篁園大橋剛性吊桿更換及施工監(jiān)控分析

許興華

(義烏市市政設(shè)施處,浙江 義烏 322000)

0 引言

公路、市政橋梁建設(shè)完成后投入運(yùn)營(yíng)期間,容易受露天環(huán)境、交通、水流侵蝕等外部因素的影響,從而出現(xiàn)橋梁磨損、開裂、破壞等病害。自20世紀(jì)80年代起,我國(guó)建成了大量的吊桿拱橋[1],如今城市橋梁建設(shè)存量大,吊桿作為拱橋主要的受力構(gòu)件,受制于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平的制約,早期建設(shè)的橋梁,吊桿大多出現(xiàn)了不同程度的病害,舊橋維護(hù)加固問(wèn)題日益突出[2-5]。為了確保老橋的正常運(yùn)營(yíng),文章依托義烏市篁園大橋維修工程,對(duì)下承式拱橋換桿及施工監(jiān)控展開分析,該工程可為類似橋梁維修工程提供參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

篁園大橋建設(shè)于20世紀(jì)90年代,大橋跨越義烏江。主橋?yàn)殇摴芑炷料禇U拱橋,吊桿為19對(duì)高強(qiáng)鋼絲60Φs7 mm,吊桿護(hù)套內(nèi)灌注水泥砂漿形成剛性吊桿,引橋?yàn)?跨裝配式簡(jiǎn)支梁橋。大橋全長(zhǎng)190.7 m,跨徑組合為2×20 m+80 m+3×20 m。橋梁橫斷面總寬29 m,大橋板厚200 mm,鋪裝采用8 cm厚防水混凝土和5 cm厚瀝青混凝土組合形式。橋梁下部結(jié)構(gòu)為立柱式橋墩、重力式橋臺(tái)如圖1,圖2所示。

1.2 橋梁使用現(xiàn)狀

篁園大橋運(yùn)營(yíng)時(shí)間已超過(guò)20 a,吊桿使用時(shí)間較長(zhǎng),經(jīng)橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橋梁吊桿索力存在偏差大的異常現(xiàn)象:

1)上游側(cè)主拱吊桿有11根的實(shí)測(cè)索力與去年索力值相比偏差在5%范圍內(nèi),1(E14)根吊桿索力誤差在±5%～±10%內(nèi),有1根吊桿(E13)索力偏差超過(guò)±10%。

2)下游側(cè)主拱吊桿有11根的實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力值相比偏差在±5%內(nèi),有1根(W13)吊桿索力偏差在±5%～±10%內(nèi),有1根(E10,E12,E13,E16)吊桿索力偏差超過(guò)10%。

3)上游和下游編號(hào)相同的吊桿索力偏差普遍在±5.0%～±10.0%之間,5號(hào)、14號(hào)、16號(hào)吊桿的索力值偏差較大,在16.64%～34.99%之間。

2 施工及監(jiān)控方案

2.1 吊桿更換的原則

1)保障橋梁結(jié)構(gòu)安全的原則,吊桿更換對(duì)主梁、拱肋受力安全影響性大,施工前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的仿真計(jì)算并且更換的吊桿應(yīng)優(yōu)先考慮同類型吊桿,在非常規(guī)的情況下可以在充分比選下選擇吊桿類型。同時(shí)采用高強(qiáng)度材料,具備足夠的安全儲(chǔ)備。

2)吊桿更換可操作性原則,新更換的吊桿應(yīng)滿足橋梁構(gòu)造要求,同時(shí)應(yīng)滿足可更換、可維護(hù)、便于施工的要求。

2.2 吊桿施工控制的原則

吊桿更換影響橋梁安全,甚至?xí)斐蓢?yán)重的事故。因此更換施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制,對(duì)主梁內(nèi)力、拱肋內(nèi)力、吊桿索力、橋面線形等應(yīng)及時(shí)監(jiān)控。針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),編制針對(duì)性的監(jiān)控監(jiān)測(cè)方案對(duì)吊桿更換施工進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)測(cè)。

