孫海鵬
(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014)
鋼箱系桿拱橋主要由拱肋、鋼箱系桿、吊桿、橫縱梁、橫撐等構(gòu)件組成。它是將梁和拱兩種基本結(jié)構(gòu)組合起來的拱式組合體系橋,具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型美觀、水平推力小的優(yōu)點(diǎn),在我國公路橋梁建設(shè)中占有著重要地位[1-2]。鋼箱系桿拱橋多采用節(jié)段拼裝法進(jìn)行施工,先化整為零,后化零為整。將橋梁劃分節(jié)段,在鋼結(jié)構(gòu)工廠預(yù)制成型后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)逐段拼裝[3-5]。
然而,在實(shí)際施工過程中,由于系桿拱橋跨度較大,利用浮吊分大節(jié)段進(jìn)行拼裝,技術(shù)復(fù)雜、施工難度大,所以,在施工過程中開展安全、高效的施工監(jiān)控就顯得尤為重要[6-8]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼箱系桿拱橋在施工監(jiān)控方面的研究也在不斷地優(yōu)化和完善。楊坳蘭等[9-11]對(duì)施工過程中的大跨度鋼箱系桿拱橋的內(nèi)力和位移進(jìn)行了分析、計(jì)算和預(yù)測(cè),有效地控制了最終線形在設(shè)計(jì)允許的誤差范圍內(nèi)。蔣宗全等[12]基于實(shí)際工程,分析了鋼箱拱橋架設(shè)過程中線形控制的關(guān)鍵技術(shù)和主要架設(shè)過程,對(duì)大跨度鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控起到了一定的借鑒作用。狄生奎等[13]通過計(jì)算拱肋節(jié)段自重作用下彈性變形引起的下?lián)?,確定了預(yù)抬高值,使得鋼箱系桿拱橋拱肋節(jié)段吊裝后線形滿足要求。
另外,系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,施工階段受力體系轉(zhuǎn)化次數(shù)較多,系梁、拱肋、吊桿等構(gòu)件難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析?,F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者多采用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,王福春等[14]利用Midas Civil 軟件對(duì)拱肋、拱腳等應(yīng)力集中部位進(jìn)行了重點(diǎn)分析;張濤等[15-16]分析了不同溫度作用下橋梁的撓度和縱向變形規(guī)律、變形機(jī)理等,為大跨下承式鋼箱系桿拱橋的施工控制和性能評(píng)估提供了參考。
本文依托蘇州市勝浦大橋改建項(xiàng)目,對(duì)大節(jié)段拼裝系桿拱橋提出了系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)方法。通過結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析、線形控制、內(nèi)力調(diào)整、模型計(jì)算相結(jié)合的方法,確保施工中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)處在預(yù)期范圍內(nèi)。
如圖1 所示,勝浦大橋主橋上部跨徑布置為120+140 m 雙跨簡支下承式鋼箱系桿拱,橫向雙幅。拱肋采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu),設(shè)兩片拱肋。主橋計(jì)算跨徑117/137 m,矢高23.4/27.4 m,矢跨比1/5,拱軸線線型為二次拋物線。拱肋中心橫向距離25.9 m。120 m 主跨每側(cè)拱肋各設(shè)置17 根吊桿,全橋共2×34 根,140 m 主跨每側(cè)拱肋各設(shè)置20 根吊桿,全橋共2×40 根。
圖1 勝浦大橋立面圖
勝浦大橋采用大節(jié)段拼裝,利用浮吊在橋位處安裝施工,如圖2 所示,具體流程如下。
圖2 勝浦大橋施工立面圖
(1)鋼管樁臨時(shí)支撐施工。
