銀西高速鐵路黃河特大橋施工監(jiān)測控制技術的應用

王春宏

（中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅蘭州 730030）

橋梁施工監(jiān)測和監(jiān)控是保障橋梁結構施工安全的一種重要措施。在橋梁結構施工過程中，依據(jù)監(jiān)測結果可以判斷和預測現(xiàn)階段和后續(xù)施工階段橋梁結構的應力和應變，也可依據(jù)監(jiān)測結果對施工工藝參數(shù)和施工方法進行優(yōu)化設計，為橋梁快速安全施工提供技術參考[1—3]。施工監(jiān)控與監(jiān)測不僅關系到橋梁的施工安全，也關系到橋梁使用過程中結構的安全及壽命問題[4—6]。橋梁監(jiān)測過程中如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測值與理論計算結果相差懸殊時，必須暫停施工，進行橋梁結構和臨時支撐體系分析[7—9]。橋梁施工監(jiān)測與監(jiān)控方案的優(yōu)劣直接影響橋梁施工安全和運營安全，尤其對于高鐵橋梁影響更大。高速鐵路大跨簡支梁橋具有重量大、梁體體積大的特點，施工中支架系統(tǒng)、混凝土澆筑、預應力張拉、混凝土徐變和溫度效應等均會影響橋梁施工中預拱度的設置、應力和徐變，這些變化都會對施工過程的安全和質(zhì)量造成影響。因此，對橋梁進行實時監(jiān)測顯得十分重要。本文以銀西高速鐵路黃河特大橋為依托，結合有限元分析理論，對該橋56 m 簡支箱梁在施工中的線形、應力及支架系統(tǒng)進行監(jiān)測控制，分析橋梁在施工中的安全性和運營中的耐久性，為同類鐵路簡支梁橋的監(jiān)測提供借鑒。

1 工程概況

銀吳客運專線段是銀西高鐵寧夏境內(nèi)的關鍵交通樞紐，銀川機場黃河特大橋作為該段的重點工程之一，其引橋采用13 跨56 m 的雙線預應力混凝土簡支箱梁，其截面形式為等高單箱單室；梁長56 m，計算跨度53.8 m，梁高5.1 m，在梁頂部設置2.0%的橫向排水坡；橋面頂寬12.2 m，底寬6.7 m，跨中截面的頂、底板厚35 cm，腹板厚52 cm，采用支架現(xiàn)澆法施工。

高速鐵路56 m 簡支箱梁的支架現(xiàn)澆過程是橋梁施工的關鍵和核心過程，對橋梁施工質(zhì)量、成橋狀態(tài)及后期運營具有重要的影響，在施工過程中，實時監(jiān)測能夠保證橋梁的質(zhì)量和安全。

2 支架系統(tǒng)預壓監(jiān)測

2.1 支架系統(tǒng)模型

針對56 m 箱梁現(xiàn)澆支架，基于桿系有限元理論和方法，采用Midas/Civil 軟件建立了支架系統(tǒng)模型，其中支架部分采用梁單元模擬，支架與地基之間采用固結約束，鋼管立柱與主墩附墻之間采用鉸接約束；支架主要承受的荷載為支架系統(tǒng)自重、現(xiàn)澆混凝土梁體重量、施工臨時荷載和風荷載，其中風荷載均勻分布在各鋼管立柱的柱頂上，有限元模型如圖1 所示。

完成建模和荷載分析之后，為保證支架系統(tǒng)的安全性，需對支架系統(tǒng)中各個部位結構參數(shù)進行計算并評價，其中包括桁梁、貝雷梁、分配梁、鋼管立柱和支架系統(tǒng)鉆孔樁。經(jīng)計算分析，各結構均滿足安全性要求。

