曲線橋同步頂升位移監測與分析

王 欣，王磊玉，肖欽廣，周揚帆，王 旗，周蘊文

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101； 2.濟南黃河路橋建設集團有限公司，山東 濟南 250001)

1 工程概況

處于濰坊路與濱州路之間的高架橋，是濟南市北園大街快速路西延建設工程中的一座平曲線混凝土橋，橋跨布置為30.04m+3×30m，平曲線半徑為2 000m，橋面寬24m。橋梁總體布置如圖1所示。橋體主梁為單箱三室結構，106～102號墩各跨重分別為484，990，895，990，484t，總重3 843t，根據濟南市北園大街快速路西延建設工程，高架橋向西延伸，考慮經濟及對周邊環境影響，在盡量保留原有結構的基礎上，對橋梁頂升改造，使其與后期新建高架橋完成對接。102號橋墩為原高架橋落地端，各墩頂升高度為：102號墩為4 202mm，103號墩為3 117mm，104號墩為2 063mm，105號墩為1 009mm，106號墩為0。頂升改造如圖2所示。

圖1 橋形及千斤頂布置平面(單位：m)

圖2 頂升改造示意

2 平曲線橋頂升位移原理及預警值設計

2.1 頂升位移原理

根據橋梁頂升位移特點，以圖2，3闡明平曲線橋梁旋轉頂升位移計算原理。平曲線橋梁頂升過程中位移包括順橋向位移、橫橋向位移、繞梁中軸線旋轉位移。圖3中實線所示部分ABCD為曲線梁外輪廓，AD為曲線梁外側端點，O為平曲線圓點，頂升端CD繞OA軸旋轉頂升，虛線所示部分為橋梁頂升完成后位置。

圖3 曲線橋頂升位移原理

1)順橋向位移 曲線梁ABCD繞OA軸旋轉頂升至ABC′D′，頂升后梁體坡度變緩與水平面夾角減小α(見圖2)。旋轉角α為變量，即梁體與水平面之間余弦值為變量，主梁各截面到OA軸的距離在頂升中為物理常量，恒定的距離與余弦值cosα的乘積即為各截面梁體水平投影長度，設順橋向水平投影位移為ΔL1，隨ΔL1增大，主梁具體表現為頂升端梁體抬高，且沿橋體方向伸長。

ΔL1=L-Lcosα=L(1-cosα)

(1)

式中：L為截面CD到OA軸直線距離；α為主梁旋轉角度。

2)橫橋向位移 與順橋向位移同理，曲線梁繞OA軸整體旋轉頂升，其中LOD為常量，主梁旋轉角度為α時，OD軸旋轉角為β(見圖2)，β為變量，LOD與余弦值cosβ的乘積即為梁體橫向水平投影長度，設橫橋向水平投影位移為ΔL2。頂升中表現為，梁體在橫向位置發生擺動。

ΔL2=LOD-LODcosβ=LOD(1-cosβ)

(2)

式中：LOD為D到O點的直線距離；β為OD軸旋轉角度。

3)繞梁中軸線位移 曲線梁橋墩(點E，F)布置垂直于平曲線切線，截面EF繞OA軸旋轉角度相同，但兩點距OA軸直線長度LE，LF不相等，即同橋墩曲線兩側頂升高度不同，設旋轉角度α后，兩點高差為Δh，曲線梁內側應比中軸線低Δh/2，曲線梁外側應比中軸線高Δh/2，表現為梁體繞中軸線旋轉，外側頂升高度大于內側。

Δh=LEsinα-LFsinα=(LE-LF)sinα

(3)

式中：LE，LF分別為點E，F到OA軸的直線距離。

2.2 預警方案設計

根據頂升位移原理，從幾何變形和應力2個角度對工程進行監測。變形監測主要從宏觀上觀察橋梁在頂升過程中的運動情況，具體包括橋梁的豎向位移、橫向位移和地基沉降等。應力、應變監測主要從微觀角度揭示頂升過程中橋梁內部的受力狀態變化情況,二者監測數據相互印證，可進一步確保頂升過程的安全性。

由于我國當前頂升技術不成熟，橋梁頂升各項預警值沒有統一標準。通過工程實踐，本工程設定的預警值可滿足項目施工要求，對類似工程具有一定借鑒意義。預警值及檢查方法、頻率具體要求為：①橋中心線偏位超過±20mm 單次頂升完成后，使用全站儀每10m檢查一處；②橋面橫坡大于±5% 單次頂升完成后，使用全站儀每跨檢查5～7處；③橋墩地基出現明顯累計沉降 單次頂升完成后，每墩均需使用全站儀檢查；④單次頂升同橋墩南北豎向位移差>3mm 單次頂升時使用拉線式位移傳感器實時監測；⑤應變值>400με 頂升時全過程使用光纖光柵應變計實時監測。

