大跨重載跨國道天橋卸載模擬與變形監測研究

劉漢進，王德海，馬海杰

（青建集團股份公司，山東 青島 266071）

0 引言

鋼結構主桁架施工完成后，在結構恒荷載及活荷載作用下，主桁架會發生下撓變形。若在主桁架卸載前或其變形基本穩定前過早施工后續幕墻及橋面石材鋪裝，會因主桁架不同部位下撓變形差導致橋梁底部吊頂鋁板標高不一、出現錯臺，甚至無法安裝，也會造成立面幕墻預埋件偏位、豎向龍骨無法安裝，混凝土墊層及石材面層開裂；若不經變形觀測分析、盲目等待直至主桁架變形最終穩定，過晚施工將造成工期拖后，管理成本增加。本文通過對不同施工階段的模擬計算分析及變形觀測，最終得出主桁架變形基本穩定的時間，既保證了后續工程施工的精度、質量，又實現了工期目標。

1 工程概況

1.1 工程簡介

青島藍色硅谷核心區跨越濱海大道天橋項目位于青島藍色硅谷核心區G228濱海公路K42+420處，該橋為雙層雙向天橋，主體結構采用鋼桁架，用鋼量達1 650t，主桁架高8m，長90m，寬28m，中跨75m鋼桁架橫跨G228濱海公路，東西兩側分別懸挑7.12m及7.88m。橋底采用3mm厚鋁單板吊頂，設計標高4.700m，外幕墻采用穿孔鋁單板單元式幕墻結構體系，采用預埋件與主體鋼結構連接。該橋建成后將硅谷大廈東西兩側連成整體，方便東西兩側工作人員及行人通行，并將作為該區域地標性建筑屹立于濱海大道之上。

1.2 設計簡介

1.2.1 設計內容

設計內容為鋼桁梁連廊主體及其配套梯道，廊內裝飾、外圍裝飾幕墻、橋上內部裝飾、景觀等。

1）天橋主桁架由上弦桿、下弦桿、腹桿、橫梁、縱梁、橋面板等組件拼裝而成，各組件均在工廠統一加工。弦桿、腹桿、橫梁、縱梁采用焊接箱形鋼梁，橋面鋼縱梁及斜撐桿采用熱軋H型鋼，斜撐置于橫梁底鋼板上，與橫梁及弦桿連接處采用高強螺栓連接。

2）外幕墻采用單元式幕墻結構體系，面材采用3mm厚穿孔鋁單板，雙面采用氟碳噴涂（三涂），主次龍骨均采用140mm×40mm鋁合金矩形管，主龍骨壁厚為3mm，次龍骨壁厚為2mm；主次龍骨采用焊接。

3）橋面做法主要包括5cm厚細石混凝土找坡層、3cm厚1∶3水泥砂漿黏結層、2cm厚花崗巖。

1.2.2 荷載及預拱度

1）天橋設計考慮結構恒荷載、外圍附屬荷載、橋面綠化荷載、人群荷載及橫向風荷載的作用。

2）天橋主桁架采用1%人字坡跨中最高，中跨跨中尚應設置預拱度按+80mm設置，支點至跨中預拱度值按二次拋物線過渡。

2 模擬分析

取單幅橋主桁架作為計算單元，采用Midas-civil有限元軟件建立計算模型如圖1所示，支座采用一般支承模擬。

冷熱點分析可以直觀地識別西江流域廣東段傳統村落的空間分布狀況，在GIS中使用指數，識別西江流域廣東段的傳統村落在西江流域范圍內的集聚程度，并測度熱點區與冷點區的空間分布，公式為[21]：

圖1 結構計算模型

經計算，主桁架跨中最不利豎向位移107mm＜容許值＝L/500=150mm，梁端與建筑連接處最不利豎向位移12.5mm＜容許值=L/300=250mm，安全。

3 卸載施工

3.1 卸載前準備工作

1）主體鋼桁架安裝完成，與桁架相連外腳手架拉結點拆除完成。

2）所有焊縫焊接完成且經有資質的第三方檢測合格。3）所有螺栓連接節點已經完成且驗收合格。

4）卸載所需千斤頂、氣割等設備準備齊全、就位。

5）現場質量、安全保證措施到位且經施工單位自檢及監理單位驗收合格。

6）主體鋼桁架施工質量及外觀經設計、監理及建設單位驗收合格。

3.2 卸載點布置

卸載點布置要根據實際情況并結合撓度位移曲線及受力圖分析，遵循對稱布置、受力合理、局部加強、留有余地的原則。卸載點布置在臨時支墩上，同一榀桁架每個支墩布置4個40t千斤頂，共計64個，具體布置如圖2，3所示（以1號支墩為例）。

圖2 臨時支墩布置

圖3 千斤頂布置

3.3 卸載工藝

卸載遵循事先模擬、對稱卸載、同步協調、密切觀測的原則，卸載過程由專人指揮協調，務必保證卸載的同步性。

1）卸載點分組 所有卸載點分為4組，主桁架同一橫斷面上的卸載點為一組，即 1，2，3，4 號點為 1 組，5，6，7，8 號點為 2 組，9，10，11，12 號為 3組，13，14，15，16 號為 4 組， 每個點4個40t千斤頂。

