馬玉軍,石學(xué)坤,崔鳳坤,陳有沖,張方敏,李賢鋒

(1.中鐵十局集團(tuán)青島工程有限公司,山東 青島 266600;2.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

0 引 言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展,新建橋梁與既有線路頻繁產(chǎn)生交匯。對于跨越既有線路的鋼箱梁施工,受施工環(huán)境和線下交通的影響,宜采用頂推施工,以解決新橋施工影響既有線路正常運(yùn)營的難題。在頂推過程中,尤其是沿曲線頂推時,各施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形不斷變化,施工難度高、施工風(fēng)險大。因此,對整個頂推施工過程進(jìn)行監(jiān)控,掌握結(jié)構(gòu)在頂推施工過程中的受力、變形規(guī)律,對保證工程質(zhì)量和施工安全具有重要意義。

對連續(xù)鋼箱梁頂推施工,一些學(xué)者已做過相關(guān)研究,譚冬蓮等[1]以實(shí)際工程為依托,對頂推施工過程進(jìn)行監(jiān)控。通過對比該橋在整個施工過程中的實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元模型計(jì)算結(jié)果,表明二者能較好符合,施工安全可靠;王國棟等[2]通過頂推施工全過程應(yīng)力監(jiān)測,掌握了結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化,將實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對比,為鋼箱梁頂推施工提供了技術(shù)保障;賀文波[3]對圓曲線上PC連續(xù)箱梁的頂推施工進(jìn)行監(jiān)控,采用數(shù)值模擬與有限元仿真模擬的方式,施工前模擬計(jì)算出合理的施工方案,為此類工程施工監(jiān)控提供參考。杜玉林等[4]對跨越密集鐵路的鋼箱梁頂推施工進(jìn)行監(jiān)控,提出場地有效利用、頂推梁段劃分、線形控制、施工安全管理是施工組織的重點(diǎn)內(nèi)容。尚慶保[5]對小半徑變截面鋼箱梁頂推施工監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)格控制滑道頂面的標(biāo)高誤差、頂推拖拉速度和橫向偏移,是頂推施工順利完成的關(guān)鍵因素。目前針對跨越多條既有線路的連續(xù)鋼箱梁頂推施工控制研究相對較少。尤其是沿曲線頂推的鋼箱梁結(jié)構(gòu),由于彎扭耦合效應(yīng),結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜;且頂推環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)軸線與設(shè)計(jì)軸線易產(chǎn)生偏移,需要實(shí)時監(jiān)測糾偏,施工控制難度極大,可參考工程案例較少。

1 工程概況

跨京滬高鐵特大橋151#～154#墩采用(50+85+50)m鋼箱連續(xù)梁,跨越既有京滬高鐵、京滬、水白鐵路,交角分別為140°、139°、49°,線路縱坡度為-17‰,箱梁位于半徑R=950 m的曲線上進(jìn)行頂推施工。由于主梁跨度較大,故設(shè)置鋼導(dǎo)梁。

鋼箱梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋墩采用單線圓端形空心橋墩。墩身高度151#墩34.00 m、152#墩33.50 m、153#墩32.00 m、154#墩31.50 m。鋼箱梁全長185 m,采用等高度單箱單室截面,梁高4.8 m,橋面寬7.5 m,箱室外寬4.3 m,兩側(cè)設(shè)置1.6 m懸臂翼緣,鋼箱梁總重1 696.8 t。鋼箱梁主材為Q370qENH耐候鋼,采用全焊接施工工藝進(jìn)行連接。橋面板采用STC25超高強(qiáng)混凝土進(jìn)行攤鋪,攤鋪厚度為5～6.6 cm。鋼導(dǎo)梁長85 m,為兩片工字形變截面主梁,前端梁高2.5 m,后端梁高4.8 m。中間通過系桿連接構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu),前端剛度小,根部剛度大,與導(dǎo)梁受力情況相適應(yīng)。導(dǎo)梁采用Q345B材料,頂?shù)装寮案拱寰璨捎萌弁负?其余為角焊縫,并對接頭進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

