大懸臂連續(xù)鋼桁梁橫移施工過程分析及監(jiān)控

楊書生，崔鳳坤，滕兆寶，丁江云

(1.山東濰萊高速鐵路有限公司，山東 濟(jì)南 250102；2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；3.山東中勘工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266033)

1 工程概況

濰萊右線跨青榮鐵路特大橋31#～33#墩(120+82)m鋼桁梁，與青榮城際鐵路呈約8.5°斜角。其中32#墩橋墩為鋼橫梁、鋼筋混凝土立柱框架墩，墩身高度12.2 m，墩頂設(shè)高度為5.3 m框架墩頂鋼橫梁，鋼橫梁拼裝后進(jìn)行拖拉就位，(120+82)m單線連續(xù)鋼桁梁的拼裝后進(jìn)行橫移就位。

(120+82)m連續(xù)鋼桁梁橋跨布置為下承式布置，鋼桁梁由主桁、橋面系、上平縱聯(lián)、橋門架及橫聯(lián)組成。主桁為耐候鋼，橋面采用不銹鋼復(fù)合鋼板321-Q370qENH。鋼桁梁主體鋼結(jié)構(gòu)總重為1 985.4 t。全橋共分18個(gè)節(jié)段，節(jié)段長度從萊西北站側(cè)開始為(4×11+2×12+4×13+2×12+4×10+2×9)m。主桁采用整體焊接節(jié)點(diǎn)。

鋼桁梁主桁采用不等高連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，主桁架采用有豎桿三角桁，桁梁高13～25 m，節(jié)段長度9～13 m，主桁中心距10 m，上、下弦桿均采用箱型截面。橋面系由橋面板、節(jié)點(diǎn)橫梁及節(jié)間橫梁、縱肋組成。

2 橫移支架設(shè)計(jì)及施工方案

2.1 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)體系

31#墩位置設(shè)置兩排鋼管樁，縱向鋼管樁間距為(6+6+6.5+5.5+6+6+5)m，橫向鋼管樁間距為2.5 m，鋼管樁之間均通過雙拼槽鋼連接。32#墩位置設(shè)置三排鋼管樁，每排由6根鋼管樁組成，縱向鋼管樁間距均為6 m，橫向鋼管樁間距為1.8 m，鋼管樁之間均通過φ426×10鋼管連接。

2.2 鋼管樁支架構(gòu)造

31#墩位置鋼管樁采用φ630×16鋼管，鋼管主要材質(zhì)為Q235級(jí)鋼，每根鋼管長度為21.5 m，連接鋼管樁的雙拼槽鋼采用[20a；32#墩位置外側(cè)兩排鋼管樁采用φ630×16鋼管，中間一排采用相同尺寸的鋼管混凝土樁，其中混凝土標(biāo)號(hào)為C30，鋼管樁連接系桿采用φ426×16鋼管。

2.3 滑道梁構(gòu)造

滑道梁在鋼桁梁橫移過程中起臨時(shí)支撐作用，因此滑道梁的強(qiáng)度和剛度是鋼桁梁安全地橫移到指定位置的重要保證。本工程中32#滑道梁采用28 mm鋼板焊接而成，鋼板主要材質(zhì)為Q345級(jí)鋼，32#滑道梁均焊接為單箱雙室結(jié)構(gòu)，32#滑道梁高2 m，寬2.2 m，兩箱室寬度均為0.8 m，翼板寬度0.3 m。32#滑道梁沿縱向設(shè)置短加勁肋通長加勁肋。

2.4 施工方案

首先，對(duì)鋼桁梁以及框架墩拼裝場地進(jìn)行建設(shè)，搭設(shè)鋼橫梁及鋼桁梁拼裝支架，進(jìn)行框架墩鋼橫梁以及鋼桁梁階段拼裝。再將鋼橫梁拖拉就位，然后接長支架作為鋼桁梁拼裝及橫移支架。