1)更換前后橋面標(biāo)高偏差在允許范圍內(nèi):施工前應(yīng)對(duì)全橋標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)更換位置處適當(dāng)位置的橋面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量。施工完成后對(duì)全橋標(biāo)高測(cè)量、調(diào)整,與施工前相同測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高差應(yīng)滿足現(xiàn)行《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]等相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)吊桿索力絕對(duì)值及相對(duì)偏差滿足相關(guān)規(guī)范要求,應(yīng)對(duì)更換吊桿前后相鄰吊桿的索力進(jìn)行檢測(cè)。在吊桿更換前、吊桿完全卸載后、新制吊桿安裝完成后對(duì)相鄰吊桿的索力進(jìn)行測(cè)量、記錄,并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)照。更換過(guò)程中吊桿索力差(全橋索力調(diào)整后)應(yīng)滿足現(xiàn)行《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)吊桿更換過(guò)程中系梁混凝土應(yīng)力變化滿足相關(guān)要求,吊桿拆除施工對(duì)主梁或系梁應(yīng)力影響較大,尤其是縱橫梁體系橋梁。因此應(yīng)對(duì)系梁的頂?shù)妆砻婊炷翍?yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)測(cè)定應(yīng)力增量并與理論值進(jìn)行對(duì)照,防止混凝土開裂。

2.3 吊桿施工方案

吊桿更換采用臨時(shí)吊桿法,即在拱肋與主梁之間設(shè)置臨時(shí)吊桿,通過(guò)對(duì)臨時(shí)吊桿進(jìn)行分級(jí)張拉達(dá)到對(duì)原吊桿進(jìn)行卸載的目的。新吊桿安裝并逐級(jí)張拉的同時(shí)相應(yīng)地對(duì)臨時(shí)吊桿進(jìn)行放張,將內(nèi)力轉(zhuǎn)移至新安裝吊桿上。

臨時(shí)吊桿法相關(guān)施工措施總體上包括拱頂分配梁、梁底分配梁、臨時(shí)吊桿、同步頂升系統(tǒng)等。臨時(shí)吊桿法布置示意如圖3所示。同時(shí)為了輔助原吊桿拆除、新吊桿安裝,施工作業(yè)時(shí)需在拱肋、系梁底部搭設(shè)施工作業(yè)平臺(tái)。施工作業(yè)平臺(tái)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)、臨時(shí)吊桿形式及布置等靈活設(shè)置。

2.4 吊桿更換監(jiān)控方案

1)高程監(jiān)測(cè):橋面沿主橋跨度各吊桿處設(shè)置高程測(cè)點(diǎn)(見圖4),每根吊桿向橋面50 cm處設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),伸縮縫橋內(nèi)橋外各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),單幅橋面每側(cè)共計(jì)23個(gè)測(cè)試點(diǎn),全橋合計(jì)46個(gè)高程測(cè)點(diǎn),拱肋沿跨度4等分處、縱梁中點(diǎn)及兩端處設(shè)置高程測(cè)點(diǎn)。采用精密電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量:施工準(zhǔn)備階段測(cè)得1次初始值,吊桿更換階段應(yīng)隨吊桿體系轉(zhuǎn)換過(guò)程每級(jí)轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)測(cè)量,全橋橋面高程應(yīng)測(cè)2次～3次,施工結(jié)束后測(cè)得一次結(jié)束值。施工過(guò)程中位移變化控制在±2 mm以內(nèi),吊桿更換完成后位移變化控制在±4 mm以內(nèi)。

2)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè):對(duì)主縱梁1/2跨徑處,拱肋1/4,1/2,3/4跨徑和拱腳處采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)(見圖5),監(jiān)測(cè)方法為振弦式表面應(yīng)變計(jì)及配套的自動(dòng)化采集儀,結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中實(shí)際應(yīng)力應(yīng)與設(shè)計(jì)相差控制在20%以內(nèi),施工完成后自重狀態(tài)下實(shí)際應(yīng)力應(yīng)與設(shè)計(jì)相差控制在5%以內(nèi)。

3)吊桿索力監(jiān)測(cè):監(jiān)控時(shí)用張拉吊桿時(shí)千斤頂油壓和環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法綜合測(cè)定吊桿張力,每一根吊桿的更換需測(cè)量3次吊桿索力,依次為兜吊體系安裝前、原吊桿卸除和新吊桿張拉完成臨時(shí)吊桿拆除。全橋吊桿更換完成后,吊桿索力與原索力(施工前)變化控制在15%以內(nèi),其中原吊桿索力與設(shè)計(jì)索力偏差較大的,應(yīng)由設(shè)計(jì)單位驗(yàn)算后確認(rèn)。