(2)采用200 t 浮吊船將主橋120 m 跨系桿,橫梁及橋面板分階段吊裝拼接后焊成整體。
(3)在系桿上搭設(shè)豎向格構(gòu)支架,吊裝拱肋節(jié)段及風(fēng)撐節(jié)段,分段拼裝、焊接成整體。
(4)拆除拱肋與系桿間臨時(shí)支撐,安裝吊桿。
(5)主橋140 m 跨采用相同方法施工。
(6)拆除臨時(shí)支架,澆筑橋面鋪裝,安裝伸縮縫及其他附屬設(shè)施,交工驗(yàn)收。
結(jié)合本監(jiān)控項(xiàng)目的實(shí)際情況,選用閉環(huán)控制方法。閉環(huán)控制法可以按照性能最優(yōu)的原則對(duì)施工誤差進(jìn)行糾正和控制,使得誤差已經(jīng)發(fā)生的結(jié)構(gòu)狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。其基本步驟如圖3 所示。
圖3 施工監(jiān)控方法流程圖
勝浦大橋主橋?yàn)榇罂鐝綄挿撓湎禇U拱橋,利用浮吊分大節(jié)段拼裝,技術(shù)復(fù)雜、施工難度大。橋梁由鋼箱拱肋、鋼箱系桿并綴以吊桿,構(gòu)成縱向受力體系。橫梁、正交異性交面板及現(xiàn)澆層等構(gòu)成橋面行車系。橋面恒載及活載通過橫梁作用于系桿,并傳給吊桿和拱肋。拱肋產(chǎn)生的不平衡水平推力通過系桿來承受。經(jīng)分析認(rèn)為,施工關(guān)鍵工序?yàn)楣袄呦禇U的預(yù)制及拼裝成型和分步張拉吊桿力,其特殊的施工方式,使得結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)。
2.2.1 系梁線形控制難度大
使用大節(jié)段吊裝,系梁節(jié)段跨度大。采用先在支架上簡支安裝,再焊接成形的方式施工,系梁在合龍后,會(huì)存在初始變形,如圖4 所示。
由圖4可知,采用先簡支架設(shè),再在支架上焊接的安裝形式,系梁不可避免的會(huì)出現(xiàn)初始變形,這對(duì)成橋線形是非常不利的。因此,要確保勝浦大橋線形整體平順、滿足設(shè)計(jì)線形,就要根據(jù)大橋支架的布置情況,選擇撓度較大的大節(jié)段,設(shè)置專門的節(jié)段預(yù)拱度,進(jìn)而確保大橋成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求。120 m、140 m 跨徑右幅橋梁局部施工預(yù)拱度設(shè)置如圖5、圖6 所示。
圖4 勝浦大橋系桿變形
圖5 120 m 跨徑右幅局部施工預(yù)拱度設(shè)置
圖6 140 m 跨徑右幅局部施工預(yù)拱度設(shè)置
2.2.2 拱肋架設(shè)標(biāo)高控制難度大
勝浦大橋的拱肋,采用在系梁上搭設(shè)支架,大節(jié)段吊裝后再焊接的形式安裝。在拱肋合龍之前,勝浦大橋的拱肋無法形成穩(wěn)定受力的體系,拱肋的自重荷載等作用均需要由支架承擔(dān),而拱肋支架并非架設(shè)在可靠的地基上,而是在系梁上,部分支架架設(shè)在系梁節(jié)段跨中位置。在拱肋及支架自重荷載作用下,系梁會(huì)產(chǎn)生一定的下?lián)希M(jìn)而引起拱肋的下?lián)?,如圖7 所示。
圖7 勝浦大橋拱肋架設(shè)階段位移示意圖
2.2.3 大節(jié)段拼裝結(jié)構(gòu)存在初始應(yīng)力
勝浦大橋的支架架設(shè),與設(shè)計(jì)施工流程圖中的支架相比較為稀疏。采用大節(jié)段拼裝施工的方式,簡支狀態(tài)下的系梁不可避免的會(huì)出現(xiàn)下?lián)献冃?,在這種狀態(tài)下,系梁焊接合龍,系梁的變形可以利用設(shè)置預(yù)拱度的方式消除,但系梁內(nèi)力無法有效地消除。系梁在合龍狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力如圖8 所示。
圖8 勝浦大橋系梁初始內(nèi)力
結(jié)構(gòu)過大的初始內(nèi)力,會(huì)導(dǎo)致橋梁成橋狀態(tài)下的內(nèi)力較大。在橋梁運(yùn)營后汽車荷載、溫度荷載等活荷載的組合作用下,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅可能較大。
2.2.4 鋼結(jié)構(gòu)溫度敏感性的控制
