劉國飛

1.鐵正檢測(cè)科技有限公司，濟(jì)南 250014；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014

鋼桁梁橋具有受力好、重量輕、抗彎剪扭剛度大、適應(yīng)性強(qiáng)、安裝架設(shè)技術(shù)成熟、質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的連續(xù)梁鋼桁梁被應(yīng)用到實(shí)際工程中［1］。隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，高速列車對(duì)大橋的舒適性和安全性提出了更高要求。因此，應(yīng)保證大跨度鋼桁梁的橋面線形盡可能與線路設(shè)計(jì)線形一致，提高線路的運(yùn)行質(zhì)量。連續(xù)鋼桁梁為多次超靜定的結(jié)構(gòu)體系，橋梁存在多次體系轉(zhuǎn)換，受力狀態(tài)復(fù)雜，具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)。施工工藝、環(huán)境溫度等都會(huì)直接影響鋼桁梁線形、應(yīng)力水平，橋梁成橋線形很難達(dá)到設(shè)計(jì)的理想線形，施工監(jiān)控難度大［2］。

本文以鄭州黃河特大橋（112 + 6 × 168 + 112）m連續(xù)鋼桁梁橋施工為研究對(duì)象，通過數(shù)值仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)施工控制相結(jié)合的方法，開展懸臂拼裝鋼桁梁監(jiān)控研究，為現(xiàn)場(chǎng)鋼桁梁架設(shè)施工提供指導(dǎo)，為同類型橋梁監(jiān)控提供借鑒。

1 工程背景

鄭州黃河特大橋位于鄭州市鄭東新區(qū)馬渡河段，大橋?yàn)樯舷聦釉O(shè)計(jì)，上層為雙線六車道快速公路，設(shè)計(jì)速度為100 km/h；下層為四線鐵路，其中兩線為鄭濟(jì)高速鐵路，兩線為鄭新城際鐵路，設(shè)計(jì)速度分別為350、160 km/h。該橋于2017 年8 月開工建設(shè)，2021 年11月施工完成，具備通車條件。

主橋采用華倫式桁架，橫向布置為三片桁結(jié)構(gòu)，桁間距（13.4+13.4）m。112 m 邊跨的等高段鋼桁梁節(jié)間距為10.5 m，共6個(gè)節(jié)間，變高段節(jié)間距為12.0 m，共4個(gè)節(jié)間；168 m跨的變高段和等高段鋼桁梁節(jié)間距均為12.0 m。主梁中跨標(biāo)準(zhǔn)斷面處，左右邊桁中心桁高15.05 m，中桁中心桁高15.24 m，墩頂處中心桁高15.24+15.00=30.24 m。鐵路橋面系采用正交異型鋼橋面板，鋼橋面板上防護(hù)墻內(nèi)側(cè)鋪設(shè)15 cm 厚混凝土橋面板，橋面板與無砟軌道底座板連接。公路混凝土橋面板全寬32.5 m，支撐于鋼梁上弦，混凝土橋面板與鋼桁梁上弦通過剪力釘結(jié)合后共同受力。鋼桁梁橫斷面見圖1。

圖1 鋼桁梁橫斷面（單位：m）

2 施工架設(shè)方案

主橋大部分工程位于寬闊的黃河河面及岸邊、淺灘地帶，黃河為游蕩性河流，沖刷劇烈，主河槽位置擺動(dòng)較大，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面有限。綜合考慮環(huán)境、環(huán)保、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，選擇跨線龍門吊懸臂架設(shè)方案，即在橋梁上下游方向主河槽設(shè)置臨時(shí)棧橋，灘地部分填筑便道，分別作為門吊走道及施工通道。

連續(xù)鋼桁梁共計(jì)8 孔104 個(gè)節(jié)間，連續(xù)鋼桁梁架設(shè)共設(shè)置3 個(gè)架梁起始點(diǎn)，分別為378#、382#、386#墩。其中378#墩和386#墩為邊墩，設(shè)置拼裝支架；382#墩設(shè)置雙側(cè)墩旁托架。首先利用85 t履帶吊安裝382#墩旁托架，378#、386#墩拼裝支架。在382#墩位處分別使用跨度為41、58 m 的龍門吊機(jī)對(duì)稱懸臂架設(shè)鋼桁梁；在378#墩位處使用41 m 龍門吊機(jī)拼裝連續(xù)鋼桁梁起始節(jié)間，在386#墩位處使用58 m 龍門吊機(jī)拼裝連續(xù)鋼桁梁起始節(jié)間。全橋共設(shè)置2 處合龍口，分別位于380#—381#墩和383#—384#墩跨中。鋼桁梁合龍后，利用墩頂千斤頂對(duì)稱起頂200 mm，利用80 t龍門吊安裝相應(yīng)墩頂5 個(gè)節(jié)間公路橋面板，澆筑濕接縫，張拉預(yù)應(yīng)力；安裝剩余部分公路橋面板，澆筑濕接縫，張拉預(yù)應(yīng)力。最后施工鐵路現(xiàn)澆面板、橋面附屬工程。鋼桁梁主要工況架設(shè)施工順序見圖2。以382#墩為中心，378#墩與386#墩左右完全對(duì)稱。桿件編號(hào)：378#—382#墩上弦桿A0—A52，下弦桿E0—E52；382#—386#墩上弦桿A51'—A0'，下弦桿E51'—E0'；邊桁用S表示，中桁用M表示。