圖1 箱梁現(xiàn)澆支架模型

2.2 支架系統(tǒng)預壓監(jiān)測與監(jiān)控

2.2.1 支架預壓 支架預壓是消除現(xiàn)澆梁支架系統(tǒng)因梁混凝土荷載產(chǎn)生的變形，獲得支架系統(tǒng)模板的荷載-撓度變化曲線關系、地基承載力及消除地基彈性變形的施工方法。其測量結果與理論計算結果相比較的分析結果是支架系統(tǒng)預拱度設計的依據(jù)。

2.2.2 預壓過程及監(jiān)測 56 m 現(xiàn)澆箱梁支架預壓的流程為：支架檢驗與驗收→測量高程→砂袋擺放→加60%荷載→沉降量及支架變形觀測→加80%荷載→沉降量及支架變形觀測→加120%荷載→沉降量及支架變形觀測→卸載→設計預拱度。預壓范圍為橋面板投影范圍；支架預壓荷載按橋面板自重的110%設置，單跨預壓總重為2 350 t，采用砂袋及整件鋼筋碼放的方式進行預壓。

經(jīng)過支架預壓加載、卸載觀測及相應的計算得出，支架總變形量為3.4 cm，彈性變形量為2.4 cm，非彈性變形量為1.0 cm。根據(jù)所測數(shù)據(jù)對底模板作相應的調(diào)整，使其滿足施工要求。預壓結果顯示，56 m 現(xiàn)澆簡支梁支架搭設間距、地基處理、支架上方橫梁、貝雷梁布設和底模安裝均滿足受力要求。

2.3 支架系統(tǒng)施工監(jiān)測

2.3.1 監(jiān)測內(nèi)容 在主梁施工過程中，對支架進行應力監(jiān)測，可實時掌握施工過程中支架系統(tǒng)的受力情況，形成較好的預警機制，從而能夠更安全、可靠地實施控制。根據(jù)橫向分配梁的受力特點，在分配梁跨中斷面布置應變傳感元件，實時監(jiān)測施工階段橫向分配梁的應力分布。本項目中采用了ZX-212CT智能弦式數(shù)碼應變計，該數(shù)碼應變計是一種表面應變計，適用于各種鋼結構的應變測量，應變計安裝采用焊接方式，將應變計直接焊接在梁底。

2.3.2 測點布置 為了監(jiān)測支架系統(tǒng)在施工過程中的受力情況，對橫向分配梁進行實時應力監(jiān)控，測點布置在橋跨中間的兩個橫向分配梁上，布置方式如圖2 所示。

2.3.3 監(jiān)測分析 采用Midas/Civil 建立支架系統(tǒng)的梁單元數(shù)值模型（圖3），監(jiān)測橫向分配梁在施工階段的應力[10]，測點測試結果如圖4 所示。

圖2 支架系統(tǒng)橫向分配梁測點布置圖

圖3 支架系統(tǒng)有限元模型圖

圖4 測點測試結果

由圖4 可知，在整體梁體澆筑過程中，支架分配梁的應力實測值與理論計算結果線形吻合良好，分配梁應力整體在彈性范圍內(nèi)（比理論值大），這表明分配梁受力狀態(tài)良好，證明在本項目中采用的支架系統(tǒng)安全可靠，能夠保障高速鐵路56 m 簡支箱梁支架現(xiàn)澆的有效實施。

3 主梁施工過程監(jiān)測

3.1 應力監(jiān)測

在56 m 梁施工過程中，依據(jù)理論計算確定控制截面，在控制截面設計應力監(jiān)測點并埋設應力傳感器，根據(jù)應力監(jiān)測值可以準確地判斷全橋的內(nèi)力狀態(tài)。通過應力監(jiān)測可以形成很好的預警作用，為橋梁安全施工提供保障。

3.1.1 應力測試儀器 由于56 m 簡支梁橋的施工工期長，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要有良好的穩(wěn)定性，該橋監(jiān)控采用CDJM 綜合測試儀，可實現(xiàn)與計算機直接連接，記錄數(shù)據(jù)以Excel 格式輸出，方便監(jiān)測結果處理與分析。