3 頂升受力變化分析及監測方案布置

根據頂升施工方案設計，本工程采用施工監測一體化全過程控制體系，主要包括3部分，即頂升前監控、頂升階段監控、落梁后監控。主要監測內容為應力和變形，將監測結果與理論分析計算值進行分析、比較。應力監測和變形監測從不同角度揭示了頂升過程中橋梁狀態。變形監測從宏觀角度確定了橋梁所處空間位置及整體運動趨勢，其中豎向變形監測是判斷橋梁整體和局部頂升同步性的重要依據，橫向變形監測是橋梁傾覆可能性的主要評判標準；應力監測從微觀角度揭示了梁體內部受力和結構損傷狀況。二者數據相互印證，精準把握頂升中出現的問題，確保頂升安全性。

頂升前監測主要內容為外觀監測及初步檢查驗算。隨著橋梁運營期增長，超重車、大型車輛增多，橋梁支座及主梁出現破損、老化、變形是既有橋梁常見病害。檢查橋梁表面有無明顯裂縫、缺陷，記錄裂縫寬度、開展形態，主要目的是觀察在頂升過程中裂縫有無繼續開展或是否有新裂縫出現，分析裂縫出現的原因及對頂升所造成的影響，必要時對薄弱部位進行加固。在頂升階段主要對施工過程中各支點處箱梁豎向位移、橫向位移、箱梁應力、地基沉降等與設計方案進行分析比較，判斷橋梁整體健康狀態，并對橋梁頂升變化趨勢做出預測。

3.1 梁體應力變化分析及監測

應力監測是頂升監測的重要內容之一。橋梁頂升對上部結構主要有幾方面影響：橋梁頂升分配梁位置與原支座位置偏移，結構受力體系發生改變；千斤頂伸長速率不同，橫橋向兩側頂升速率不一致，結構受力體系發生反轉，易造成傾覆，順橋向伸長速率不一致，會使梁體上表面受拉，嚴重時表現為頂升較快位置梁體上表面出現裂縫；頂升后，梁體與水平面夾角改變，梁體空間位置發生變化，橋梁整體受力狀態與原結構不同。結構應力(變)是判斷結構安全最直接的指標，結構損傷狀態將導致應力(變)超限或應力異常重分布，通過應力(變)監測實時掌握各關鍵部位在頂升過程中的應力情況，可直接判斷測試位置應力是否處于安全水平、校驗構件的疲勞應力。目前我國對應力的監測大多通過監測應變來完成，應力主要計算方法有4種，即有效彈模法、疊加法、松弛系數法、流動率法。出于安全性考慮，本次監測中以經驗值400με為預警值。大噸位橋梁頂升施工時間較長，應力、應變監測需以確定的零點作為控制標準。應力監測儀器要求具有較好的耐久性及良好的精準性。如圖4所示，本工程對既有橋梁進行頂升加固改造，擬選用表面式光纖光柵應變計對頂升橋梁箱梁主要部位的應變進行監測，以避免對橋梁原結構造成損傷。光纖光柵應變計具有高靈敏度、高精度、耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、高疲勞性能、性能穩定、耐久性強等優點，能較大限度避免施工環境對應變測量造成的影響。

圖4 光纖光柵應變計現場布置

曲線梁變角度頂升本質上是一個緩慢改變橋梁空間位置的過程，本橋主梁全過程以106號墩為旋轉軸成比例頂升。應力監測選取彎矩較大的各跨跨中斷面布置應力監測點，以主梁中軸線為對稱軸每跨跨中布置5個光纖光柵應變計，小計20個應力監測點。在負彎矩較大的分配梁頂升處，103～105號墩，以橋墩中軸線為對稱軸每墩各布置5個光纖光柵應變計，考慮103～104號墩頂升高度大且處于橋梁主體跨中，兩橋墩采用同跨布置方式，小計15個應力監測點。頂升段沿主梁橫斷面共計布置35個監測點，布置方式如圖5所示。