圖2 鋼桁梁主要工況架設(shè)施工順序

3 數(shù)值仿真分析

3.1 計(jì)算模型

利用有限元軟件MIDAS/Civil 2019 建立鋼桁梁橋空間有限元模型，主桁和公路橋面板采用梁?jiǎn)卧M，聯(lián)結(jié)系（包括上平聯(lián)、橋門架、平行弦中間橫聯(lián)、加勁弦橫聯(lián)、加勁弦平聯(lián)）采用桁架單元模擬，鐵路正交異性板采用帶肋板單元模擬。

為了保障有限元模型計(jì)算精度，對(duì)結(jié)構(gòu)各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，確定主要狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形及應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，保證模型能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.2 主要計(jì)算參數(shù)

3.2.1 結(jié)構(gòu)用鋼

鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)主要采用Q370qE 鋼，部分主桁桿件采用Q420qE 鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。下弦桿重度為164.8 kN/m3，加勁肋、上弦桿重度為125.6 kN/m3，腹桿重度為62.8 kN/m3，其他桿件重度為78.5 kN/m3。

3.2.2 混凝土

公路橋面板采用C60 混凝土，鐵路混凝土橋面板及防護(hù)墻采用C40 混凝土。C60 混凝土彈性模量為39.8 MPa，泊松比為0.2，重度為2.61 kN/m3。C40 混凝土彈性模量為36.3 GPa，泊松比為0.2，重度為2.51 kN/m3。

3.2.3 混凝土收縮徐變

施工環(huán)境按野外一般情況計(jì)算：相對(duì)濕度70%，徐變系數(shù)終極極值2.0，徐變?cè)鲩L(zhǎng)速率0.005 5，收縮速度系數(shù)為0.006 25，收縮終極系數(shù)為0.000 16。

3.3 施工關(guān)鍵工況理論計(jì)算分析

鋼桁梁采用懸臂拼裝的施工方法，在施工過程中需要經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，每次體系轉(zhuǎn)換均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的線形、應(yīng)力產(chǎn)生影響［3］。為了保證成橋后的橋梁線形與設(shè)計(jì)線形吻合，防止累積誤差過大，利用有限元軟件重點(diǎn)分析鋼桁梁施工關(guān)鍵工況的桿件應(yīng)力、位移等參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 連續(xù)鋼桁梁施工關(guān)鍵工況分析

由表1 可知，邊跨最大懸臂狀態(tài)桿件理論最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均未達(dá)到桿件容許應(yīng)力260 MPa，桿件受力狀況良好。中跨最大懸臂狀態(tài)桿件理論最大拉應(yīng)力雖未達(dá)到桿件容許應(yīng)力，但桿件應(yīng)力較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注桿件應(yīng)力狀態(tài)。鋼桁梁上墩前位移較大，須提前采用預(yù)抬措施，加強(qiáng)觀測(cè)頻率，以免鋼桁梁無法上墩。鋼桁梁合龍前桿件理論拉應(yīng)力較大，尤其需要關(guān)注380#墩頂桿件應(yīng)力狀態(tài)。

合龍口影響因素較多，通過分析鋼桁梁合龍口敏感性，加強(qiáng)溫度觀測(cè)，確定最佳合龍時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)鋼桁梁精準(zhǔn)合龍。

4 監(jiān)控內(nèi)容及方法

4.1 施工過程中變形監(jiān)控

根據(jù)大橋?qū)嶋H施工情況，建立變形測(cè)量控制網(wǎng)作為整個(gè)大橋的控制網(wǎng)。對(duì)于臨時(shí)墩水平位移及鋼桁梁軸線偏位采用高精度全站儀進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于施工過程中臨時(shí)墩沉降及鋼桁梁豎向相對(duì)位移采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)［4］。鋼桁梁撓度測(cè)點(diǎn)布置在中桁及邊桁上下弦桿前端，每個(gè)斷面布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖3，測(cè)點(diǎn)相對(duì)于中心線對(duì)稱。

