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大跨度下承式鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控技術(shù)研究

2020-05-30 03:33:02楊坳蘭肖本林
關(guān)鍵詞:系桿吊桿拱橋

楊坳蘭, 肖本林

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430068)

鋼箱系桿拱橋具有造型美觀、結(jié)構(gòu)形式多樣化、承載能力高、水平推力小等優(yōu)點,因此得以在我國鐵路跨越式發(fā)展時期嶄露頭角??v觀大跨徑橋梁施工監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展,監(jiān)測系統(tǒng)確實是在不斷完善并優(yōu)化的。20世紀(jì)80年代初,日本在修建日野預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁時,就按照確定的施工順序和步驟,形成了“建立力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)——計算機(jī)現(xiàn)場處理所測數(shù)據(jù)——進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析——修正參數(shù)——將所修正施工控制信息提供給施工單位”的一系列施工控制流程[1]。由此可見,大跨度橋梁的發(fā)展對橋梁施工技術(shù)以及施工監(jiān)控技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。為使橋梁的最終線形與內(nèi)力分布符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),需要提供理論支持和科學(xué)的指導(dǎo),因此施工監(jiān)測在橋梁施工方面越來越得到重視,如1982年建成的上海柳港大橋,主跨200 m[2],是首次成功運用施工控制以有效進(jìn)行撓度和位移監(jiān)測與調(diào)整的典型案例。但目前施工監(jiān)控在大跨度橋梁中的應(yīng)用并不廣泛,原因在于缺乏相對成熟的經(jīng)驗和監(jiān)測手段,比如預(yù)測和判讀精度不高,監(jiān)測手段落后等。所以,建立完善的橋梁施工監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)是落實橋梁全生命周期安全性與耐久性的關(guān)鍵步驟。

1 工程概況

某橋為120 m下承式鋼箱系桿拱橋,橋梁寬33.5 m,計算跨度為120.0 m,計算矢高為27.0 m,矢跨比為1/4.44,拱頂設(shè)45 mm預(yù)拱度。橋梁總體布置圖如圖1所示。該橋采用順橋向單吊桿體系,共設(shè)27組吊桿,邊吊桿鋼絞線為15.2-22,中間吊桿鋼絞線為15.2-15。在主跨鋼梁內(nèi)、拱腳處布置有8組系桿,每個拱側(cè)各有4組,每組37根鋼絞線。主橋部分橫斷面圖如圖2所示。

圖 1 某鋼箱系桿拱橋總體布置示意圖 mm

圖 2 某鋼箱系桿拱橋部分橫斷面圖 mm

2 施工控制分析

2.1 施工監(jiān)測方法

通常情況下,為保證施工監(jiān)控朝著可控方向進(jìn)行,故需將施工監(jiān)控參數(shù)的理論值假定為參數(shù)值。若發(fā)現(xiàn)觀測值與前者相差較大,需針對性地提出解決措施,以便科學(xué)地指導(dǎo)施工。在實際施工過程中,為了避免所假定的設(shè)計參數(shù)因施工所帶來的誤差而出現(xiàn)一定的偏差,需要識別出設(shè)計參數(shù)誤差量。根據(jù)已施工節(jié)段設(shè)計參數(shù)誤差量,采用合適的預(yù)測方法(如最小二乘法、灰色模型等)預(yù)測后續(xù)節(jié)段的設(shè)計參數(shù)可能誤差量[3]。若出現(xiàn)較大的誤差量,則證明原設(shè)計方法并不可取,需盡快調(diào)整設(shè)計方案,以防止發(fā)生不可估量的后果;對于常規(guī)的參數(shù)誤差,通過相應(yīng)的措施以優(yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu),從而達(dá)到數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)性。

2.2 施工監(jiān)測內(nèi)容

2.2.1 主梁線性監(jiān)測

1)主梁標(biāo)高監(jiān)測 拱橋主梁采用節(jié)段拼裝的施工方案,箱梁高程控制以梁體頂板控制為主?;鶞?zhǔn)點一般建議布置在主墩處箱梁頂面,1個主墩1個。每個施工監(jiān)控截面上頂板應(yīng)布置3個高程觀測點(測點1~3),中間測點兼作箱梁中心線控制測點[4]。全橋主梁施工期間,縱向分為9個節(jié)段。其線性測點布置主梁的二分點、四分點及八分點位置,且在上、下游及中心線均設(shè)置,共27個測點。測點位置如圖3所示。