支架全部架設(shè)完畢后，安裝滑道梁，再進(jìn)行鋼桁梁剩余節(jié)段拼裝，拼裝完成后進(jìn)行橫移施工，利用千斤頂拖拉鋼桁梁至設(shè)計(jì)位置，拆除滑道梁，并將鋼桁梁落梁，安裝支座就位，最后拆除支架完成施工。

3 橋梁施工階段力學(xué)分析及監(jiān)控

3.1 鋼管樁支架有限元分析與監(jiān)控

(1)有限元模型建立

根據(jù)鋼管樁設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場實(shí)際安裝位置，建立鋼管樁力學(xué)計(jì)算模型。其中鋼管樁和鋼管樁之間的連接系梁均采用梁單元進(jìn)行模擬。鋼管樁與系梁之間的連接方式為剛性連接，鋼管樁與分配梁之間需釋放梁端約束，鋼管樁底部采用固定約束。根據(jù)鋼桁梁實(shí)際橫移施工狀況，通過改變荷載來模式施工過程。

(2)測點(diǎn)布設(shè)

鋼桁梁橫移過程中，為保持鋼管樁結(jié)構(gòu)線形，需要在鋼管樁樁頂安裝反光片，來監(jiān)測鋼管樁的豎向變形。鋼桁梁橫移過程中，當(dāng)鋼桁梁底滑塊位于鋼管樁頂位置時(shí)，鋼管樁頂?shù)膽?yīng)力最大，故需要安裝應(yīng)變片，用以監(jiān)測鋼管樁樁頂應(yīng)力。

(3)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比分析

鋼管樁樁頂應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值見表1。

表1 鋼管樁樁頂應(yīng)力實(shí)測值與理論計(jì)算值/MPa

根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知：在橫移整個(gè)施工過程中，鋼管樁均處于受壓狀態(tài)，且當(dāng)鋼桁梁橫移到鋼管樁樁頂時(shí)，該鋼管樁應(yīng)力最大。鋼管樁各個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力變化與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，實(shí)測值總體大于理論計(jì)算結(jié)果，鋼管樁強(qiáng)度滿足安全施工要求。

(4)位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比分析

鋼管樁樁頂豎向位移實(shí)測值與計(jì)算值見表2。

表2 鋼管樁樁頂豎向位移實(shí)測值與計(jì)算值/mm

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和施工方案，鋼管樁豎向位移較小，能夠滿足施工規(guī)范要求。

3.2 滑道梁有限元分析與監(jiān)控

(1)有限元模型建立

根據(jù)滑道梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場實(shí)際情況，建立滑道梁有限元模型。根據(jù)鋼桁梁橫移過程中移動(dòng)情況，將鋼桁梁上的反力施加到滑道梁對(duì)應(yīng)位置上。滑道梁與分配梁之間的連接方式為彈性連接。

(2)測點(diǎn)的布置

對(duì)滑道梁的主要監(jiān)測內(nèi)容是滑道應(yīng)力和變形，根據(jù)有限元軟件Midas Civil計(jì)算結(jié)果，在應(yīng)力較大的位置安裝應(yīng)變花以監(jiān)測滑道應(yīng)力。根據(jù)現(xiàn)場施工情況和有限元模型計(jì)算結(jié)果確定鋼桁梁上反光片安裝位置，用以監(jiān)測滑道的變形。

(3)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

在鋼桁梁橫移施工過程中，滑道梁各個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 滑道梁應(yīng)力理論值與監(jiān)測結(jié)果/MPa

根據(jù)滑道梁有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對(duì)比可知：鋼桁梁橫移過程中對(duì)滑道梁產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為66.9 MPa，小于Q235鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190 MPa，且滑道梁應(yīng)力的實(shí)測結(jié)果和理論計(jì)算值基本保持一致，滿足安全施工要求。

