曲 揚 劉智勇 馬懷章 陳 波 李佳鵬 羅永峰

1. 中建八局第三建設(shè)有限公司 江蘇 南京 210046;2. 同濟大學(xué) 上海 200092

1 工程概況

背景工程為一座位于上海市區(qū)蘇州河上的鋼桁架橋，1908年建成服役至今一直供汽車及行人通行，是我國僅存的幾座魚腹式簡支梁式鋼桁架橋之一。該橋為下承式簡支鋼桁架橋，跨度59.74 m，高度9.14 m，2榀主桁架中心距為9.03 m，兩側(cè)各有外伸寬4.96 m的人行道，橋體總重約444.7 t，橋體全貌如圖1所示。該鋼橋服役時間長，已出現(xiàn)較多損傷與缺陷，為延長使用壽命，需對橋體結(jié)構(gòu)進行大修。由于該橋位于市區(qū)，在原橋址進行大修的難度很大，故根據(jù)預(yù)定施工方案，需將該橋整體滑移至距北岸100 m左右的預(yù)設(shè)維修加固廠內(nèi)，進行橋體結(jié)構(gòu)維護大修（圖2）。待維修加固完成后，再將其整體移運至原橋址處進行原位安裝。本鋼橋結(jié)構(gòu)大修施工分為舊橋整體移卸施工和新橋整體移運復(fù)位施工2個階段，本文僅介紹新橋整體移運復(fù)位施工階段的施工過程模擬和應(yīng)力監(jiān)測方法與結(jié)果。

圖1 鋼橋全貌

圖2 鋼橋大修現(xiàn)場

2 施工流程分解

本文根據(jù)結(jié)構(gòu)施工過程的受力特點和邊界條件，將整個施工過程分為6個施工步驟，根據(jù)各施工步驟實際構(gòu)造，設(shè)置各施工步驟的邊界條件，建立對應(yīng)的施工過程力學(xué)模型，施工流程如表1所示。

表1 施工流程

3 施工過程模擬計算

復(fù)雜結(jié)構(gòu)和施工過程的跟蹤模擬計算是對施工中的結(jié)構(gòu)力學(xué)性態(tài)進行準確預(yù)測，進而對施工中可能出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象提出評估預(yù)警的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。本文針對各施工步驟對應(yīng)的力學(xué)模型分別進行數(shù)值計算，統(tǒng)計得到的各施工步驟下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、最大應(yīng)力、位移云圖以及最大位移如表2所示。計算過程采用Midas結(jié)構(gòu)有限元軟件進行建模分析，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用空間梁單元模擬。

表2 施工過程模擬計算

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最不利應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)在第1、3、4步的橋體南、北部第2根立桿底部，最大應(yīng)力為－138.96 MPa（＜210 MPa），應(yīng)力比為0.66。各施工步驟下結(jié)構(gòu)的最大變形均出現(xiàn)在橋體跨中。結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在第6步，結(jié)構(gòu)最大位移為30.54 mm，方向豎直向下。根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，鋼橋所有構(gòu)件應(yīng)力比和結(jié)構(gòu)變形均滿足安全性要求。

4 施工過程監(jiān)測

4.1 施工監(jiān)測參數(shù)的確定

施工監(jiān)測參數(shù)應(yīng)該能夠反映結(jié)構(gòu)及其施工支撐體系在任意施工階段的力學(xué)性態(tài)或預(yù)示可能出現(xiàn)的失效模式[2]。根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點和施工方案，通過數(shù)值模擬分析鋼橋的受力性態(tài)，確定在施工過程中可能出現(xiàn)的不利情況，進而確定需要監(jiān)測的主要參數(shù)有以下3個方面。

1）構(gòu)件應(yīng)力：應(yīng)力較大構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)力變化較大構(gòu)件的應(yīng)力、關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力。

2）位移或變形：防汛墻沉降、橋臺沉降、橋體變形及幾何形狀變化。

3）環(huán)境溫度。

本文主要分析本次監(jiān)測項目中的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此位移或變形監(jiān)測情況不再贅述。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測點布置

根據(jù)施工模擬計算結(jié)果，按照以下原則確定需要監(jiān)測應(yīng)力的構(gòu)件，并布置相應(yīng)的測點（圖3）。

圖3 應(yīng)力測點布置示意

1）應(yīng)力較大的構(gòu)件：在滑移施工階段，選取驗算結(jié)果中應(yīng)力較大的構(gòu)件布置應(yīng)變計，以監(jiān)測此類構(gòu)件的內(nèi)力。布置的測點有SS3、SS4、SS7和SS8。

2）結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件：支座附近構(gòu)件和加固立桿附近構(gòu)件受力較復(fù)雜，且構(gòu)件內(nèi)力較大，需布置應(yīng)變計以監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)。布置的測點有SS5、SS6、SS9、SS10和SS11。

3）應(yīng)力變化較大構(gòu)件：施工過程中存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程，南、北部加固立桿在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程中，受力變化較大。因此，在受力變化較大的加固立桿處布置應(yīng)變計以監(jiān)測構(gòu)件受力變化。布置的測點有SS1、SS2、SS3、SS4、SS7和SS8。