圖 3 箱梁頂高程測試截面布置圖 mm

觀測安排在清晨6:00~8:00時間段內(nèi),為保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,要求同時記錄空氣溫度和箱內(nèi)溫度。在這個時間段內(nèi),是懸臂拼裝箱梁的溫度與變形變化值關(guān)系處于相對穩(wěn)定的時段,可以最大限度地減小溫度對觀測結(jié)果的影響和施工對觀測工作的影響[5]。

2)主梁拼裝軸線監(jiān)測 本橋主梁平面布置按照設(shè)計圖紙布置,如圖4所示。因此施工單位在施工過程中按照設(shè)計平面坐標(biāo)控制箱梁平面線形即可。

2.2.2 拱肋線形監(jiān)測在整個拱橋的拼裝過程中,拱肋的拼裝是最重要的一環(huán)。其不僅直接關(guān)系到成橋線形是否在設(shè)計允許范圍內(nèi),而且對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況也會產(chǎn)生一定影響,所以拱肋安裝的定位在施工要點上需注意拱肋軸線的定位和高程位置的定位,在施工精度上需要精準(zhǔn)定位。

根據(jù)施工現(xiàn)場情況,每一節(jié)段接頭位置處的拱肋頂面內(nèi)邊緣布置測點(圖5),沿拱圈的水平距離,每3 m布置一個測點,在測點處安裝專用反射片,在控制點上架設(shè)全站儀進(jìn)行測量,使其在理論位置處[5]。

圖 5 拱肋軸線和高程位置橫橋向測點布置圖 mm

2.2.3 吊桿力與系桿力監(jiān)測

1)吊桿力的監(jiān)測 吊桿索力是設(shè)計中重要的參數(shù)。索力的大小,直接影響到主梁的線型與主梁的內(nèi)力分布關(guān)系。所以在施工過程中,索力值是否能夠得到準(zhǔn)確測量并使其滿足設(shè)計要求,是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全及有效施工的關(guān)鍵。

假定索的兩端為鉸支,則該微分方程的解為:

(1)

其中:n為索自振頻率的階數(shù)(即拉索長度內(nèi)的半波個數(shù));fn為索的第n階自振頻率,Hz;l為拉索的自由或撓曲長度[6]。

由式(1)可得:

(2)

一般為了計算方便,常將式(2)簡化為:

其中:f1為吊桿自由振動的第一自振頻率,頻譜圖從而完全成為等間距的譜線[6]。

2)系桿力的監(jiān)測 大橋的系桿材料為預(yù)應(yīng)力鋼絞線,其張拉也是采用分批次進(jìn)行張拉。本方案擬采用錨索計傳感器,該傳感器適用于各種條件下的索力測量和纜索張拉時的施工控制,適應(yīng)長期監(jiān)測和自動化測量。另外,測量時參照主梁線性監(jiān)測方法,并及時記錄橋梁臨時荷載、施工實際工況等重要信息。

3 施工監(jiān)控系統(tǒng)的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

橋梁整體運用Midas/Civil軟件建立全橋空間桿系有限元計算模型,如圖6所示。運用梁格法建模,計算模型中對主拱、主梁采用空間梁單元模擬,對吊桿和系桿采用僅受拉桁架單元模擬。橋空間有限元模型共離散545個節(jié)點,1115個單元。全橋共計11縱向梁格,其中2個邊梁格+9個中梁格。依次編號為1#~11#縱梁。

圖 6 某橋有限元計算模型

3.2 施工階段計算結(jié)果

選取吊桿第一次張拉和主梁支架拆除兩個施工階段進(jìn)行對比分析,結(jié)論如下。

3.2.1 吊桿第一次張拉完成

1)位移 處于吊桿第一次張拉完成施工階段時,拱肋最大豎向位移發(fā)生在拱頂處,其值為21.9 mm(向下),主梁最大豎向位移發(fā)生在邊縱梁跨中處,其值為15.1 mm(向上),如圖7所示。

圖 7 吊桿第一次張拉完成豎向位移圖 mm

2)應(yīng)力 處于吊桿第一次張拉完成施工階段時,拱肋軸向最大壓應(yīng)力為54.4 MPa,主梁最大拉應(yīng)力為38.1 MPa,如圖8所示。

圖 8 吊桿第一次張拉應(yīng)力圖 MPa

3)索力 處于吊桿第一次張拉完施工階段時,吊桿最大拉力為506 kN,系桿最大拉力為785 kN,如圖9所示。

圖 9 吊桿第一次張拉索力圖 kN

3.2.2 主梁支架拆除

1)位移 在主梁支架拆除施工階段,拱肋最大豎向位移發(fā)生在L/4拱的位置,其值為16.7 mm(向下),主梁最大豎向位移發(fā)生在邊縱梁跨中處,其值為26.6 mm(向上),如圖10所示。

