在役公鐵桁架橋梁加寬改建結(jié)構(gòu)安全與線形監(jiān)測技術(shù)研究

朱 榮

（上海同濟(jì)檢測技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通通行需求日趨增長，我國現(xiàn)有公路橋梁中有相當(dāng)一部分由于建造年代久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低，橋梁寬度不足，加上運(yùn)營時(shí)間長，存在材料性能退化和結(jié)構(gòu)損傷等安全隱患，已嚴(yán)重影響了道路的通行能力，成為制約城市交通發(fā)展的瓶頸[1、2]。如將這些橋梁進(jìn)行拆除重建，不僅耗資巨大，而且對(duì)于一些技術(shù)狀況較好的橋梁來說，也是一種社會(huì)資源浪費(fèi)[3]。因此，若能采用有效的改造加固措施，提升橋梁通行能力和提高結(jié)構(gòu)承載能力，使其滿足交通增長的需求，繼續(xù)為交通運(yùn)輸服務(wù)，從而給地方帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4、5]。

松浦大橋作為黃浦江上的第一座大橋，運(yùn)營至今已40 余年，見證上海經(jīng)濟(jì)發(fā)展和時(shí)代變革，承載了上海人民的回憶與情懷。伴隨地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革，松浦大橋也必須進(jìn)行改建，以緩解過江交通壓力的需求，為地區(qū)的經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

與新建橋梁相比，既有橋梁改建項(xiàng)目在施工過程中，有一定的交通通行需求，同時(shí)，改建后的橋梁使用功能、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)均發(fā)生較大變化，無論是大修施工過程的安全控制，還是改建后運(yùn)營期結(jié)構(gòu)長期性能的保障都提出了極高要求。因此，這對(duì)老橋改建施工監(jiān)控提出了與新建橋梁不同的技術(shù)要求。本文針對(duì)松浦大橋改建工程實(shí)踐，通過對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、改建施工方案研究，以及施工全過程結(jié)構(gòu)狀態(tài)精細(xì)的計(jì)算分析，確定雙層桁架梁橋改建工程施工控制方法，并結(jié)合現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測，保證改建過程中的結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

松浦大橋于1976 年建成通車，是一座雙層公鐵兩用橋，上層為兩車道公路，路面寬9 m，兩側(cè)各設(shè)1.5 m 人行道，下層為單線鐵路。上部結(jié)構(gòu)采用兩聯(lián)兩跨連續(xù)的鉚接三角形鋼桁梁，跨徑組合為96 m+112 m+112 m+96 m，桁架高12.8 m，中間支點(diǎn)及112 m 跨端支點(diǎn)均設(shè)6 m 高加勁弦，兩片主桁中距6.018 m，主桁節(jié)間為8 m，通航凈空為10 m，其立面布置見圖1。

圖1 主橋總體立面布置（單位：m）

根據(jù)松浦大橋改建設(shè)計(jì)方案，主要改建工作有：（1）拓寬上層公路橋面，將原上層12 m 寬的雙向兩車道橋面拓寬為雙向六車道，改造后寬度24.5 m，設(shè)計(jì)的汽車荷載等級(jí)為公路II 級(jí)；（2）將下層單線鐵路橋面改造成非機(jī)動(dòng)車道；（3）將下層橋面兩側(cè)原鐵路檢修道改造成3.97 m 寬的人行道。改建前后的橋梁結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 主橋大修前后結(jié)構(gòu)斷面（單位：m）

2 施工監(jiān)控特點(diǎn)分析

對(duì)于桁架梁橋，結(jié)構(gòu)桿件和連接節(jié)點(diǎn)較多，加上部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹蝕和局部變形，結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)與建成時(shí)存在較大差異，施工過程中對(duì)結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力狀態(tài)的調(diào)控措施非常有限，因此，施工控制的重點(diǎn)從傳統(tǒng)的線形控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)安全控制為主，新、舊結(jié)構(gòu)的適配性控制為輔，對(duì)現(xiàn)場情況的實(shí)時(shí)掌控和對(duì)結(jié)構(gòu)安全性控制是鋼桁梁橋關(guān)注的重點(diǎn)。主要特點(diǎn)如下：

