連續梁橋半橋同步頂升施工監控研究

曾松濤

（廈門市市政工程管理處，福建 廈門 361004）

0 引言

目前國內外建設的一些梁式橋中，由于運營時間較長及野外環境影響，普遍存在支座年久失養、橡膠支座日趨老化、鋼板銹蝕等問題，急需進行支座的更換維修，因此橋梁頂升技術得到了不斷的應用與發展，其中整體同步頂升技術采用較多[1]。理論上而言整體同步頂升對連續梁橋不產生附加內力，偏于安全，但梁體整體頂起后沒有水平方向約束，結構在較小的外力作用下即可能成為機動體系，給頂升過程帶來安全隱患，且此法需要設備較多，對大跨連續梁來說，成本投入較高[2]。因此，多跨連續梁橋通常采用半橋同步頂升的方法更換支座。半橋同步頂升設備較整體頂升簡單，更易于操作，但會引起橋梁線形以及內力的改變，因此要嚴格控制頂升高度，要根據現場實際情況選擇合理的頂升設備、設計合理的施工工藝，還要實時跟蹤監控頂升施工過程中梁體位移、應力的變化情況[3]。

本文以一座采用半橋同步頂升方案更換支座的連續梁橋為例，對頂升施工監控方案和現場監測情況進行介紹。

1 工程概況

某三跨連續梁橋，上部結構為變截面預應力混凝土箱梁，跨徑組合為（22.4+32+22.4）m。橋梁總體結構如圖1所示。

圖1 橋梁總體結構圖（單位：cm）

全橋共有48個支座，已使用20多年，均出現了較嚴重的橡膠磨損變形和鋼板銹蝕。根據橋梁支座的使用條件和橋址環境，該次全部更換為經濟、實用的GPZ（Ⅱ）盆式橡膠支座。經方案比選，決定采用PLC控制液壓同步頂升系統進行頂升施工，為支座更換創造施工空間，從而達到更換支座的目的。

具體過程為先同時頂升1#臺、2#墩位置處梁體，更換1#臺、2#墩支座，將3#墩、4#臺支座作為限位裝置，支座更換完畢后，再進行3#墩、4#臺位置支座更換施工，此時，1#臺、2#墩位置作為橋梁頂升的限位裝置，完成支座更換。

2 頂升施工監控方案

2.1 監控工作內容

首先對該橋進行施工階段分析，獲得成橋狀態下的內力。在此基礎上對各支點依次施加向上的強迫位移，分析各墩頂升量的理論上限值，作為施工控制依據。在橋梁頂升過程中，由于材料、結構以及施工本身都與理論分析存在一定的差異，結構的變形、應力狀態不能完全依靠理論分析來評價，還要進行實時的變形測量和應力監測，防止在橋梁頂升施工過程中應力增量過大，使混凝土產生拉應力而開裂，危及結構安全［4］。

2.2 頂升高度分析

利用橋梁有限元軟件ANSYS進行施工過程仿真分析，全橋有限元網格劃分如下圖2所示，變截面區域有限元模型如圖3所示。

圖2 全橋有限元網格劃分圖

圖3 變截面區域有限元模型圖

分別對1#臺和2#墩處梁體同步頂升5 mm、8 mm、10 mm、15 mm、20 mm 進行有限元施工仿真分析；發現當 1#臺和2#墩處梁體同步頂升20 mm時混凝土拉應力超限，應力云圖如下圖4所示。

圖4 1#、2#墩處梁體同步頂升20mm應力云圖

由應力圖可以看出，該工況下梁體混凝土在3#墩底板支撐處附近區域出現最大拉應力增量，如圖中紅色區域，最大拉應力增量為1.675 MPa。考慮到1.2倍的安全系數，C50混凝土拉應力限值為1.83/1.2=1.525 MPa，小于主梁最大拉應力增量。因此，要求頂升高度不能超過10 mm。

2.3 監測測點布置

在頂升過程中需對頂升位移和主梁應力進行跟蹤監測，測點布置如下。

2.2.1 位移測點

橋梁在頂升過程中的位移測試是橋梁頂升監控的重要組成部分。測量橋梁位移的方法有光柵尺測量法、百分表測量法、全站儀測量等，綜合考慮現場實際情況，本項目采用光柵尺進行位移測量。

該項目選擇各墩、臺位置的箱梁截面作為位移監測截面（見圖5），在每個測試截面布置一個位移測點，位于箱梁底部中間位置（見圖6）。在位移測點布置光柵尺（見圖7），每個測試截面備一套數顯設備，頂升過程中實時觀測豎向位移的變化。被頂升梁段的位移傳感器不僅用于測量整體變形的情況，而且可以控制頂升過程中梁體均勻、平衡上升或者落下，防止傾斜等[5]。

圖5 全橋位移測點布置圖(單位：cm)

圖6 位移測點布置圖

圖7 光柵尺布置圖

2.2.2 應力測點

應力測試的目的是通過測試梁體試驗荷載作用下應力增量的大小，直接了解結構的實際工作狀態，保證在頂升過程中混凝土箱梁拉應力不超限。應變值的監測通過在梁體布置電阻應變片實現[6]。

該項目選擇1#墩和2#墩位置箱梁截面作為應力監測截面（見圖8），每個截面布置4個電阻應變片，布置在箱梁底部（見圖9）。現場應力監測設備如圖10所示。

圖8 全橋應變測點布置圖（單位：cm）

圖9 箱梁應變測點布置圖

圖10 現場應變監控圖

3 監控數據分析

由有限元軟件模擬分析可知，頂升1#臺和2#墩時，最大拉應力出現在3#墩梁底位置。因此，該項目于11月29日～12月1日對1#臺、2#墩進行半橋同步頂升施工及更換支座期間，對1#臺和2#墩頂升高度及3#墩梁底應力進行跟蹤監測，于12月4日～12月7日對3#墩、4#臺進行半橋同步頂升施工及更換支座期間，對3#墩、4#臺頂升高度和2#墩梁底應力進行跟蹤監測。監測數據與有限元模擬分析得到的理論值比較如圖11、圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，現場實測頂升高度均未超過15mm，現場頂升高度控制良好。根據現場實測頂升高度，通過有限元軟件模擬分析得到的梁底應力與實測應力趨勢基本一致，但數值有一定誤差。初步分析誤差原因為箱梁混凝土理論彈性模量與現場實際彈性模量不同導致，因施工期箱梁混凝土養護情況及混凝土彈性模量發展等原因，服役后混凝土彈性模量普遍高于規范標準值，導致半橋頂升后，箱梁實際應力分布情況與有限元軟件模擬分析結果出現一定偏差。

圖11 1#、2#墩頂升高度及3#墩底板支撐處實測應力與理論應力圖

圖12 3#、4#墩頂升高度及2#墩底板支撐處實測應力與理論應力圖

4 結論

本文通過對一座連續梁橋半橋同步頂升施工監控進行研究，得到以下結論：

（1）有限元模擬分析結果與現場實測數據趨勢基本一致，說明可以通過有限元軟件對頂升施工過程中結構受力進行預測，以便指導施工；

（2）有限元模擬分析結果與現場實測梁底應力具體數值存在一定偏差，初步認為偏差原因為箱梁混凝土彈性模量理論值與現場實際情況不同導致；

（3）該項目半橋同步頂升施工監控結果良好，監控方案可為類似工程提供借鑒。