圖3 鋼桁梁撓度測(cè)點(diǎn)布置

4.2 應(yīng)力監(jiān)控

鋼桁梁的桿件截面應(yīng)力隨拼裝跨度增加而不斷變化。為保證施工中結(jié)構(gòu)的受力始終符合設(shè)計(jì)要求，須對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)控。應(yīng)力監(jiān)控采用單點(diǎn)應(yīng)力采集和自動(dòng)化設(shè)備采集相結(jié)合的方式，臨時(shí)支墩及一般部位應(yīng)力采用MAS?SM?50振弦式表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)部位應(yīng)力采用JMZX?212HAT 高精度智能型應(yīng)變傳感器并配套JMZX?256 型自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)警［5］。鋼桁梁應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在關(guān)鍵工況桿件受力較大的上下弦桿、豎桿、斜腹桿以及墩頂加勁弦桿上下面，共計(jì)布設(shè)384 個(gè)測(cè)點(diǎn)。鋼桁梁部分應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖4。以382#墩為中心，378#墩與386#墩左右完全對(duì)稱。

圖4 鋼桁梁部分應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

4.3 溫度監(jiān)控

連續(xù)鋼桁梁在施工及運(yùn)營(yíng)過程中，日照溫差形成的不均勻溫度場(chǎng)會(huì)對(duì)全橋的受力性能造成影響。橋梁一般是縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向?qū)挾群拓Q向高度的狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物，所以溫度分布在其縱向上基本不變。在太陽輻射、大氣日溫度變化等組合影響下，結(jié)構(gòu)向陽面溫度與背陽面溫度隨時(shí)變化，可能會(huì)產(chǎn)生較大溫差［6］?？紤]到鋼桁梁對(duì)溫度變化比較敏感，為保證鋼桁梁順利合龍，在381#墩上弦桿、豎桿、加勁豎桿以及下弦桿布設(shè)36 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)來研究橋梁豎向和橫向的溫差分布特性。鋼桁梁溫度測(cè)點(diǎn)布置圖5。

圖5 鋼桁梁溫度測(cè)點(diǎn)布置

5 監(jiān)控結(jié)果分析

5.1 預(yù)拱度偏差

對(duì)于連續(xù)鋼桁梁來說，拼裝順序、合龍方式不同，成橋線形和桿件內(nèi)力分配不同。因此，桿件在生產(chǎn)制造前，需要確定合理的施工方案，以保證實(shí)測(cè)預(yù)拱度與理論預(yù)拱度的差值在合理范圍。連續(xù)鋼桁梁預(yù)拱度對(duì)比見表2。由于數(shù)據(jù)較多，表中僅列出每跨最大預(yù)拱度?？芍?，理論預(yù)拱度與實(shí)測(cè)預(yù)拱度吻合良好，最大偏差滿足技術(shù)文件要求的±10 mm，為后期軌道板鋪設(shè)、線形調(diào)整預(yù)留了較大空間。

表2 連續(xù)鋼桁梁預(yù)拱度對(duì)比

5.2 變形

鋼桁梁懸臂拼裝施工過程中線形是不斷變化的，尤其是鋼桁梁施工通過不斷地起落頂來調(diào)整鋼桁梁姿態(tài)，線形變化量波動(dòng)更加明顯［7］。鋼桁梁每一個(gè)施工階段的變形都需要及時(shí)觀測(cè)，對(duì)于重點(diǎn)施工階段，更需要加密觀測(cè)。鋼桁梁桿件部分節(jié)點(diǎn)高差見表3。

TB 10752—2010《高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定兩主桁梁支點(diǎn)相對(duì)高差為13.4 mm，梁跨中心節(jié)點(diǎn)相對(duì)高差為6.7 mm，中間高差數(shù)可據(jù)根據(jù)線性內(nèi)查法得到［8］。由表3 可知，鋼桁梁施工過程中三片桁節(jié)點(diǎn)高差均能夠滿足規(guī)范要求，個(gè)別節(jié)點(diǎn)高差略大，通過千斤頂微調(diào)可以保證軌道板定位精度。TB 10752—2010 規(guī)定軸線偏位為跨度的1/5 000，即33.6 mm，鋼桁梁軸線偏差數(shù)據(jù)均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)。鋼桁梁整個(gè)施工拼裝過程中個(gè)別偏差較大的點(diǎn)，采用臨時(shí)支墩起頂、鏈條葫蘆對(duì)拉等方式進(jìn)行調(diào)整，防止累積誤差超出規(guī)范要求。

表3 鋼桁梁桿件部分節(jié)點(diǎn)高差

5.3 應(yīng)力

鋼桁梁應(yīng)力監(jiān)控包括涵蓋鋼桁梁懸臂拼裝、臨時(shí)支墩抄墊和起頂、主墩抄墊和起頂、體系轉(zhuǎn)換、二期鋪裝等全施工過程。鋼桁梁豎桿、上下弦桿、墩頂上方的加勁斜桿等桿件為主要受力桿件，也是應(yīng)力監(jiān)控分析的重點(diǎn)［7］。