（1）上層公路橋面寬由12 m 拓寬為24.5 m，由原來的2 車道變?yōu)殡p向6 車道，上、下層橋面重量也有所增加，恒活載的增加對(duì)橋梁原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定要求提高。

（2）上層橋面寬度將比現(xiàn)狀橋?qū)捲黾右槐?，整個(gè)斷面上寬下窄，空間受力效應(yīng)明顯，橋面板扭轉(zhuǎn)變形較大，橫向線形的控制問題突出。

（3）由于主體結(jié)構(gòu)線形無法調(diào)整，而大修引起的恒載增加勢必引起成橋線形的變化，需關(guān)注成橋線形的影響。

（4）由于改建項(xiàng)目的特殊性，老橋結(jié)構(gòu)存在一定的性能退化，需要進(jìn)行一定的加固，這就使得結(jié)構(gòu)當(dāng)前和改建完成后的實(shí)際剛度均較難把握，因此，需要通過現(xiàn)場實(shí)測響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

（5）改建施工中，需要對(duì)主橋支座進(jìn)行更換，應(yīng)進(jìn)行施工過程中同步性控制和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測，更換過程中需對(duì)支座頂升反力、位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保頂升位移達(dá)到設(shè)計(jì)值。

3 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)

由于老橋在運(yùn)營過程中受到局部損傷，其實(shí)際的受力狀態(tài)與理論存在一定的差異。此外，改建過程中結(jié)構(gòu)自重或結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生改變，都將使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生變化，如果實(shí)際應(yīng)力與理論計(jì)算應(yīng)力相差較大，將造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。因此，改建橋梁的結(jié)構(gòu)安全控制對(duì)象主要是施工過程中的應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)于松浦大橋這樣的桁架梁橋，結(jié)構(gòu)桿件多，連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，施工過程中很難對(duì)所有桿件應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估，因此，準(zhǔn)確把握關(guān)鍵受力桿件的監(jiān)測尤為重要。根據(jù)桁架梁橋的受力特點(diǎn)和理論計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力測點(diǎn)選取遵循以下原則：（1）結(jié)構(gòu)體系的控制斷面，如墩頂和跨中位置的上下弦桿；（2）主桁受力較大的位置；（3）關(guān)鍵的加固桿件。主桁應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 桁架應(yīng)力監(jiān)測布置圖

改建的上層橋面系采用節(jié)段預(yù)制鋼- 混凝土正交異性組合橋面板，橫向橋面寬24.5 m，懸臂長度9.25 m，縱向節(jié)段分段長度為8 m，在預(yù)制和吊裝安裝時(shí)，混凝土橋面板局部橫向拉應(yīng)力水平較高。為了保證施工過程中混凝土不會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象，并驗(yàn)證混凝土橋面板抗裂措施的有效性，對(duì)預(yù)制組合橋面板進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。

橋面板的應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖4。鋼橋面板的橫向應(yīng)力測點(diǎn)布置在靠近主縱梁的橫梁底板上緣，縱向應(yīng)力測點(diǎn)布置在主縱梁翼緣板兩側(cè)；混凝土板的橫向應(yīng)力測點(diǎn)布置在主縱梁與橫梁交界位置對(duì)應(yīng)的混凝土板內(nèi)，縱向應(yīng)力測點(diǎn)位于主縱梁中央位置對(duì)應(yīng)的混凝土板內(nèi)。

圖4 預(yù)制鋼- 混組合橋面板應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

4 線形監(jiān)測技術(shù)

對(duì)于老橋改建工程，整體縱向線形已既定存在，施工中已無法對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)控制調(diào)整，只能在施工過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，判斷其各施工階段線形變化是否正常，并根據(jù)實(shí)測線形變化和理論線形變化的誤差情況，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度識(shí)別和有限元模型修正，來預(yù)測改建后的成橋線形。松浦大橋的線形監(jiān)測主要包括基礎(chǔ)沉降、主桁架縱向線形以及上層橋面系橫坡線形等內(nèi)容。

