框構橋施工過程應力監測分析

劉小輝

(中鐵六局集團有限公司，北京 100036)

隨著城市經濟的發展，框架橋向大孔徑、多跨度的方向發展。尤其為了滿足運輸客流的需要及城市景觀等方面的要求和受地形地物條件的限制，在城市附近及機動車道干線上的下穿結構的框架橋，跨度和凈高也越來越大。從工程安全考慮，已有研究主要針對框構橋結構設計、施工工藝等，監測也主要是針對頂進施工過程的變形監測[1]。根據調研，框構橋在施工過程中由于復雜的受力環境，在頂推過程中結構本身也易出現受力屈服、開裂等，嚴重影響結構耐久性及工程安全[2-5]。因此，本文主要結合某框構橋下穿既有運營鐵路，埋設應力傳感器，采用自動化裝置測試框構橋整個施工過程中的應力大小及分布規律，為保證框構橋工程施工安全提供理論指導。

1 工程概況

頂進框構橋與鐵路交匯交角為90°。橋位處有多股鐵路線，基本呈南北走向。各股道均為電氣化鐵路，軌道類型為60 kg/m鋼軌，枕木為鋼筋混凝土枕。通過此區段上下行正線列車速度為70 km/h和45 km/h不等。橋位處有兩組硬橫梁接觸網桿，北側桿號為162#、163#，南側桿號為164#、165#，其中162#、163#硬橫梁接觸網桿距離箱體外邊最近，分別為5.92 m、6.16 m。橋位處共有5組道岔，南調車線為12號左開道岔，其余均為12號右開道岔，另外影響范圍內還有2組信號箱、3個信號燈、3組道岔轉轍機、4組信號變壓器及信號電纜、光纜等設備。

2 監測方案

2.1 監測的目的及意義

從施工工藝來看，框構橋在施工過程中與土體存在復雜的動態相互作用，主要表現在框構橋頂進施工引起土體擾動產生地層損失，進而影響框構橋受力，框構橋受力如圖1所示。因此，為了確保框構橋結構在施工期間的安全，非常有必要對其進行全面的施工過程監測。

圖1 框構橋受力圖

2.2 監測內容、方法及測點布置

2.2.1 監測內容

根據工程概況及試驗目的，主要進行框構橋頂板應力及溫度、側墻應力和底板應力監測，重點分析框構橋頂推過程中的應力變化。

2.2.2 監測方法

框構橋施工一般歷經數月甚至一年以上，施工時間較長，考慮到儀器及傳感器的穩定性，本項目采用振弦式鋼筋測力計進行測試。其優點如下：①采用振弦理論設計，具有靈敏度與精度高、線性與穩定性好、成活率與可靠性高等優點；②全數字信號檢測，長距離傳輸不失真，抗干擾能力強；③絕緣性能良好，防水耐用；④測量直觀、快捷、簡便；⑤安裝自動采集裝置可完全自動無人值守。

將振弦式鋼筋測力計焊接在受力鋼筋上，然后澆注在混凝土里面。當鋼筋測力計受力時，引起彈性鋼弦的張拉變化，改變鋼弦的振動頻率，通過鋼弦的頻率變化即可測出鋼筋所受作用力的大小。由于在頂推過程中，鋼筋測力計與周圍混凝土保持相同的微應變，因此可換算得到框構橋隨著施工進度的結構受力。

本項目采用自動化數據采集方法，為了驗證數據的正確性，同時布置部分人工測點，不定期與自動采集數據進行校核比對。

框構橋監測采用自動化數據采集方法，在確定監測方案之后，將鋼筋測力計埋入框構橋結構內部，并通過信號線與采集設備相連；自動采集設備可以通過設置采集的時間間隔來控制采集數據的頻率，采集數據之后通過GPRS信號將數據發送至網絡監測平臺，實現在線實時監測。

2.2.3 測點布置

根據框構橋上部多股鐵路線路位置，取鐵路線路正下方的位置為監測斷面，如圖2所示。

圖2 傳感器布置縱斷面(單位：mm)

框構橋在使用過程中，其四周均承受荷載，受力狀態復雜。框構橋頂板底板以及側墻中間位置所受彎矩較大，因此本項目主要在框構橋的頂板、底板和側墻上進行應力傳感器布設，測試布置如圖3所示。頂板與底板的傳感器為橫向布設，側墻上傳感器為豎向布設，意在測量頂板、底板以及側墻中心位置因受彎造成的拉壓應力。