圖10 主梁支架拆除豎向位移圖 mm

2)應(yīng)力 在主梁支架拆除施工階段,拱肋軸向最大壓應(yīng)力為53.3 MPa,主梁最大拉應(yīng)力為42.1 MPa,如圖11所示。

圖11 主梁支架拆除應(yīng)力圖 MPa

3)索力 在主梁支架拆除施工階段,吊桿最大拉力為535 kN,系桿最大拉力為2496 kN,如圖12所示。

圖12 主梁支架拆除索力 kN

4 現(xiàn)場監(jiān)測值與計算值的對比分析

4.1 拱肋應(yīng)力監(jiān)測

限于篇幅要求,這里僅選取了拱肋支架拆除,吊桿第一次張拉工況進(jìn)行對比分析。從拱肋應(yīng)力分析值可看出,隨著施工工序的變化,拱肋應(yīng)力變化較大,拱肋支架拆除后,拱肋應(yīng)力的最大計算值達(dá)到14.2 MPa,位于拱腳的下緣,應(yīng)力的最大實測值為14.41 MPa,位置與計算位置相同。系桿張拉后,拱圈各部分壓應(yīng)力值較均勻,均小于60 MPa。

4.2 系梁跨中撓度監(jiān)測

通過合理布置吊桿,并合理的施加吊桿張拉力來減小系梁彎矩,把梁的剪力轉(zhuǎn)化為拱的軸力,全橋可以達(dá)到比較合理的受力狀態(tài)[7]。由于實際工程是剛性系梁,若吊桿過度張拉,則會導(dǎo)致梁跨中撓度和應(yīng)力值趨于不穩(wěn)定的狀態(tài),如圖13所示,吊桿超張5%后,跨中撓度變形值達(dá)到2 mm。

圖13 吊桿超張5%后系梁撓度變化圖

4.3 吊桿索力監(jiān)測

施工過程中吊桿索力的細(xì)微變化,都會引起拱肋線形較大的變化。這里僅選吊桿1(1’)-5(5’)編號兩次張拉工況進(jìn)行計算值、實測值、偏差值的對比分析。如表1、表2所示。

表1 部分吊桿第一次張拉索力監(jiān)測結(jié)果 kN

表2 部分吊桿第二次張拉索力監(jiān)測結(jié)果 kN

從對兩次張拉值的監(jiān)測結(jié)果看,實測值和設(shè)計值的差值較小,3、5、3’、5’號吊桿在二次張拉時偏差值略高于100 kN,其余偏差值均小于100 kN。通過分析兩者數(shù)據(jù),誤差主要來源于在有限元模型建立時簡化了參數(shù)設(shè)置,主拱、主梁考慮采用空間梁單元模擬,吊桿和系桿為受拉桁架單元模擬,這些模擬狀態(tài)較為單一,較理想化,在軟件模擬時未能多種模擬狀態(tài)同時考慮,但由于在橋梁施工過程中,拱、梁結(jié)構(gòu)近似于空間梁單元,而吊桿、系桿主要為受拉構(gòu)件,綜上,理論設(shè)計值雖有些許誤差,但在可控范圍內(nèi),可指導(dǎo)實測值。

5 小結(jié)

以某下承式鋼箱系桿拱橋為工程背景,應(yīng)用Midas/Civil有限元軟件完成了全橋空間有限元分析。主要對鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控與施工監(jiān)測兩個階段進(jìn)行了具體介紹。通過以上工作,得到了以下結(jié)論:

1)通過對整個施工過程中拱肋的內(nèi)力變形及吊桿、系桿的張拉力的分析計算,某橋在成橋運營期間吊桿最大內(nèi)力為980 kN,吊桿安全系數(shù)為9.8,遠(yuǎn)大于2.5;系桿最大內(nèi)力為3616 kN,安全系數(shù)為2.66,大于2.5,符合規(guī)范要求。

2)在吊桿第二次張拉完成施工階段,主梁最大豎向位移發(fā)生在邊縱梁跨中處,其值為57.8 mm(向上),在實際監(jiān)測過程中需要對其進(jìn)行重點監(jiān)測。

3)系桿拱橋施工控制的主要原則是以主拱肋線形控制為主,應(yīng)力控制為輔。在各施工各狀態(tài)變量達(dá)到理想的基礎(chǔ)上,對數(shù)據(jù)實測值與理論值進(jìn)行比較分析,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)識別與調(diào)整,對成橋狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測與反饋控制分析,防止施工中出現(xiàn)過大位移和應(yīng)力[8],確保施工朝著預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行。

4)后續(xù)在模型建立時加入多種狀態(tài)的模擬,讓理論設(shè)計值更為精確化。

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