基礎(chǔ)沉降監(jiān)測主要考察上部結(jié)構(gòu)荷載變化后基礎(chǔ)變形，監(jiān)測點(diǎn)選擇在主墩承臺(tái)上。由于老橋地基一般比較穩(wěn)定，且本項(xiàng)目改建施工對(duì)基礎(chǔ)的擾動(dòng)較少，因此基礎(chǔ)沉降主要是判斷在施工過程中是否有異常情況產(chǎn)生，并且評(píng)估基礎(chǔ)發(fā)生定量沉降后對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的影響。

主桁縱向線形監(jiān)測貫穿整個(gè)改建施工過程，測點(diǎn)選取必須考慮可延續(xù)性和持久性，由于松浦大橋改建過程上、下部橋面系均需經(jīng)歷局部構(gòu)件拆除和安裝，因此，測點(diǎn)宜布置在下弦桿稍靠下位置，見圖5。每聯(lián)橋共10 個(gè)測試斷面，采用全站儀進(jìn)行觀測。

圖5 主桁架高程測點(diǎn)布置圖

鋼- 混組合橋面板施工經(jīng)歷混凝土澆筑、安裝、反力架張拉和斜撐安裝等過程，采用少支點(diǎn)支撐，因此對(duì)于上部橋面系橫向變形的控制尤為重要，以保證成橋狀態(tài)橫橋向線形滿足設(shè)計(jì)要求。每一塊預(yù)制橋面板在縱向前后兩端各布置3 個(gè)變形點(diǎn)，測點(diǎn)距離梁端可控制在15~20 cm，見圖6。

圖6 預(yù)制橋面板橫向變形測點(diǎn)布置

5 剛度識(shí)別技術(shù)

橋梁剛度識(shí)別及有限元模型修正是對(duì)既有橋梁狀態(tài)評(píng)估和損傷識(shí)別的有效方法之一，其原理是通過實(shí)測響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正來尋求建立對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)有較高模擬精度的有限元模型，并假設(shè)結(jié)構(gòu)的損傷將引起結(jié)構(gòu)模型特性參數(shù)的相應(yīng)變化，通過靜力位移響應(yīng)或動(dòng)力測試中的模態(tài)參數(shù)，來分析模型的參數(shù)分布，預(yù)估參數(shù)可以是結(jié)構(gòu)的截面特性參數(shù)。

就松浦大橋舊橋改建工程而言，在整個(gè)施工中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形會(huì)發(fā)生變化，通過現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析的對(duì)比，可以對(duì)舊橋的實(shí)際剛度進(jìn)行識(shí)別，從而為后續(xù)的現(xiàn)場控制策略調(diào)整和理論數(shù)據(jù)修正提供依據(jù)。

5.1 基于支座更換過程的反力識(shí)別

支座反力的分布反映結(jié)構(gòu)的整體受力情況，通過運(yùn)營過程支座反力的識(shí)別，并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，可以掌握結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力狀態(tài)，通過支座反力的調(diào)整對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的微調(diào)。

松浦大橋原支座采用搖軸支座，存在不同程度的銹蝕，需要進(jìn)行更換；此外，改建后為滿足通航需求，對(duì)中間通航孔進(jìn)行整體頂升。根據(jù)頂升支座反力識(shí)別的要求，監(jiān)測內(nèi)容主要監(jiān)測指標(biāo)為頂升力、頂升位移，校核指標(biāo)為結(jié)構(gòu)變形、關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力等。

頂升力監(jiān)測主要通過頂升千斤頂油壓系統(tǒng)的壓力傳感器獲得；頂升位移通過自動(dòng)化頂升控制系統(tǒng)自帶的位移數(shù)據(jù)和布置的位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，測量行程滿足最大頂升位移的需求。位移傳感器安裝在支座墊石的四周角點(diǎn)。

頂升過程各墩支座的實(shí)測反力和頂升位移見表1?？梢钥闯?，兩聯(lián)主桁總重分別為2195.6 t 和2213.6 t，比設(shè)計(jì)理論重4%和5%。從反力分布來看，兩聯(lián)橋邊墩（0# 和4#）實(shí)測反力比理論反力大106 t和89 t，其余各墩反力實(shí)測和理論偏差均較小，說明結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)與理論計(jì)算一致。