勝浦大橋全橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)橋梁對(duì)溫度效應(yīng)較敏感。受溫度影響,結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的位移。以120 m跨徑孔成橋狀態(tài)為例,在降溫30℃的情況下,橋梁位移如圖9 所示。
由圖9可知,勝浦大橋成橋狀態(tài)下,整體降溫30℃的工況下,結(jié)構(gòu)最大位移為43 mm。由此可見,勝浦大橋采用全橋鋼結(jié)構(gòu)的形式,溫度引起的位移響應(yīng)較大,對(duì)溫度引起的位移有效預(yù)測(cè)和控制至關(guān)重要。此外,溫度變化同樣影響了勝浦大橋的監(jiān)控測(cè)量工作,選擇正確合理的測(cè)量時(shí)間是保證測(cè)量精度的重要條件。因此,勝浦大橋的監(jiān)控測(cè)量工作擬選擇在氣溫穩(wěn)定的清晨,同時(shí)通過計(jì)算分析,排除溫度荷載的影響。
圖9 勝浦大橋在溫度荷載下的位移響應(yīng)
鋼箱拱肋、系梁采用事先預(yù)制,再逐段安裝的施工方法,其線形主要通過控制加工線形實(shí)現(xiàn)。
拱肋、系桿安裝到位后,后續(xù)施工對(duì)其線形會(huì)產(chǎn)生影響,通過全站儀和水準(zhǔn)儀對(duì)拱肋、系桿截面的坐標(biāo)在每一工況后進(jìn)行測(cè)量,測(cè)點(diǎn)順橋向布置如圖10 所示(以120 m 跨徑為例),每拱肋在L/4、L/2、3L/4 和拱腳截面各設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn),橫橋向布置在拱肋中心線上。兩側(cè)系桿在L/4、L/2、3L/4 截面各設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn),橫橋向布置在系梁中心線上。
圖10 120 m 跨徑系桿拱橋位移測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)
根據(jù)上節(jié)分析可知,節(jié)段跨中處撓度較大,因此根據(jù)分結(jié)果補(bǔ)充測(cè)試截面(以120 m 跨徑為例),如圖11 所示。
圖11 120 m 左幅外側(cè)拱肋增設(shè)測(cè)試截面(單位:mm)
為確保施工過程中臨時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,應(yīng)開展支架變位監(jiān)測(cè),如施工過程中土體出現(xiàn)不均勻沉降能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)警。支架位移建議使用全站儀測(cè)量,測(cè)點(diǎn)布置如圖12 所示(以120 m 跨徑為例)。
圖12 120 m 跨徑支架位移測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)
系桿在順橋向選擇拱腳、L/4、L/2、3L/4 截面作為應(yīng)力控制監(jiān)測(cè),表面粘貼式應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)系桿上、下緣應(yīng)力。拱肋各選取拱腳、L/4、L/2、3L/4 截面安裝表面式傳感器。測(cè)點(diǎn)布置如圖13 所示。
圖13 120 m 跨徑系桿拱橋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)
結(jié)合計(jì)算分析,針對(duì)跨徑較大的節(jié)段,增設(shè)應(yīng)力測(cè)試截面,如圖14 所示。
圖14 120 m 跨徑系桿拱橋應(yīng)力增設(shè)測(cè)試界面(單位:mm)
吊桿索力的大小直接影響到主梁的線形和內(nèi)力的分布情況。勝浦大橋主梁相對(duì)于主拱肋剛度較小,吊桿張拉力過大會(huì)使主梁變形過大,必須嚴(yán)格控制吊桿內(nèi)力與設(shè)計(jì)相符。施工監(jiān)控以主梁高程為輔助,吊桿索力為主,索力均勻無突變。吊桿索力采用索力動(dòng)測(cè)儀或動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。