箱梁拼裝時采用曲梁曲做方式,由158#～160#墩之間設(shè)置臨時墩及拼裝作業(yè)平臺,分節(jié)段吊裝焊接,再頂推、落梁。頂推時只頂鋼箱梁加兩側(cè)的防撞護(hù)欄,全橋共分13節(jié)段,從小里程至大里程依次為(17.25+16.96+9.47+9.97+12.87+17.45×3+9.97+9.57+12.87+17.45+17.16)m。導(dǎo)梁分段長度為(16+4×14+13)m,頂推采用步履式頂推施工工藝。

2 施工方案及關(guān)鍵施工工況

2.1 施工方案

鋼箱梁結(jié)構(gòu)在橋位處跨越151#～154#墩,跨徑較大,同時上跨多條既有鐵路線施工,安全要求等級高。為了減小橋梁施工對既有線路的影響,采用步履式頂推設(shè)備進(jìn)行頂推施工,同時采用“邊拼邊頂”的方法完成鋼箱的架設(shè)安裝。

施工中首先搭設(shè)臨時支墩及拼裝作業(yè)平臺;其次利用吊車將前5節(jié)箱梁吊裝至作業(yè)平臺,并焊接拼裝成段,然后進(jìn)行試頂推;試頂推完成后,將剩余8節(jié)箱梁依次吊裝、拼裝及頂推。

該橋的曲線半徑為950 m,區(qū)別于傳統(tǒng)的直線頂推,該橋在頂推過程先沿圓曲線切線方向前進(jìn),當(dāng)頂推結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)線路之間產(chǎn)生20′偏差時,通過調(diào)整水平頂和滑道的角度,不斷對頂推路線進(jìn)行糾偏。當(dāng)鋼箱梁前端跨過153#墩后,完成第一階段頂推。

由于鋼箱梁頂推跨度較大,第二階段頂推需要采用導(dǎo)梁輔助施工。本項(xiàng)目導(dǎo)梁采用Q342鋼材,長度達(dá)85 m,共分為6個拼裝節(jié)段。首先在地面作業(yè)區(qū)將其焊接拼裝成整體,再利用履帶吊將導(dǎo)梁吊裝至設(shè)計(jì)部位,將其與箱梁進(jìn)行焊接連接。結(jié)構(gòu)第二階段頂推在橋下多條既有線路天窗期進(jìn)行,導(dǎo)梁前端跨過151#墩到達(dá)臨時支墩L2后,逐段拆除導(dǎo)梁;鋼箱梁前端到達(dá)151#墩,完成全部頂推施工。

橋梁頂推完成后,轉(zhuǎn)換工作模式為落梁模式。落梁過程做好臨時加固,落梁一定高度后安裝支座,完成落梁。

2.2 關(guān)鍵施工工況

根據(jù)施工方案,鋼箱梁經(jīng)節(jié)段拼裝、頂推后與導(dǎo)梁連接,然后整體進(jìn)行頂推。

頂推過程中鋼箱梁或?qū)Я呵岸藫隙炔粩嘧兓?結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜[6]。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工工藝,得到在頂推過程中五種風(fēng)險較高的施工工況,見表1。

表1 關(guān)鍵施工工況匯總

3 橋梁施工階段分析及監(jiān)控

3.1 結(jié)構(gòu)有限元建模

根據(jù)上跨京滬高鐵(50+85+50)m鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式和施工工藝特點(diǎn),基于有限元軟件midas Civil建立橋梁整體有限元模型。耐候鋼箱梁與鋼導(dǎo)梁均采用鐵摩辛柯梁單元進(jìn)行模擬,兩者之間通過剛性連接耦合節(jié)點(diǎn)自由度;模型中考慮結(jié)構(gòu)自重以及橋梁施工荷載等,為了簡化有限元模型,提升計(jì)算效率,將鋼箱梁及翼緣板內(nèi)部加勁肋以均布荷載的形式施加。有限元模型共離散為207個節(jié)點(diǎn)和193個單元。