表1 支座頂升反力

5.2 主桁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性識(shí)別

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性主要包括自振頻率、振型以及阻尼比，是結(jié)構(gòu)的固有特性，。自振特性的確定可以作為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和剛度評(píng)定的依據(jù)，實(shí)測結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，既能夠建立橋梁實(shí)際動(dòng)力特性方面的原始檔案，也可用實(shí)測數(shù)據(jù)校核理論分析結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

主桁架為松浦大橋承重受力的主體結(jié)構(gòu)，因此動(dòng)力特性識(shí)別安排在上層橋面系拆除、主桁橫向連接系安裝后進(jìn)行，此時(shí)主桁結(jié)構(gòu)不受上層橋面系的影響，其自振特性能夠準(zhǔn)確把握。根據(jù)該結(jié)構(gòu)狀態(tài)自振頻率的理論計(jì)算結(jié)果，振型測點(diǎn)布置在橋梁在各跨徑L 的L/4、L/2、3L/4 以及支點(diǎn)處。前兩階自振特性理論計(jì)算與實(shí)橋測試結(jié)果對(duì)比見表2 和圖7。

可知，一階振型為反對(duì)稱豎彎，理論振動(dòng)頻率為1.702 Hz，二階振型為對(duì)稱豎彎，理論振動(dòng)頻率為3.045 Hz。主桁前兩階實(shí)測振型與理論計(jì)算振型一致，各階實(shí)測頻率均比理論計(jì)算偏大，結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度略高于理論剛度，前兩階實(shí)測阻尼比分別為6.22%和2.76%。

表2 結(jié)構(gòu)自重頻率計(jì)振型特征

圖7 松浦大橋前兩階振型對(duì)比

6 施工監(jiān)控信息化系統(tǒng)應(yīng)用

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)廣泛應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)控提供遠(yuǎn)程和智能化控制的發(fā)展方向，加上BIM 技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域已從概念普及進(jìn)入到全方面的應(yīng)用發(fā)展階段，為橋梁施工監(jiān)控信息化提供新的展示平臺(tái)?；诖?，借助松浦大橋改建項(xiàng)目，運(yùn)用信息化技術(shù)和橋梁施工監(jiān)控工作經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工監(jiān)控工作在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)協(xié)同、數(shù)據(jù)信息共享、監(jiān)控成果展示上的不足。

圖8 為松浦大橋施工階段監(jiān)測數(shù)據(jù)展示，通過BIM 模型的圖形索引功能，展示各控制截面的內(nèi)力和變形的理論值、實(shí)測值等數(shù)據(jù)。通過圖形，直觀顯示松浦大橋各關(guān)鍵構(gòu)件在各施工階段的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力狀態(tài)，以及在整個(gè)施工過程中的變化情況。

系統(tǒng)設(shè)有全過程施工質(zhì)量管理和施工風(fēng)險(xiǎn)管理，以BIM 模型為信息載體，建立各施工階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)和施工進(jìn)度的可視化管理。同時(shí)，建立施工監(jiān)控工作協(xié)同，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和質(zhì)量管理數(shù)據(jù)的共享，將技術(shù)人員與管理人員通過終端連接起來，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)傳遞與快速分享，見圖9。

圖8 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)BIM 可視化展示

圖9 預(yù)制橋面板加工質(zhì)量管理數(shù)據(jù)

7 結(jié) 語

本文以松浦大橋改建為背景，分析了桁架梁橋改建的施工監(jiān)控特點(diǎn)，建立了老橋施工監(jiān)控以結(jié)構(gòu)安全控制為主，新、舊結(jié)構(gòu)的適配性控制為輔的總體控制思路；針對(duì)改建施工中所關(guān)心的結(jié)構(gòu)安全及線形控制等問題，研究了相應(yīng)的監(jiān)測與控制方法。針對(duì)支座更換施工階段，對(duì)支座反力和主桁架動(dòng)力特性進(jìn)行識(shí)別，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證與評(píng)估結(jié)構(gòu)總體的技術(shù)狀況。在傳統(tǒng)監(jiān)控方法上發(fā)展了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與信息交互平臺(tái)工作模式，為國內(nèi)外同類橋梁的施工監(jiān)控提供理論參考依據(jù)與借鑒。