2）為減小應力重分布和保證卸載的安全性，卸載過程中千斤頂回程按照等比例微量下降的原則，此次卸載分3次循環，每次回程不超過10mm。

3）卸載過程 所有千斤頂進程至箱梁底標高，此時用氣割橫切支墩頂部墊梁，穩定靜置2h后，將墊梁上部移除，同時操作16個卸載點，其中3組、4組各點設置回程10mm，1組、4組各點設置回程5mm，卸載過程中保證16個卸載點同步進行，當天卸載完成后靜置。次日重復第1次卸載，直至所有千斤頂脫離箱梁，卸載完成。該項目于2018年3月15日8點開始進行主體鋼結構卸載工作，3月16日17點順利完成卸載工作，并于3月20日開始橋底吊頂及立面幕墻的龍骨施工，4月3日開始施工橋面，于5月25日完成外幕墻、吊頂及橋面施工，經參建各單位聯合驗收，觀感美觀、質量優良。

3.4 卸載過程的注意事項

1）卸載時要統一指揮，保證同步，且嚴格按方案確定分批和分級大小進行。

2）卸載前先計算好支撐點的千斤頂行程，并用鋼尺進行校核保證行程等比例。

3）卸載時要進行實時跟蹤測量和監控。

4）卸載過程中，天橋上不得進行其他作業。

4 變形觀測

卸載后的變形穩定是結構安全的重要特征，必須加強卸載后鋼桁架的變形觀測，做好數據記錄、分析，若發現異常突變，應認真分析并及時采取應對措施。根據結構的位移撓度曲線并結合現場實際情況，以位置便于觀測、代表性強的原則選擇位移觀測點如圖4所示。

圖4 觀測點布置

以卸載前箱梁頂標高作為觀測點的基準標高，卸載開始前進行初始觀測，卸載過程中及完成后每日定時定點觀測，遇到溫度異常、荷載增加時增加觀測頻率，變形穩定前不得進行后續工程施工，待結構內力重分布完成后，變形觀測數值連續3d穩定無異常突變后，方可進行后續施工。對觀測數據記錄分析匯總，得出其位移時間曲線如圖5所示，分析其數值波動的影響因素，并總結變形規律及變形穩定時間。

4.1 變形穩定時間

圖5 變形位移-時間曲線

從圖5中數據可知，支座處鋼桁架在卸載后基本無變形，變形受溫度及荷載影響很小，位移變形基本在±5mm內，不會對后續施工工序產生影響；兩側懸挑端會因卸荷而上撓，其變形受溫度及荷載影響大，位移-時間曲線小幅度波動明顯，短期內未見其穩定，位移變形在-12～6mm內，不會對后續施工工序產生影響；跨中變形最大，其變形受溫度及荷載影響較大，卸載后前3d變形快、變形量大，卸載后第4d起變形量變小且逐漸趨于穩定，可進行后續施工。

4.2 溫度影響

施工過程中，鋼桁架變形受溫度影響，當溫度驟升，鋼梁上撓，變形負增加，跨中及懸挑端受溫度影響較大。3月26日至3月28日溫度上升，以北側通道跨中點為例，得出其位移-時間曲線如圖6所示。可見隨著溫度驟升，鋼梁上撓，變形負增加。

4.3 荷載影響

天橋南北兩側通道鋁單板吊頂、地面存在交叉施工，為減少相互干擾、加強成品保護，將南北兩側分為2個施工段，先施工南側通道5cm混凝土基層，再施工北側通道，基層混凝土達到強度后再依次施工南北側通道吊頂鋁板，故南北兩側荷載增加存在時間差，取南側通道跨中點和北側通道跨中點，得出其位移-時間曲線（見圖7），從圖7可明顯看出，兩者變形有時間差，跟突增荷載施加的先后順序一致，但后期吊頂施工時間相對較長，荷載緩增，變形沒有明顯突變。4月3澆筑南側一層商混凝土，4月4日澆筑北側一層商混凝土，從位移-時間曲線可看出，北側位移-時間曲線出現拐點的時間滯后于南側1d。但4月10日起開始施工吊頂，因吊頂施工周期長、荷載是逐漸增加，所以位移-時間曲線變化平穩。即：突增荷載，下撓變形激增，位移-時間曲線出現拐點；緩增荷載，下撓變形遞增，位移-時間曲線變化平穩。

圖6 溫度影響下的位移-時間曲線

圖7 荷載影響下的位移-時間曲線

5 結語

卸載后橋梁實際下撓變形情況與模擬計算情況基本吻合，數值基本一致，實踐證明，在卸載后4d內下撓變形基本穩定，累計下撓變形達50mm，在設計預拱度+80mm內，結構穩定安全，可進行后續幕墻、鋪裝等工程施工；隨著幕墻、防水、橋面各道工序的施工，橋梁變形累積，但每日變形幅度較前期變化小，90d內累積變形量為73mm，未超過模擬計算得出最不利位移107mm，施工階段安全。