根據(jù)選取的五個關(guān)鍵施工工況,對頂推施工過程進(jìn)行有限元模擬。每個施工工況下,在頂推設(shè)備作用位置設(shè)置邊界條件,釋放轉(zhuǎn)動自由度,僅約束必要的平動自由度。通過激化、鈍化不同的邊界條件,以模擬各頂推關(guān)鍵施工工況。

3.2 頂推線形及應(yīng)力監(jiān)控

(1)線形測點(diǎn)布設(shè)。

區(qū)別于簡支結(jié)構(gòu)橋梁,頂推結(jié)構(gòu)施工時其端部位移是施工控制重點(diǎn)部分[7]。本項(xiàng)目頂推施工過程中,由于導(dǎo)梁懸臂長度隨工況不斷變化,導(dǎo)梁標(biāo)高也隨之改變。在導(dǎo)梁端部接近支墩時,其懸臂長度最大,結(jié)構(gòu)容易發(fā)生傾覆;同時,為保證導(dǎo)梁順利通過支墩,應(yīng)對其標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)控。

(2)應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)。

除結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測外,其應(yīng)力監(jiān)測同等重要。頂推過程中,鋼箱梁受力復(fù)雜,施工風(fēng)險大。為了掌握結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵施工工況下受力狀態(tài),確保施工安全,所以對其關(guān)鍵截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控。

鋼箱梁跨中截面的彎矩較大、墩頂截面處應(yīng)力集中,故應(yīng)力監(jiān)控關(guān)鍵截面主要包括跨中、墩頂截面;由于導(dǎo)梁與箱梁連接位置為頂推薄弱部位,為此在此處增設(shè)一處應(yīng)力監(jiān)控截面,應(yīng)力監(jiān)控截面共6處。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場施工工況確定主梁上應(yīng)變計(jì)安裝位置,應(yīng)變計(jì)采用振弦式應(yīng)變計(jì)。

3.3 梁體軸線監(jiān)控

結(jié)構(gòu)頂推軌跡位于小半徑的圓曲線上,梁體軸線隨頂推施工極易產(chǎn)生偏移。施工過程應(yīng)加強(qiáng)頂推軸線監(jiān)控,從而降低糾偏難度,同時能夠減小施工風(fēng)險。在結(jié)構(gòu)頂推過程中,主梁軸線位置監(jiān)控采用全站儀進(jìn)行觀測。根據(jù)觀測結(jié)果,通過調(diào)整千斤頂滑道軸線與線路中心線切線方向夾角進(jìn)行糾偏,確保梁體頂推按設(shè)計(jì)路線前進(jìn),最終到達(dá)設(shè)計(jì)落梁位置。

4 數(shù)據(jù)對比分析

4.1 梁體軸線偏移

區(qū)別于直線頂推,曲線頂推需要對梁體軸線進(jìn)行實(shí)時糾偏,軸線控制難度較大。因此,本項(xiàng)目加密對梁體軸線的監(jiān)測頻率,將整個施工過程劃分為12個監(jiān)測階段,測得最大偏移量及偏移方向,見表2。

表2 梁體軸線偏移量及方向 單位:mm

由表2可知,在整個頂推過程中,由于對梁體軸線進(jìn)行實(shí)時糾偏,千斤頂滑道軸線與線路中心線切線方向夾角不斷變化。由于設(shè)備精度及施工誤差等多方面的因素,在整個頂推過程中梁體軸線偏移量具有一定的隨機(jī)性,突出了曲線箱梁頂推施工中軸線監(jiān)控的重要性。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,受結(jié)構(gòu)線形和頂推慣性的影響,其軸線基本向曲線圓心方向偏移;梁體軸線最大偏移量不超過±10 mm,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.2 頂推結(jié)構(gòu)變形

