三榀拱肋鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工監(jiān)控分析

■鄭景祥

(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025)

三榀拱肋鋼管混凝土拱橋吊桿更換施工監(jiān)控分析

■鄭景祥1,2

(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350025)

結(jié)合三榀拱肋鋼管混凝土橋梁吊桿更換有限元仿真分析和吊桿更換施工監(jiān)控方案,通過對三榀拱肋應(yīng)力、橫梁應(yīng)力、吊桿索力、橋面高程、橋梁自振特性的監(jiān)測，確保橋梁在吊桿更換過程中的安全，并為此類橋梁在以后的吊桿更換施工監(jiān)控提供參考。

鋼管混凝土拱橋 吊桿更換 施工監(jiān)控

1 橋梁概況

某橋三榀拱肋，橋梁全長176m，上部結(jié)構(gòu)共設(shè)3個橋孔，中孔采用中承式鋼管混凝土拱肋，凈跨76m，矢跨比1/4，兩邊孔為上承式混凝土拱，凈跨35m，矢跨比1/5，橋吊主體布置如圖1所示。

中孔鋼管混凝土拱軸線為二次拋物線，按無鉸拱設(shè)計。拱肋為啞鈴型截面，鋼管直徑為800mm，高度1.9m，內(nèi)灌C40混凝土。橋梁橫向共設(shè)置三榀拱肋，機(jī)動車道布置在拱肋之間，非機(jī)動車道及人行道布置在拱肋外側(cè)。三榀拱肋之間在橋面以上段設(shè)置三根橫撐聯(lián)系，在橋面以下段設(shè)置兩個K型橫撐聯(lián)系。吊桿為110-Φs5高強(qiáng)鋼絲，外套鋼管，并灌注水泥砂漿防護(hù)。橫梁為普通鋼筋混凝土I字梁，橋面為裝配式鋼筋混凝土簡支板，橋面連續(xù)。

兩邊孔為上承式混凝土拱，拱軸為二次拋物線，板拱厚0.8m，拱上建筑為梁式腹拱，在立柱、橫梁上安裝裝配式鋼筋混凝土簡支板，橋面連續(xù)。

根據(jù)檢測，該橋吊桿外包護(hù)套銹蝕嚴(yán)重的病害，吊桿錨頭鋼絲銹蝕，病害在持續(xù)的發(fā)展，應(yīng)對橋梁吊桿更換，為了更好的改善吊桿受力和其使用壽命，對原橋所有吊桿進(jìn)行更換處理。

圖1 橋梁主體布置圖(單位：m)

2 橋梁吊桿更換施工監(jiān)控目標(biāo)

本橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷恋鯒U拱橋，在每根吊桿更換施工過程中，其內(nèi)力與構(gòu)件的變形均在不停的變化，只有選擇合理的監(jiān)控方案，才能確保橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中其內(nèi)力與構(gòu)件變形在設(shè)計容許范圍內(nèi)。總體目標(biāo)是：

(1)確保吊桿更換過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全，控制吊桿在更換過程中其張拉力不超出設(shè)計索力±20%范圍內(nèi)；

(2)控制主拱肋的應(yīng)力與變形不超過設(shè)計容許范圍；

(3)通過各吊點(diǎn)標(biāo)高和吊桿內(nèi)力全程監(jiān)控，指導(dǎo)和調(diào)整吊桿的橫梁吊點(diǎn)標(biāo)高和受力狀態(tài)，盡可能獲得較理想的成橋橋面線形和內(nèi)力狀態(tài)。

3 橋梁吊桿更換有限模型仿真分析

大橋采用對等的力轉(zhuǎn)換法等代替換原吊桿，大橋的施工控制模型采用Midas軟件進(jìn)行計算，按照施工工藝和施工流程來仿真施工過程，施工控制模型如圖2。

圖2 橋梁有限元模型

4 橋梁吊桿更換施工監(jiān)控難點(diǎn)及內(nèi)容

本橋吊桿更換的設(shè)計思想是吊桿更換過程中盡量不改變?nèi)珮蛟械氖芰顟B(tài)，待全部吊桿更換完成后通過吊桿更換后通過索力的二次調(diào)整，獲得合理的成橋狀態(tài)；即在施工工程中，新吊桿張拉以對應(yīng)的舊吊桿索力值作為控制值，保證吊桿更換后吊桿力盡量一致。

本橋吊桿更換是同時更換三榀拱肋同一位置的吊桿，在吊桿更換過程中，為了保證三榀拱肋、橫梁、吊桿、橋面板之間的協(xié)同受力，就需要利用軟件對橋梁進(jìn)行仿真分析，模擬出各個構(gòu)件在吊桿更換前后及過程中的應(yīng)力、變形、索力的變化值，如何保證監(jiān)控過程中應(yīng)力、變形、索力值同時在設(shè)計要求范圍內(nèi)，是本次監(jiān)控的一個難點(diǎn)。

(1)主拱肋應(yīng)力監(jiān)控

采用振弦式應(yīng)變計(表面式)對主拱肋應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控。在每跨拱肋拱腳截面、拱頂截面、1/4截面和3/4截面，每斷面布置1個測點(diǎn)，3榀拱肋共布置15個應(yīng)力測點(diǎn)。

(2)橫梁應(yīng)力監(jiān)控

本橋吊桿橫梁采用普通鋼筋混凝土I字梁，在吊桿更換過程中，由于三個拱肋的兜掉系統(tǒng)千斤頂頂升的同步性較難保持一致，因此，在更換中的橫梁下緣布置兩個振弦式應(yīng)變計，對其應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測，并控制其變化值在設(shè)計允許的范圍之內(nèi)。

