徐 松,劉 聰

(1.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司,江蘇 南京 210031;2.江蘇中基工程技術(shù)研究有限公司,江蘇 南通 226003)

0 引 言

隨著城市化進程的加快,城市人口及交通車輛日益增多,城市交通的擁堵壓力也日益增大。為了解決交通問題,許多城市在既有道路的基礎(chǔ)上進行城市快速路改造。許多原有高架橋梁很難滿足城市交通需求,為了最大限度地利用原有橋梁,需要對橋梁進行頂升改造設(shè)計。橋梁頂升是一個動態(tài)過程,頂升的不同步會對梁體產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,影響梁體安全。同時頂升過程中要對梁體采取相應(yīng)的監(jiān)測措施,設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警值,以便將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給加載頂升過程,通過對偏差分析、預(yù)測,對頂升過程進行實時調(diào)整,以此保證頂升施工質(zhì)量和橋梁結(jié)構(gòu)安全[1-5]。

1 工程概況

徐州市三環(huán)南路快速化改造工程是在現(xiàn)狀三環(huán)南路的基礎(chǔ)上,按城市快速路標準進行改造。本次頂升改造工程為四標段主線終點的兩聯(lián)現(xiàn)狀三環(huán)東路高架橋,采用頂升施工工藝,保持預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式,頂升改造橋梁每聯(lián)均為三跨,單跨跨徑均為29 m,跨徑組合為3×29 m+3×29 m。橋面寬度為25 m,標準底板寬度15.328 m,翼緣板懸臂3.68 m,箱梁高度2.0 m。

2 頂升施工流程

本次頂升改造針對兩聯(lián)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用整體等比例同步調(diào)坡頂升,即通過PLC電腦同步控制系統(tǒng)控制各點,采用角速度一致等比例頂升的方法整體頂升箱梁上部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)抬高橋梁標高,改造后立面圖如圖1所示。橋梁頂升改造施工作業(yè)順序如下。

圖1 連續(xù)梁橋頂升改造后立面圖(單位:cm)

(1)卸除Pm123橋臺臺后填土,拆除伸縮縫,銑刨Pm123～Pm129兩聯(lián)連續(xù)梁的橋面鋪裝,并拆除橋面護欄。

(2)施工抱柱梁,Pm123墩新增樁基、新建承臺,改造Pm123端橫梁。設(shè)置臨時支撐,布設(shè)千斤頂,同斜率頂升1、2聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。

(3)根據(jù)最新橋墩布置與橋面設(shè)計標高,將Pm123橋臺改建為邊墩橋墩,接高Pm124～Pm128立柱,重新調(diào)平梁底墊塊。

(4)安裝支座,將兩聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁同步回落至最新墩頂位置,支座灌注座漿密貼并達到設(shè)計強度,張拉Pm123橫梁鋼束。

(5)同步釋放千斤頂油壓,拆除臨時支撐,施工混凝土鋪裝層擬合道路豎曲線,重新澆筑護欄,攤鋪并碾壓橋面瀝青混合料,成橋。

3 頂升施工計算分析

采用midas Civil有限元軟件,對橋梁施工頂升過程進行仿真計算分析,計算內(nèi)容考慮當初施工過程(結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、十年收縮徐變)、當前頂升準備工作和各墩頂升高差效應(yīng),計算各墩頂升差異引起的主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀況等,為橋梁頂升施工控制提供合理的依據(jù)。

3.1 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)計算參數(shù)及指標如表1、表2所示。

表1 材料基本參數(shù)

表2 材料性能指標

3.2 結(jié)構(gòu)計算模型

采用midas Civil有限元軟件建立計算分析模型,主梁采用空間梁單元模擬,考慮橋梁當初施工過程以及頂升改造過程,即支架澆筑梁體混凝土、張拉梁體預(yù)應(yīng)力、拆除主梁支架、施工二期恒載、收縮徐變早橋面附屬設(shè)施的拆除(銑刨瀝青橋面鋪裝及3.5 cm混凝土鋪裝層、拆除護欄),以及頂升過程中不均勻頂升位移。全橋有限元空間計算模型如圖2所示。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)有限元計算模型