3.1.2 主梁應力測點 根據(jù)施工進度和結構的重要受力過程節(jié)段進行測量。針對本工程56 m 簡支梁，為了對比多孔梁施工的應力狀態(tài)，分別在第9 孔和11 孔跨中位置布置應力測點，每孔跨中應力測點布置如圖5 所示。

圖5 應力測點布置圖

3.1.3 主梁應力分析 對于箱梁結構，在豎向彎曲受力時存在剪力滯效應，剪力滯效應使得翼板的縱向正應力沿橫向分布不均勻，而普通梁單元分析無法獲得真實的截面應力分布[11—12]。為了進一步研究高速鐵路56 m 箱梁的橫截面上的縱向應力分布，采用ANSYS 軟件建立全梁體三維實體有限元分析模型，研究箱梁受剪力滯效應影響的應力分布，有限元分析模型如圖6 所示。

圖6 三維塊體有限元模型圖

在三維實體模型中，考慮了現(xiàn)場施工的梁體自重和預應力作用等影響，獲得較精細化的測點應力，并與現(xiàn)場實測結果進行對比。第9 孔梁體支架拆除后成橋階段的截面縱向應力對比分析結果如圖7 所示。

從第9 孔梁跨中頂、底板應力分布圖可以看出，箱梁截面存在明顯的剪力滯效應，現(xiàn)場實測應力與三維實體有限元應力分析結果吻合良好，但是傳統(tǒng)梁單元理論解（相當于平均值）并不能反映剪力滯效應引起的截面頂和底板縱向應力差異。實測數(shù)據(jù)表明，截面應力實測值小于設計值，說明結構施工受力狀態(tài)優(yōu)于設計，支架現(xiàn)澆方案達到了設計目標。

圖7 第9 孔截面縱向應力

3.2 線形監(jiān)測

線形測量控制點如果設置適當，不僅可以監(jiān)測主梁的標高變化，還可以監(jiān)測主梁的扭曲程度和主梁軸線水平偏位。每梁段完成預應力張拉工作后，對成梁段進行標高通測。

3.2.1 主梁線形測點布置 為了研究主梁混凝土澆筑后變形隨時間的變化規(guī)律，在跨中及L/4 的梁頂埋設變形觀測點，測點采用Φ20 鋼筋伸至入腹板內(nèi)50～100 mm，焊接在腹板內(nèi)豎向鋼筋上并伸出梁頂表面30 mm 左右，澆筑完擋渣墻后引至擋渣墻頂并標識清楚。測點布置如圖8 所示。

圖8 高程測點布置

3.2.2 主梁標高測量 為進一步對梁體線形實測值與理論值進行比較，取1/4 跨測點和1/2 跨測點預拱度隨時間變化曲線，并與Midas/Civil 理論值對比，結果如圖9 所示。

圖9 預拱度隨時間的變化

由圖9 預拱度隨時間變化的曲線可知，梁體預拱度隨預應力張拉和擋渣墻澆筑等施工過程不斷變化，實測數(shù)據(jù)與理論計算結果線形基本吻合，通過對數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，兩者之間最大差值為0.3 MPa，符合施工要求。這表明高速鐵路56 m 簡支箱梁具有較大的剛度。

4 結論

高速鐵路56 m 簡支箱梁的支架現(xiàn)澆過程是橋梁施工的關鍵和核心過程，對橋梁施工質(zhì)量、成橋狀態(tài)和后期運營具有重要影響。根據(jù)現(xiàn)澆支架系統(tǒng)的預壓和施工過程監(jiān)測表明：

（1）高速鐵路56 m 簡支箱支架系統(tǒng)具有良好的強度、剛度和穩(wěn)定性，通過預壓措施可有效保證橋梁預拱度。

（2）支架在橋梁施工過程中的安全穩(wěn)定保證了橋梁施工的安全性和有序性。

（3）主梁施工過程應力和線形監(jiān)控表明，高速鐵路56 m 簡支箱梁施工過程中受力狀態(tài)平穩(wěn)，橋梁施工方案科學合理、施工控制高效，施工質(zhì)量得到了有效保障。