圖5 應變監測點布置

3.2 地基受力變化分析及監測

橋梁頂升對下部結構體系產生影響，地基沉降是頂升監測必不可少的內容之一。橋梁頂升臨時支撐系統作用在原結構已有基礎或傍寬基礎上，基礎受力狀態發生改變：承臺作為主要的支撐反力基礎，頂升過程中除承受原有上部結構荷載外，還需承受支撐系統、頂升設備等自重，基礎承受荷載變大；頂升中，原荷載傳力路徑為上部結構→支座→橋墩→基礎，頂升傳力路徑為上部荷載→千斤頂→反力支撐系統→基礎，力的作用點改變；平曲線梁頂升，在頂升中橋梁縱坡與水平面夾角減小，各橋墩承受荷載發生變化；橫向擺動，增加了支撐系統不穩定性，曲線橋梁外側支撐系統受力增加，地基外側附加應力增大；現有基礎傍寬后，原結構橋墩不再傳遞豎向荷載，轉而由支撐進行傳遞，原樁基承臺邊界條件發生改變，承臺上部受力由壓力變為拉力。

平曲線梁頂升基礎受力不同，在頂升過程中，橋墩兩側地基沉降也不相同，同橋墩兩側均需布置地基沉降觀測點，通過對比同橋墩兩側地基沉降值確定下部頂升結構受力狀態。本橋在103～105號橋墩外側以橋墩中線為對稱軸分別布置2個地基沉降觀測點，在102號墩處以主梁中軸線為對稱軸布置3個地基沉降觀測點，共計9個，如圖6所示。

圖6 地基沉降監測點布置

3.3 橋梁整體姿態受力分析及監測

在橋梁頂升階段，為了精確掌握橋梁整體姿態及其所處空間位置，需要對橋梁整體進行監控，位移監控內容主要包括橋梁橫向位移和豎向位移。

橋梁頂升過程中，橋梁上部結構荷載及頂升設備主要靠臨時支撐系統承載，平曲線梁在繞106號橋墩旋轉的同時，出現橫向擺動。隨著頂升高度增加，平曲線半徑與水平面夾角減小，橋梁不再僅有向下的豎向荷載，還會產生水平側向力，側向力在頂升中的表現為橋梁主體向曲線外側移位，側向力逐漸加大，橋梁兩端限位器錨固位置混凝土可能出現裂縫，在頂升過程中，需觀察橋端限位器錨固位置有無裂縫出現，詳細記錄裂縫出現位置、寬度及發展形態，并將橫向位移值與理論值比較分析，確定臨時支撐系統所受側向力大小。

實時監測豎向位移是保證頂升同步性的重要措施之一。本橋頂升縱坡由4%變為0.5%，縱坡的變化使千斤頂難以完全均勻垂直受力，剛性橋梁在實際施工中會不同程度地出現“虛腿”現象，即單個千斤頂及部分千斤頂不受力或不完全受力情況，進而使頂升速率出現不一致。沿橋向局部頂升速率不一致時，頂升過快，橋梁負彎矩區彎矩迅速增大，同區域橋梁上表面出現裂縫；頂升過慢，相鄰橋墩處負彎矩區彎矩增大，橋梁上表面出現裂縫；沿橋向曲線內外兩側整體頂升速率不一致，結構體系發生翻轉；橫向同橋墩處頂升速率不一致，結構受扭，結構內部產生損傷，相鄰跨中主梁外側應力值增大，橋墩處兩側應力值變化趨勢相反。

為實時掌握頂升過程中各橋墩同步性，如圖7所示，擬采用拉線式位移傳感器，拉線式位移傳感器采用無線傳輸信號，實時傳輸數據，施工方便快捷，具有高靈敏度、高精度、高疲勞性能、性能穩定、耐久性強等優點。102號墩距分配梁左側4cm橫斷面處布置3個拉線式位移傳感器，103～105號墩支座外側4cm處以橋墩中軸線為對稱軸布置拉線式位移傳感器，全橋共計15個豎向位移測點。在102～105號墩各墩中軸線箱梁南側底面各設置1個橫向位移監測點，用高精度全站儀進行測量，共計4個橫向位移監測點。102號墩頂升效果如圖8所示，位移測點布置如圖8所示。