結(jié)構(gòu)處于關(guān)鍵施工工況三、工況四下,導(dǎo)梁懸臂長度最大,且導(dǎo)梁與箱梁連接處位于跨中位置,結(jié)構(gòu)撓度變形較大。重點(diǎn)監(jiān)測、分析兩工況下導(dǎo)梁變形情況,確保施工安全。經(jīng)現(xiàn)場施工監(jiān)控及有限元數(shù)值模擬,得到實(shí)測值與理論值,見表3。

表3 導(dǎo)梁變形實(shí)測與理論值 單位:mm

由表3可知,各工況下導(dǎo)梁前端最大撓度為7.2 mm,滿足施工要求。由于施工現(xiàn)場溫度的影響,理論值與實(shí)測值存在一定差異,但變化趨勢一致。工況三為導(dǎo)梁前端上墩前的工況,頂推結(jié)構(gòu)懸臂長度最大,因此導(dǎo)梁撓度相對較大;工況四下頂推結(jié)構(gòu)已上墩,結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)梁橋,且導(dǎo)梁前端已拆除,故結(jié)構(gòu)變形較小。表明頂推過程中結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)體系和荷載情況密切相關(guān)。

4.3 頂推結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在頂推過程中,監(jiān)測各控制截面測點(diǎn)不同工況下的應(yīng)力,限于篇幅,僅給出部分測點(diǎn)在關(guān)鍵施工工況下的應(yīng)力變化曲線,如圖1所示。

YLR5-1-鋼箱梁控制截面R5處1號測點(diǎn);YLDL1-2-鋼箱梁與導(dǎo)梁焊接截面處2號測點(diǎn)。

由圖1可知,鋼箱梁實(shí)測最大拉應(yīng)力為24.64 MPa,位于工況五下控制截面R5處,最大壓應(yīng)力為30.06 MPa,位于工況四下控制截面R3處。鋼箱梁與導(dǎo)梁焊接截面,實(shí)測最大拉、壓應(yīng)力位于工況三下,最大拉應(yīng)力為12.70 MPa,最大壓應(yīng)力為19.72 MPa。結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超過所用鋼材的容許應(yīng)力,結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比結(jié)果,控制截面處壓應(yīng)力差值最大達(dá)15.38 MPa,拉應(yīng)力差值最大達(dá)20.14 MPa,表明頂板、底板橫橋向上應(yīng)力存在一定差異,具有不對稱性。造成上述差異的原因主要有:(1)鋼箱梁在頂推過程中發(fā)生橫向偏位或者橫向受力不均,梁體容易發(fā)生扭轉(zhuǎn),產(chǎn)生彎扭耦合效應(yīng);(2)鋼箱梁受非線性溫度場的影響;(3)梁底頂推力不均勻。

5 結(jié) 語

(1)基于鄭濟(jì)鐵路ZJTLSG-1標(biāo)跨京滬高鐵特大橋頂推施工過程,通過對鋼箱梁和導(dǎo)梁進(jìn)行有限元分析和實(shí)際監(jiān)控,對比分析實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:在應(yīng)力和變形方面,實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算理論值的變化趨勢基本一致,均小于規(guī)范規(guī)定的容許值,實(shí)測數(shù)據(jù)均在安全范圍之內(nèi),施工階段結(jié)構(gòu)整體變形和受力控制較好,滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)結(jié)構(gòu)在沿曲線頂推施工過程中對梁體軸線進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并糾偏,在整個頂推過程中梁體軸線偏移量具有一定的隨機(jī)性,曲線鋼箱梁在頂推施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注梁體軸線偏移。

(3)在結(jié)構(gòu)頂推施工過程中,變形和應(yīng)力變化比較復(fù)雜,導(dǎo)致各控制參數(shù)交替變化的最主要原因是結(jié)構(gòu)體系的不斷轉(zhuǎn)換。

(4)由于彎扭耦合效應(yīng)和梁底頂推力的不均勻,曲線鋼箱梁截面應(yīng)力在橫橋向上存在一定差異,具有不對稱性。