頂進施工階段，通過千斤頂對框構橋底板施加推進力完成頂推，千斤頂頂推位置如圖3所示。

3 監測結果分析

本次框構橋使用HRB335鋼筋，其屈服強度為335 MPa；C45混凝土，軸心抗壓強度21.1 MPa。

圖3 測試布置示意圖(單位：mm)

3.1 框構橋頂板受力分析

3.1.1 頂板應力與溫度關系分析

本次框構橋溫度監測采用自動化監測，因此監測頻率較高，每5 min采集1次溫度數據。圖4為框構橋頂板應力與混凝土溫度變化折線圖。

圖4 頂板應力與混凝土溫度變化

由于框構橋頂板位于上部，在施工階段以及頂推前期會直接受到太陽的照射，使得頂板混凝土中午時溫度比較高，而晚上溫度降低，混凝土熱脹冷縮，其應力受溫度影響變化并且呈周期性。在5月3日至5月13日之間由于現場施工，暫停溫度監測。在5月30日之后，框構橋完成頂推，沒有直接接受太陽照射，其溫度差變化不大。

截取5月20至22日2 d(即2個周期)的溫度與應力變化進行詳細對比，如圖5所示。由圖5可見，頂板混凝土應力隨著溫度的變化而變化，其應力最大出現在中午溫度最高時段，應力最小出現在午夜溫度最低時段。從測試數值可以看出，溫度引起的框構橋頂板應力變化幅值平均約為±1.8 MPa。

圖5 兩天中頂板應力與溫度變化

3.1.2 頂板應力分析

將圖4中的框構橋頂板應力單獨顯示于圖6。從圖6可以看出，框構橋頂板應力受到溫度影響變化幅度最大為2.02 MPa，占混凝土抗壓能力的9.57%，約10%；受到頂推影響應力變化幅度最大為1.8 MPa，占混凝土抗壓能力的8.89%。頂推結束后最終應力約為7.2 MPa，占混凝土抗壓能力的34.1%。

圖6 框構橋頂進施工過程頂板應力

3.2 框構橋側墻受力分析

框構橋側墻應力隨頂進施工過程的變化(散點圖)如圖7所示。在5月3日至5月13日之間由于現場施工，暫停受力監測(下同)。在結構施工階段，每天中午采集1次應力數據；在頂進施工階段，每5 min采集1次應力數據(下同)。

由圖7可見，隨著頂進深度的加大，應力有變大趨勢。最大值達到7.56 MPa，占混凝土抗壓強度的35.81%。由此表明，在整個框構橋頂進施工過程中，框構橋側墻受力較小，安全儲備較大。

3.3 框構橋底板受力分析

框構橋底板的受力測試數據如圖8所示。由圖8可知，在框構橋底板混凝土應力最大值為15.16 MPa，最小值為5.46 MPa，都在混凝土的安全服役范圍之內。框構橋應力隨著時間的變化呈現增大的趨勢，其主要原因是：①隨著框構橋的頂推，框構橋逐漸被從基礎混凝土板上頂推到開挖后的泥地上，其摩擦阻力增加，頂推力也增加；②框構橋在后期的頂推過程中有“低頭”發生，為了克服“低頭”，在后續的頂推過程處于中刃角吃土頂推，從而阻力增加。

圖7 框構橋側墻應力 圖8 框構橋底板應力

4 結論與建議

(1)由于框構橋頂板受到太陽的直接照射，會產生周期性溫度應力的熱脹冷縮應力，對結構有一定的影響。測試數值表明，溫度應力影響變化幅度最大為2.02 MPa，占混凝土抗壓強度的9.57%。

(2)框構橋邊墻、頂板的應力受力相對小，均在混凝土結構允許應力安全范圍之內。

(3)框構橋底板在澆筑后頂推前，應力達到7.67 MPa，頂推過程中達到12.94 MPa。換算表明，由頂推施工引起的增量為5.27 MPa，約占最大應力的40.7%。可見，框構橋的受力主要是由澆筑混凝土形成的結構應力，其次是頂推施工應力。

總體來看，若嚴格按照規范要求施工，穿越既有線路的框構橋結構安全儲備較大，不會出現應力屈服。但由測試數據可知，框構橋施工完成后，頂進施工使結構產生的殘余應力所占比重較大(以頂板為例約占34.1%)。可以通過控制千斤頂的同步工作，來減小施工過程中產生的較大殘余應力。由于框構橋兩端自由，殘余應力在長期使用過程中可緩慢釋放。