圖7 拉線式位移傳感器及其現場布置

圖8 位移監測點布置

4 監測結果及分析

4.1 箱梁應力監測結果及分析

在頂升全過程中均對梁體進行實時應變監測。取橋梁兩端監測點Y1，Y31及跨中監測點Y16，應變監測如圖9所示。應變監測結果表明：頂升過程中，前期累計頂升高度較小，應變值變化較平緩，隨著頂升累計高度增加，應變值變化量隨之增加；從應變值來看，單次頂升數值變化量呈上升趨勢，梁體基本處于彈性變形范圍，單行程頂升結束后，梁體恢復原狀。靠近旋轉軸的監測點Y31單行程應變變化值略高于遠端監測點Y1，表明頂升中約束強的一端結構損傷積累高于頂升一側結構損傷；頂升高度位于1.5～3.0m處數值出現突變，突變值約為150με，應變傳感器測得應變為總應變，包括應力應變和非應力應變，應力應變包括彈性應變和徐變應變2種，非應力應變為混凝土體積應變、溫度應變和收縮應變，此處數值突變為非應力應變，施工時間為夏季8—9月，梁體表面溫度較高，頂升至此高度出現連續降雨，溫度下降約7℃，基本符合試驗中溫度每±1℃，微應變±20με的理論值。考慮溫度作用后應變變化值均在-100～200με，小于預警值400με，且頂升中未出現異常現象，結構受力處于安全范圍內。

圖9 應變監測

4.2 箱梁位移監測結果及分析

為從宏觀角度把握橋梁運動趨勢及其所處空間位置，對102～106號墩兩側進行位移監測，監控內容包括橋梁橫向位移和實時橋墩豎向位移。監測結果表明：各橋墩處于平穩上升姿態，實時監測過程中，箱梁內、外側同步性較好，單行程頂升同截面兩側誤差嚴格把控在3mm以內，各橋墩累計頂升豎向高度基本為線性關系，與106號墩旋轉軸距離成正比，最大高度為102號墩監測點，累計頂升高度為4 159.69mm，如圖10所示，由于監測點布于橋墩內側，因此略小于設計值4 200mm，與預期理論頂升值相吻合。曲線梁在頂升過程中有2個橫向側移高峰值，最大值為N1點，橫向側移值為8.7mm，橫向位移急劇增加的原因是旋轉軸106號墩處限位器位置箱梁上表面混凝土出現裂縫，根據監測結果，及時采取技術措施后，橫向位移均緩慢減小，如圖11所示。根據曲線橋頂升位移原理，橫向側移值與頂升高度的變化呈函數關系，側移量隨余弦值的增大而增大，理論計算最大側移值為102號墩N4點，出于工程施工安全考慮，在102號墩處增加限位器，因此最大橫向側移值為N3點，達到預定高度后側移值為2.9mm，監測結果如圖12所示，N1，N2，N3點橫向側移值呈線性變化，N4點幾乎無側移，符合預期理論分析。

圖10 各橋墩累計頂升高度

圖11 箱梁累計側向位移

圖12 箱梁各測點最終橫向位移

4.3 地基沉降及千斤頂應力監測結果分析

與原結構相比，地基受力方式、約束條件均發生較大改變，為實時掌握地基沉降情況，對各橋墩沉降位移及千斤頂應力進行監測，監測結果如圖13，14所示。監測顯示：地基在頂升過程中幾乎無下降情況，地基承載力較好，符合頂升設計要求，最大沉降點為104號墩外側4號點，沉降值為1.3mm，處于預警范圍內，頂升中箱梁繞中軸線旋轉及橫向側移約束，使曲線外側地基沉降值高于曲線內側地基沉降值，符合理論分析。圖14所示單行程千斤頂應力(頂升高度2 178.22～2 278.40mm)監測結果表明，頂升過程中千斤頂穩壓效果較好，分配梁受力均勻，箱梁處于平穩運行姿態，箱梁繞106號墩旋轉，千斤頂完全受力達到最大值后，隨余弦值的增大，曲線橋遠端兩側千斤頂應力緩慢減小，且曲線外(南)側千斤頂應力大于曲線內(北)側，從另一個角度表明曲線外側地基沉降大于內側。

圖13 地基累計沉降

圖14 102號墩單行程千斤頂應力

5 結語

1)本工程中采用的曲線橋監測預警方案切實可行，能根據監測數據對頂升進行實時預警，全過程掌握橋梁所處空間位置及受力狀態。

2)通過采用多種現代科技手段實施全過程監測、預警，箱梁頂升同步性得到有效控制，地基上表面、箱梁下表面均未出現受拉裂縫，橋梁上表面除橋端限位錨固處出現裂縫外，無新裂縫出現。

3)通過設置橫向限位器及根據實時監測數據調整，達到預定高度后，最大橫向側移值為2.3mm，橋梁線形未出現明顯變化，頂升橋段保持高度完整性。

4)夏季施工應變監測受非應力因素影響較大，非應力應變會隨溫度變化出現較大波動。

5)曲線梁繞中軸線旋轉及橫向側移約束會造成外側地基沉降值增大，單行程頂升中，外側千斤頂受力大于內側。曲線梁繞頂升旋轉軸轉動，遠端千斤頂應力逐漸減小。