3.3 計算分析結(jié)果

首先計算分析頂升準備階段,即橋面附屬設(shè)施拆除(銑刨瀝青橋面鋪裝及3.5 cm混凝土鋪裝層、拆除護欄)后的梁體結(jié)構(gòu)上、下緣應(yīng)力作為頂升前的初始狀態(tài),在此基礎(chǔ)上,疊加不均勻頂升位移差產(chǎn)生的梁體附加應(yīng)力,以主梁混凝土材料容許拉應(yīng)力為控制指標,計算得出頂升過程中容許的頂升位移差。

(1)頂升前初始狀態(tài)。

銑刨橋面瀝青鋪裝層及3.5 cm混凝土現(xiàn)澆層、拆除護欄后結(jié)構(gòu)上、下緣的應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 初始狀態(tài)梁體上下緣應(yīng)力

由圖3可知,頂升前初始狀態(tài)梁體上緣應(yīng)力范圍為-5.37～0 MPa,梁體下緣應(yīng)力范圍為-5.94～0 MPa,梁體全斷面受壓。

(2)支點縱向不均勻頂升。

使用midas Civil軟件,考慮所有可能的組合,計算分析頂升過程中梁體縱橋向不均勻頂升差值為10 mm、4 mm時,結(jié)構(gòu)上、下緣的應(yīng)力變化范圍,結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不均勻頂升差10 mm引起的上下緣應(yīng)力增量包絡(luò)圖

圖5 不均勻頂升差4 mm引起的上下緣應(yīng)力增量包絡(luò)圖

由圖4可知,縱向不均勻頂升差值10 mm,引起梁體上緣正應(yīng)力的變化范圍為-1.08～1.08 MPa,引起梁體下緣正應(yīng)力的變化范圍為-1.70～1.70 MPa。由圖5可知,縱向不均勻頂升差值4 mm,引起梁體上緣正應(yīng)力的變化范圍為-0.43～0.43 MPa,引起梁體下緣正應(yīng)力的變化范圍為-0.68～0.68 MPa。

(3)支點縱向不均勻頂升累加應(yīng)力。

在頂升前初始狀態(tài)基礎(chǔ)上,疊加梁體縱向不均勻頂升位移差10 mm、4 mm時產(chǎn)生的梁體附加應(yīng)力,得到相應(yīng)的累加應(yīng)力范圍,計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不均勻頂升差10 mm引起的上緣累加應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7 不均勻頂升差4 mm引起的上緣累加應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖6可知,縱向不均勻頂升差值10 mm,引起梁體上緣累加正應(yīng)力的范圍為-6.33～0 MPa,引起梁體下緣累加正應(yīng)力的范圍為-7.27～0.02 MPa,即在邊跨距離中墩中心線約2.75 m處主梁下緣可能會出現(xiàn)0.02 MPa的拉應(yīng)力值,但遠小于混凝土抗拉強度設(shè)計值的限值1.83 MPa,不會開裂。由圖7可知,縱向不均勻頂升差值4 mm,引起梁體上緣累加正應(yīng)力的范圍為-5.75～0 MPa,引起梁體下緣累加正應(yīng)力的范圍為-6.47～0 MPa,梁體各截面上、下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,不會開裂。因此,頂升過程中,梁體單次頂升允許偏差參考值可按4 mm控制,梁體累計頂升允許偏差參考值可按10 mm控制。

4 頂升過程中的監(jiān)測措施

連續(xù)梁橋頂升是一個動態(tài)過程,隨著上部結(jié)構(gòu)的頂升,頂升支承點的相對變化會對主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力。為了確保頂升過程中主梁結(jié)構(gòu)的安全,要設(shè)置一整套監(jiān)測系統(tǒng),將姿態(tài)數(shù)據(jù)適時反饋給施工加載過程,以便及時、主動地采取措施降低或消除不利因素的影響。

4.1 變形監(jiān)測

多個橋墩、橋臺上的千斤頂頂升不同步的情況將導致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力,類似于墩柱不均勻沉降,引起主梁內(nèi)力顯著變化,如果在受拉區(qū)引起過大的拉應(yīng)力,將造成主梁開裂。為保證所有千斤頂頂升位移同步進行,應(yīng)協(xié)同施工單位采用頂升控制設(shè)備PLC系統(tǒng),并布置位移監(jiān)控裝置相互校核,實施動態(tài)的反饋與調(diào)整。