4）滑移同步性：在整個吊裝滑移過程中，若作業(yè)不同步，整個橋體對稱部位受力差異將較大，因此，在東、西側(cè)桁架關(guān)鍵部位布置對稱測點以控制滑移同步性。布置的測點有SS1、SS2、SS3、SS4、SS5、SS6、SS7和SS8。

根據(jù)本工程施工特點和以上測點布置原則，應(yīng)力測點主要布置于南、北兩側(cè)第1根和第2根立桿、桁架南側(cè)第3節(jié)間下弦桿、西側(cè)桁架斜腹桿等部位。

4.3 監(jiān)測結(jié)果及比較

由于在橋體整體滑移施工前，橋體結(jié)構(gòu)在自重和施工荷載作用下，處于一定的受力狀態(tài)，需計算此狀態(tài)下各測點的初始應(yīng)力值，再與監(jiān)測結(jié)果疊加，以反映構(gòu)件的真實應(yīng)力狀態(tài)。本文采用時間序列分段線性表示對數(shù)據(jù)進行擬合，引入了基于一次極值點和二次極值點的擬合方法[3]，通過對比壓縮率和擬合誤差，驗證上述方法的有效性。

為更好地表現(xiàn)突變的效果，選取變化值大、變化次數(shù)多的測點SS3（南部東側(cè)第2根立桿）作為關(guān)鍵測點，對關(guān)鍵測點的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理。同時，將關(guān)鍵應(yīng)力測點的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果與理論計算值進行對比分析，以證明擬合方法的有效性。圖4為施工過程中應(yīng)力測點SS3監(jiān)測數(shù)據(jù)實測值與理論值的對比，圖5為施工過程中應(yīng)力測點SS3-1監(jiān)測數(shù)據(jù)的原始序列以及根據(jù)定義得到的一次極值點序列和二次極值點序列。

圖4 理論值與實測值對比

圖5 2種方法擬合效果對比

綜合圖4、圖5可以看出：

1）以監(jiān)測頻次為橫軸、應(yīng)力值為縱軸的二次極值點序列，既表達了突變的時間，也顯示了施工步驟持續(xù)時間。其中第2步持續(xù)時間最長，該施工步驟為南部橋體由吊機吊起，向浮箱擱置位置移運橋體。該施工步驟涉及起吊、移運、擱置等關(guān)鍵步驟，耗時較長，與圖中反映情況一致。

2）施工第1步、第2步、第3步和第6步，測點應(yīng)力經(jīng)歷了4次突變，這與橋體結(jié)構(gòu)在移運過程中經(jīng)歷的“擱置—起吊—擱置—落位”的施工過程一致，每一次支撐點轉(zhuǎn)換都會引起應(yīng)力的突變。第6步為橋體落位施工階段，兩測點應(yīng)力恢復(fù)到橋體復(fù)位施工前初始狀態(tài)應(yīng)力水平。

分析圖4可知，在第1、3、4、5步，現(xiàn)場實測值小于理論值。主要是橋體南部第2根立桿受力不均勻、施工誤差、風(fēng)荷載和溫度作用等不確定性因素導(dǎo)致理論計算值與實測值產(chǎn)生差異。SS3測點應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第4步，其中理論計算值最大為－114 MPa，實測有效應(yīng)力代表值最大為－67.04 MPa。在整個施工過程中，應(yīng)力測點應(yīng)力值均在安全范圍內(nèi)。

分析圖5可知，一次極值點序列既能很好地保留原始序列的局部細節(jié)，也能從整體上把握原始序列的主要形態(tài)特征。但相對于原始序列，一次極值點序列的數(shù)據(jù)壓縮率僅為50%，而二次極值點序列則忽略了原始序列中部分不影響整體趨勢的局部細節(jié)，保留了原始序列的主要形態(tài)特征，同時具備較高的擬合精度。相對于原始序列，二次極值點序列的數(shù)據(jù)壓縮率為83%。對于施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法的選用，目的是以少量數(shù)據(jù)表達原始海量數(shù)據(jù)序列的主要形態(tài)特征。因而，二次極值點序列更適用于該類監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理。

5 結(jié)語

1）本文實施的施工過程模擬能夠準確預(yù)測鋼橋施工過程的構(gòu)件應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。計算結(jié)果表明，整體移運復(fù)位施工方法能夠有效保證鋼橋原位安裝過程的安全性。

2）本文采用的監(jiān)測技術(shù)可以有效地監(jiān)控構(gòu)件應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形。監(jiān)測結(jié)果與有限元軟件的計算吻合度較高，可以為結(jié)構(gòu)安全施工提供可靠的信息，同時也驗證了本文所提出的施工方法可以在實際工程中廣泛應(yīng)用。

3）本文采用的二次極值點序列方法，可有效擬合監(jiān)測數(shù)據(jù)實際值，保留了原始數(shù)據(jù)的主要特征，數(shù)據(jù)壓縮率和擬合精度較高，可在實際監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中廣泛推廣。

[1] 羅永峰,王春江,陳曉明,等.建筑鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2] 羅永峰,葉智武,陳曉明,等.空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)及測點布置研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2014,35(11):108-115.

[3] 高喜欣,羅永峰,馮俊華,等.鋼結(jié)構(gòu)施工過程靜力監(jiān)測數(shù)據(jù)分段線性化表示方法[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展,2020,22(3):114-120.