(3)幾何變形監(jiān)控

橋面線形的控制包括兩個方面的內(nèi)容：一是監(jiān)測吊桿更換后橋面標(biāo)高的變化，保證吊桿張拉和卸載過程橋面不因過大的變形而破裂；二是在吊桿更換施工前后對整個橋面線形進(jìn)行測試，并通過索力調(diào)整獲得理想的橋面線形。

圖3 橋面水準(zhǔn)測量點(diǎn)布置示意圖

(4)吊桿索力監(jiān)控

為了保證吊桿在更換前后新吊桿索力與舊吊桿索力一致索力盡量一致吊桿索力的監(jiān)控分為三個過程。

一是吊桿更換前，分別采用振動頻率法和油壓法測試吊桿索力，并對兩次值進(jìn)行比對分析及對模型進(jìn)行修正，確定新吊桿的張拉控制值；

二是吊桿更換過程中，參考前面確定的張拉控制值，利用油壓法控制吊桿索力；

三是吊桿更換完，再次分別采用振動頻率法測試吊桿索力，得到吊桿更換完成后的索力，綜合應(yīng)力、變形、索力等監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對，對吊桿索力進(jìn)行二次調(diào)整，得到合理的成橋狀態(tài)。

(5)自振特性測試

監(jiān)測橋梁吊桿更換加固前后自振動力特性的變化，了解吊桿更換前后橋梁豎向剛度變化情況，同時亦為橋梁今后運(yùn)營養(yǎng)護(hù)及長期健康狀況評價提供結(jié)構(gòu)原始參數(shù)。

在中孔三片鋼管砼下的吊桿與橋面相交處布置39個測點(diǎn)測試中孔橋面的豎向振型及自振頻率，利用橋梁結(jié)構(gòu)在各種隨機(jī)環(huán)境激勵(包括日常隨機(jī)車輛、行人、天然風(fēng)、水流、地脈動的組合)下引起的振動響應(yīng)，采集響應(yīng)的加速度信號。

5 橋梁吊桿更換監(jiān)控結(jié)果分析

(1)拱肋應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

在吊桿更換施工過程前后進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，結(jié)果表明，所檢監(jiān)控測點(diǎn)吊桿更換后出現(xiàn)拉應(yīng)變增量，增量為0～20με。通過全橋模型計算分析，相對自重產(chǎn)生的應(yīng)力、活載產(chǎn)生應(yīng)力、溫度應(yīng)力而言，更換吊桿前后產(chǎn)生的應(yīng)力增量所占比重較小，考慮應(yīng)力疊加后，拱肋并未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼管混凝土截面承載力滿足承載要求，橋梁處于安全狀態(tài)。

(2)橋梁橫梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果表明，所檢監(jiān)控測點(diǎn)吊桿更換后出現(xiàn)應(yīng)變增量，增量為0～14με。

通過全橋模型計算分析，相對自重產(chǎn)生的應(yīng)力、活載產(chǎn)生應(yīng)力、溫度應(yīng)力而言，更換吊桿前后產(chǎn)生的應(yīng)力增量所占比重較小，考慮應(yīng)力疊加后，橫梁并未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足承載要求，橋梁處于安全狀態(tài)。

(3)橋梁線形監(jiān)測結(jié)果

由表1和圖4～圖6線形監(jiān)測結(jié)果可知，吊桿更換過程中和新吊桿更換完成后，橋面標(biāo)高控制高差最大偏差為9.84mm，橋面所有測點(diǎn)標(biāo)高控制高程均在容許范圍內(nèi)，橋面未新增由標(biāo)高誤差過大引起的裂縫，整個過程橋梁處于安全可控狀態(tài)。

(4)橋梁吊桿索力監(jiān)測結(jié)果

由表2監(jiān)控結(jié)果可知，吊桿內(nèi)力和設(shè)計索力偏差率基本都在20%范圍內(nèi)，成橋索力均在吊桿承載能力范圍內(nèi)。

表1 橋面線形監(jiān)測結(jié)果匯總表

表2 吊桿索力匯總表(單位：kN)

圖4 橋梁上游側(cè)橋梁吊桿更換前后橋面高程變化值

圖5 橋梁中游側(cè)橋梁吊桿更換前后橋面高程變化值

圖6 橋梁下游側(cè)橋梁吊桿更換前后橋面高程變化值

(5)橋梁自振特性測試結(jié)果

由表3自振特性測試結(jié)果可知，吊桿更換前后橋梁豎向振動基頻基本接近，但更換后基頻略有降低，經(jīng)分析認(rèn)為，豎向基頻的略降可能與新、舊吊桿剛度差異引起橋面系與拱肋協(xié)同組合剛度變化有關(guān)。

表3 自振頻率實(shí)測和理論值匯總表

(6)橋梁吊桿更換監(jiān)控結(jié)論

拱肋應(yīng)力和橫梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明：三榀拱肋在施工監(jiān)控過程，應(yīng)力變化值相對較小，并未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；線形監(jiān)測結(jié)果表明：橋梁吊桿更換前后橋面線形最大偏差為9.84mm，索力測試、自振特性測試結(jié)果來看，采用當(dāng)前施工及施工監(jiān)測方案，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性有保障。

6 結(jié)語

在本橋的吊桿更換施工監(jiān)控過程中，通過各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的調(diào)整，對施工單位發(fā)出指令，采用橫梁預(yù)抬高，臨時吊桿分級張拉等措施，很好的控制橋梁的線形及內(nèi)力，滿足了施工控制的各項(xiàng)要求，取得了良好的效果，為后期的該橋梁養(yǎng)護(hù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及此類橋梁吊桿更換施工監(jiān)控提供參考。

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