頂升位置處的梁體豎向位移可采用拉線式位移計監(jiān)測,頂升位置處的梁體橫向、縱向位移可通過布置棱鏡、全站儀進行監(jiān)測。頂升過程中主梁的位移測量主要包括如下幾方面。

(1)單次頂升過程中,垂直頂升位移量的測量(測量時機:預(yù)頂升、循環(huán)頂升過程,動態(tài)監(jiān)測)。

(2)循環(huán)頂升過程中,上部受頂結(jié)構(gòu)總的頂升高程(測量時機:預(yù)頂升、循環(huán)頂升過程,動態(tài)監(jiān)測)。

(3)對總的頂升位移測量(測量時機:逐級評估同步頂升施工質(zhì)量,以頂升總高程為準,分別對頂升高度達到總高程約25%、50%、75%及100%時的全橋結(jié)構(gòu)進行檢測、控制)。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測

主梁應(yīng)力敏感區(qū)域為墩頂附近以及各橋跨跨中區(qū)域,墩頂位置處的頂?shù)装鍛?yīng)力狀態(tài)可能存在交替變化的情況,即主梁截面上拉下壓或上壓下拉的受力狀態(tài)會因頂升位移相對高差的變化而變化,應(yīng)布置相應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測斷面進行應(yīng)力監(jiān)測,同時對支撐頂升的鋼管也布置應(yīng)力傳感器進行監(jiān)測。測量時機:預(yù)頂升、循環(huán)頂升過程,動態(tài)監(jiān)測。

4.3 基礎(chǔ)沉降監(jiān)測

以橋臺處原承臺頂面為頂升基礎(chǔ),在承臺頂面通過植入螺栓連接鋼支撐,建立支撐體系,承擔上部荷載。頂升過程中會對基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動,需對地基基礎(chǔ)的沉降進行觀測。測點應(yīng)采用固定的測量釘,通過固定的后視觀測點連續(xù)監(jiān)測。測量時機:預(yù)頂升、循環(huán)頂升過程,動態(tài)監(jiān)測。

4.4 裂縫監(jiān)測

在梁體頂升前后以及整個頂升施工過程中,采用人工觀測方式對原檢測報告中已發(fā)現(xiàn)的受力裂縫進行觀察,及時跟蹤裂縫發(fā)展情況。對頂升過程中出現(xiàn)的明顯裂縫及原有已處理的裂縫是否會擴展進行重點觀測。重點關(guān)注應(yīng)力變化值最大斷面處在頂升過程中是否產(chǎn)生裂縫。

4.5 監(jiān)測預(yù)警值

參照相關(guān)規(guī)范[6-7],并結(jié)合計算分析,在頂升過程中對橋面標高、橫向水平位移、縱向水平位移、單點不均勻垂直偏差、橋面同一橫軸線相對頂升高差等進行監(jiān)測,當達到表3中的控制參考值時,應(yīng)及時采取相關(guān)有效措施進行糾偏。

表3 頂升過程控制參考值

5 結(jié) 論

隨著城市快速路的改造加快,許多高架橋通過頂升改造,可以很好地被重新利用起來,避免拆除重建造成資源浪費及環(huán)境污染。依托徐州市三環(huán)東路高架橋頂升改造工程,介紹該橋的頂升施工過程,對橋梁頂升施工控制進行了分析,主要結(jié)論如下。

(1)為避免頂升過程中的不同步引起梁體較大的附加應(yīng)力,針對本項目兩聯(lián)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁實際,采用PLC電腦同步控制系統(tǒng)控制各點,采用角速度一致等比例頂升的方法整體頂升箱梁上部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)抬高橋梁標高。

(2)通過事前仿真計算,可以分析頂升過程中頂升位移差對梁體內(nèi)力的影響,為了確保梁體安全,可計算得出頂升位移差的控制值,并以此作為頂升施工控制依據(jù)。

(3)對頂升過程中的橋梁進行變形、應(yīng)力、基礎(chǔ)沉降、裂縫等監(jiān)測,并制定相應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警值,通過監(jiān)測反饋至頂升加載過程,如出現(xiàn)異?？杉皶r采取措施,以確保橋梁結(jié)構(gòu)頂升施工安全。