本次計(jì)算分析針對(duì)勝浦大橋主橋上部結(jié)構(gòu),主要依據(jù)橋梁施工圖設(shè)計(jì)文件,結(jié)合相關(guān)施工方案,進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算、施工階段驗(yàn)算及控制參數(shù)計(jì)算。全橋計(jì)算模型共有節(jié)點(diǎn)3 441個(gè)、單元7 126個(gè),并按設(shè)計(jì)文件與施工方案劃分施工階段,計(jì)算模型如圖15 所示(以120 m 跨徑為例)。
圖15 勝浦大橋主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(120 m)
主橋材料:Q355D,容重78.5 kN/m3,彈性模量2.06×108 kN/m2。
吊桿:柔性索型號(hào)為7-55、7-73 鍍鋅平行鋼絲,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 670 MPa,彈性模量≥1.9×10 MPa。
根據(jù)施工方案,將橋梁施工階段在有限元模型簡化為8個(gè)施工階段,分別為系梁架設(shè)、安裝橫梁、安裝第一段拱肋、安裝第二段拱肋、拱肋合龍、安裝風(fēng)撐、吊桿安裝并張拉、二期施工。
3.2.1 施工階段位移分析
8個(gè)施工階段位移分析如圖16(a)-圖16(h)所示。
圖16 勝浦大橋施工階段位移(120 m 跨徑)
3.2.2 施工階段應(yīng)力分析
根據(jù)現(xiàn)有總體施工組織設(shè)計(jì)等文件模擬大橋施工過程。為保證鋼構(gòu)件施工過程具備一定的安全儲(chǔ)備,參照J(rèn)TG T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中施工階段鋼構(gòu)件容許應(yīng)力的相關(guān)要求,取施工階段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力容許值為0.75fy=0.75×270=202.5 MPa。施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力包絡(luò)圖如圖17、圖18 所示。
圖17 勝浦大橋施工階段最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖(-79.2 MPa)
圖18 勝浦大橋施工階段最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖(99.4 MPa)
通過上述分析可知,施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大為99.4 MPa,最小為-79.2 MPa,均滿足規(guī)范要求。為橋梁后期順利施工提供了理論技術(shù)支持。
本文依托勝浦大橋的施工實(shí)例,通過橋梁特點(diǎn)分析、線形計(jì)算、內(nèi)力控制,并結(jié)合有限元模型分析的方法,提出了一套系統(tǒng)的監(jiān)控方法,為鋼箱系桿拱橋大節(jié)段拼裝的施工監(jiān)控技術(shù)提供了完備的理論依據(jù),確保了橋梁在施工過程中的結(jié)構(gòu)相應(yīng)處于設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。
(1)本文通過有限元模型進(jìn)行施工階段計(jì)算分析,提取了大節(jié)段吊裝系桿時(shí),系桿處于簡支狀下的撓度,并以此預(yù)設(shè)施工預(yù)拱度,使得理論模型更加貼合實(shí)際,成橋線形更加準(zhǔn)確。
(2)本文詳細(xì)分析了橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)施工過程中的重難點(diǎn),有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的施工監(jiān)控內(nèi)容,如臨時(shí)支撐檢測(cè)、溫度檢測(cè)等,為鋼箱系桿拱橋的監(jiān)控技術(shù)提供了新思路、新方法。
(3)通過施工全過程的跟蹤分析計(jì)算可知,橋梁結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、撓度均在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi),