梁上表面混凝土出現(xiàn)裂縫，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時采取技術(shù)措施后，橫向位移均緩慢減小，如圖11所示。根據(jù)曲線橋頂升位移原理，橫向側(cè)移值與頂升高度的變化呈函數(shù)關(guān)系，側(cè)移量隨余弦值的增大而增大，理論計算最大側(cè)移值為102號墩N4點，出于工程施工安全考慮，在102號墩處增加限位器，因此最大橫向側(cè)移值為N3點，達到預(yù)定高度后側(cè)移值為2.9mm，監(jiān)測結(jié)果如圖12所示，N1，N2，N3點橫向側(cè)移值呈線性變化，N4點幾乎無側(cè)移，符合預(yù)期理論分析。

圖10 各橋墩累計頂升高度

圖11 箱梁累計側(cè)向位移

圖12 箱梁各測點最終橫向位移

4.3 地基沉降及千斤頂應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

與原結(jié)構(gòu)相比，地基受力方式、約束條件均發(fā)生較大改變，為實時掌握地基沉降情況，對各橋墩沉降位移及千斤頂應(yīng)力進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖13，14所示。監(jiān)測顯示：地基在頂升過程中幾乎無下降情況，地基承載力較好，符合頂升設(shè)計要求，最大沉降點為104號墩外側(cè)4號點，沉降值為1.3mm，處于預(yù)警范圍內(nèi)，頂升中箱梁繞中軸線旋轉(zhuǎn)及橫向側(cè)移約束，使曲線外側(cè)地基沉降值高于曲線內(nèi)側(cè)地基沉降值，符合理論分析。圖14所示單行程千斤頂應(yīng)力(頂升高度2 178.22～2 278.40mm)監(jiān)測結(jié)果表明，頂升過程中千斤頂穩(wěn)壓效果較好，分配梁受力均勻，箱梁處于平穩(wěn)運行姿態(tài)，箱梁繞106號墩旋轉(zhuǎn)，千斤頂完全受力達到最大值后，隨余弦值的增大，曲線橋遠端兩側(cè)千斤頂應(yīng)力緩慢減小，且曲線外(南)側(cè)千斤頂應(yīng)力大于曲線內(nèi)(北)側(cè)，從另一個角度表明曲線外側(cè)地基沉降大于內(nèi)側(cè)。

圖13 地基累計沉降

圖14 102號墩單行程千斤頂應(yīng)力

5 結(jié)語

1)本工程中采用的曲線橋監(jiān)測預(yù)警方案切實可行，能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對頂升進行實時預(yù)警，全過程掌握橋梁所處空間位置及受力狀態(tài)。

2)通過采用多種現(xiàn)代科技手段實施全過程監(jiān)測、預(yù)警，箱梁頂升同步性得到有效控制，地基上表面、箱梁下表面均未出現(xiàn)受拉裂縫，橋梁上表面除橋端限位錨固處出現(xiàn)裂縫外，無新裂縫出現(xiàn)。

3)通過設(shè)置橫向限位器及根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整，達到預(yù)定高度后，最大橫向側(cè)移值為2.3mm，橋梁線形未出現(xiàn)明顯變化，頂升橋段保持高度完整性。

4)夏季施工應(yīng)變監(jiān)測受非應(yīng)力因素影響較大，非應(yīng)力應(yīng)變會隨溫度變化出現(xiàn)較大波動。

5)曲線梁繞中軸線旋轉(zhuǎn)及橫向側(cè)移約束會造成外側(cè)地基沉降值增大，單行程頂升中，外側(cè)千斤頂受力大于內(nèi)側(cè)。曲線梁繞頂升旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，遠端千斤頂應(yīng)力逐漸減小。