3 施工監(jiān)控結(jié)果分析

3.1 高程監(jiān)測(cè)分析

圖6為篁園大橋吊桿更換前后各吊桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)橋面相對(duì)高程,由圖6可知,篁園大橋吊桿更換后總體吊桿施工前后高程偏差均在8 mm以內(nèi),其變化的原因?yàn)楣て谳^長(zhǎng),施工前后測(cè)量溫度差值較大(施工前34 ℃、施工后19 ℃),除去溫度效應(yīng)及施工支座變化量,橋面標(biāo)高總體控制在3 mm左右,滿足設(shè)計(jì)各吊桿更換前后橋面標(biāo)高差值不得大于4 mm的要求。

拱肋施工前后高程變化如表1所示,拱肋高程變化最大處為N1.7,變化值為-0.25 mm,遠(yuǎn)低于控制值,表明吊桿更換過(guò)程中拱肋高程得到了較好的控制。

表1 施工前后拱肋高程變化

3.2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析

應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)量較大,采用吊桿索力值偏差較大的N16吊桿更換時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)分析可知,篁園大橋吊桿更換時(shí)拱肋各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化量大部分控制在-80με～+80με以內(nèi),加上橋梁自重應(yīng)力后,總應(yīng)力小于拱肋的鋼材容許應(yīng)力,表明在整個(gè)吊桿更換過(guò)程中拱肋的應(yīng)力變幅滿足規(guī)范要求。主縱梁各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化量大部分控制在-40 με～+40 με以內(nèi),加上橋梁自重應(yīng)力后,總應(yīng)力小于主縱梁的容許應(yīng)力,表明在整個(gè)吊桿更換過(guò)程中主縱梁的應(yīng)力變幅滿足規(guī)范要求。

3.3 吊桿索力監(jiān)測(cè)分析

篁園大橋吊桿邊界條件復(fù)雜且吊桿為剛性吊桿會(huì)影響測(cè)得索力值的準(zhǔn)確性,具體影響大小為[7]:

(1)

其中,ΔT為與剛度相關(guān)的吊索力變量值。

由式(1)可知,吊桿索力測(cè)試結(jié)果影響值與吊桿計(jì)算長(zhǎng)的平方成反比關(guān)系,與吊桿的剛度成正比關(guān)系。為降低吊桿剛度對(duì)索力測(cè)試的影響,采用上海建筑科學(xué)研究院的基于狀態(tài)等效法技術(shù)測(cè)得具體索力值。

施工前后吊桿索力值詳見表2,索力測(cè)試時(shí)未安裝減振塊。N1,S1,N19,S19吊桿長(zhǎng)度過(guò)短無(wú)法測(cè)得其索力。由表2可知,除N16吊桿成橋吊桿索力與施工前索力相差5.8%,其余吊桿力與吊桿設(shè)計(jì)力相差均在±5%以內(nèi),且南北吊桿索力分布較為均勻,表明本工程吊桿更換滿足設(shè)計(jì)要求,施工質(zhì)量合格。

表2 吊桿更換前后索力監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

義烏市篁園大橋主橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋,吊桿護(hù)套內(nèi)灌注水泥砂漿形成剛性吊桿,吊桿更換工程采用臨時(shí)兜吊系統(tǒng)更換19對(duì)吊桿,以高程和內(nèi)力雙監(jiān)控的原則進(jìn)行施工監(jiān)控。根據(jù)施工監(jiān)控結(jié)果分析,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)由于吊桿為剛性吊桿,其索力測(cè)試影響值與吊桿計(jì)算長(zhǎng)度的平方成反比,與吊桿的剛度成正比,即吊桿剛度越大時(shí),索力測(cè)試值與實(shí)際值偏差越大。因此在結(jié)合新型技術(shù)測(cè)試吊桿索力的同時(shí),應(yīng)該采用高程監(jiān)控為主、內(nèi)力監(jiān)控為輔的雙控制原則。

2)吊桿更換過(guò)程中,橋面高程變化量總體控制在3 mm左右,滿足設(shè)計(jì)各吊桿更換前后橋面標(biāo)高差值不得大于4 mm的要求;拱肋高程變化量-0.08 mm～-0.25 mm遠(yuǎn)低于控制值,表明吊桿更換過(guò)程中拱肋高程得到了較好的控制。

3)吊桿更換過(guò)程中,除N16吊桿成橋吊桿索力與施工前索力相差5.8%,其余吊桿力與吊桿設(shè)計(jì)力相差均在±5%以內(nèi),且南北吊桿索力分布較為均勻,表明本工程吊桿更換滿足設(shè)計(jì)要求,施工質(zhì)量合格。