鋼桁梁懸臂拼裝施工過程中鋼桁梁各桿件應(yīng)力不斷交替變化，部分施工階段應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比見表4?？芍哼吙鐟冶燮囱b施工階段，最大應(yīng)力為195 MPa，最小應(yīng)力為-122 MPa；中跨382#對(duì)稱懸臂拼裝施工階段，最大應(yīng)力為194 MPa，最小應(yīng)力為-113 MPa。鋼桁梁實(shí)測(cè)應(yīng)力均未達(dá)到容許應(yīng)力的80%，鋼桁梁應(yīng)力水平均處于安全范圍。應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值存在誤差，主要是鋼桁梁桿件制造尺寸偏差、施工方法、材料性能、環(huán)境溫度場(chǎng)、應(yīng)力采集儀器本身的誤差等因素造成的。

5.4 溫度監(jiān)控分析

連續(xù)梁鋼桁梁對(duì)于溫度變化比較敏感，尤其是合龍口空間坐標(biāo)隨溫度不斷變化，且橋梁所在地區(qū)季節(jié)性溫差、日照溫差變化較大［9］。將溫度變化作用分為鋼桁梁整體升降溫和鋼桁梁局部溫差。通過數(shù)據(jù)分析確定鋼桁梁最佳合龍時(shí)機(jī)。由于數(shù)據(jù)較多，只列舉A（SA31）、B（MA31）、C（SE31）、D（ME31）4節(jié)點(diǎn)溫度與空間（x、y、z）位移變化數(shù)據(jù)。其中x方向?yàn)轫槝蛳?，y方向?yàn)闄M橋向，z方向?yàn)樨Q向。

5.4.1 鋼桁梁理論整體升降溫

為了更好地分析整體升降溫與鋼桁梁合龍口的尺寸關(guān)系，選擇4 月份，鋼桁梁桿件表面溫度變化5～15 ℃時(shí)，測(cè)量合龍口尺寸得到合龍口位移，分別見表5、表6。

表5 整體升降溫引起的合龍口x方向位移

表6 整體升降溫引起的合龍口z方向位移

由表5、表6 可知：整體升降溫，合龍口x方向位移敏感性強(qiáng)，上弦桿變化量略大于下弦桿變化量；整體降溫時(shí)合龍口z方向位移敏感性強(qiáng)，上弦桿變化量略小于下弦桿變化量，整體升溫時(shí)合龍口z方向位移敏感性較弱，可忽略。

5.4.2 鋼桁梁局部溫差敏感性

由于該連續(xù)鋼桁梁為南北走向，桿件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼桁梁各桿件溫度不均勻變化。為了更好地分析合龍口局部溫差敏感性，從兩方面考慮：早上、下午太陽斜射鋼桁梁，左側(cè)邊桁與中桁溫度差值為5 ℃；中午太陽正射鋼桁梁，上弦桿與下弦桿溫差為15 ℃。局部溫差引起的合龍口位移見表7。

表7 局部溫差引起的合龍口位移

由表7可知，太陽斜射的情況下，鋼桁梁產(chǎn)生了較大的橫向位移，合龍口y方向敏感性較強(qiáng)，x、z方向敏感性弱，可忽略不計(jì)；太陽正射時(shí)，鋼桁梁產(chǎn)生較大的下?lián)?，z方向敏感性強(qiáng)，上弦桿x方向敏感性強(qiáng)，下弦桿x方向敏感性弱。

當(dāng)連續(xù)鋼桁梁合龍口寬度偏差較小時(shí)，可利用溫差進(jìn)行調(diào)整［10］，根據(jù)鋼桁梁一天內(nèi)的位移變化情況，解除臨時(shí)支座與鋼梁順橋向約束，實(shí)現(xiàn)鋼梁縱移。在實(shí)際施工過程中，通過多次觀測(cè)溫度與合龍口尺寸變化規(guī)律，確定凌晨鋼梁表面溫度15 ℃是鋼桁梁最佳合龍溫度。

6 結(jié)論

1）鋼桁梁每架設(shè)完一跨，都需要進(jìn)行拱度偏差分析，保證后期無砟軌道線形有足夠的調(diào)整空間。鋼桁梁實(shí)測(cè)變形和應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與理論計(jì)算分析數(shù)據(jù)吻合度高，均在規(guī)范允許的偏差范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全范圍。

2）連續(xù)梁鋼桁梁溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)反映了溫度與合龍口桿件空間位置變化的關(guān)系，確定了最佳合龍溫度為15 ℃，保證了鋼桁梁精準(zhǔn)合龍。