(4)位移監(jiān)測結(jié)果分析

滑道梁位移實(shí)測值與計(jì)算值見表4。

由表4可知，鋼桁梁橫移過程中，滑道梁各測點(diǎn)撓度最大值略大于理論計(jì)算值，并且均小于L/400(L為滑道梁跨度)，滑道梁剛度滿足施工要求。

3.3 鋼桁梁有限元分析與監(jiān)控

(1)有限元模型建立

鋼桁梁主桁結(jié)構(gòu)形式為不等高連續(xù)梁，桁高13～25 m，鋼材選用Q370級(jí)鋼，主桁架設(shè)為帶豎杠的三角桁，建模過程中采用梁單元。橋面采用內(nèi)外均為17 mm厚板單元，橋面與桁架的連接方式為剛接。由于鋼桁梁橫移過程中支撐條件未發(fā)生變化，故橫移過程中不改變邊界條件。

(2)測點(diǎn)布設(shè)

對(duì)鋼桁梁橫移施工過程中各個(gè)控制位置的內(nèi)力監(jiān)測時(shí)，根據(jù)鋼桁梁有限元計(jì)算結(jié)果和鋼桁梁施工要求確定測點(diǎn)布設(shè)位置，在各控制截面位置安裝鋼弦式應(yīng)變計(jì)。選取的測點(diǎn)位置為鋼桁梁兩支點(diǎn)位置弦桿和腹桿，跨中位置上下弦桿和腹桿。

為控制施工過程中鋼桁梁線形和橫移位置，需在鋼桁梁下弦桿與斜腹桿連接位置安裝反光片，利用全站儀監(jiān)測各個(gè)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，以控制鋼桁梁高度偏差與拖拉過程中鋼桁梁位置偏差，旨在鋼桁梁施工過程完成后可以安全、準(zhǔn)確橫移到設(shè)計(jì)位置。

(3)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

鋼桁梁在橫移過程中對(duì)各個(gè)控制截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)見表5。

由上表可以看出：鋼桁梁最大拉應(yīng)力為81.2 MPa，最大壓應(yīng)力為53.4 MPa，鋼桁梁各個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)，可以滿足施工要求。

(4)位移監(jiān)測結(jié)果分析

鑒于本橋施工特點(diǎn)，這里僅列出鋼桁梁懸臂端位移結(jié)果。鋼桁梁測點(diǎn)10位移監(jiān)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果見表6。

由表6可以看出：鋼桁梁橫移施工過程中，測點(diǎn)位移實(shí)測值略大于理論計(jì)算值，懸臂端最大撓度為113.5 mm，且最大撓度值小于L/300(L為鋼桁梁懸臂端長度)，鋼桁梁剛度滿足安全施工及相關(guān)規(guī)范要求。

表6 鋼桁梁測點(diǎn)10位移值/mm

在整個(gè)橫移施工過程中，鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系未發(fā)生變化，由于受到風(fēng)荷載、外部震動(dòng)等因素的影響，鋼桁梁上同一測點(diǎn)的變形會(huì)隨著橫移過程發(fā)生變化。

在模型計(jì)算過程中，由于未考慮滑塊自身的彈性變形，把滑塊考慮成理想的邊界條件進(jìn)行處理，而滑塊的變形會(huì)引起橋梁上部結(jié)構(gòu)細(xì)微的剛體變形，因此實(shí)測值大于理論值。

4 結(jié) 語

(1)懸臂連續(xù)鋼桁梁橫移施工過程中，通過對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和實(shí)際監(jiān)控，結(jié)果表明：在應(yīng)力和變形方面，各結(jié)構(gòu)實(shí)測值與理論值均滿足規(guī)范要求，證明了采用大懸臂連續(xù)鋼桁梁橫移施工的可行性。

(2)通過合理的支架設(shè)計(jì)，可以保證橫移施工過程中鋼桁梁的線形和應(yīng)力具有可控性。

(3)滑塊本身的變形會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測撓度產(chǎn)生一定的影響，因此在監(jiān)控過程中應(yīng)進(jìn)行關(guān)注。