上跨多條既有線曲線鋼箱梁頂推施工過程分析及監控

馬玉軍,石學坤,崔鳳坤,陳有沖,張方敏,李賢鋒

(1.中鐵十局集團青島工程有限公司,山東 青島 266600;2.山東交通學院,山東 濟南 250357)

0 引 言

隨著交通基礎設施的快速發展,新建橋梁與既有線路頻繁產生交匯。對于跨越既有線路的鋼箱梁施工,受施工環境和線下交通的影響,宜采用頂推施工,以解決新橋施工影響既有線路正常運營的難題。在頂推過程中,尤其是沿曲線頂推時,各施工階段的結構內力、變形不斷變化,施工難度高、施工風險大。因此,對整個頂推施工過程進行監控,掌握結構在頂推施工過程中的受力、變形規律,對保證工程質量和施工安全具有重要意義。

對連續鋼箱梁頂推施工,一些學者已做過相關研究,譚冬蓮等[1]以實際工程為依托,對頂推施工過程進行監控。通過對比該橋在整個施工過程中的實測數據與有限元模型計算結果,表明二者能較好符合,施工安全可靠;王國棟等[2]通過頂推施工全過程應力監測,掌握了結構應力變化,將實際監測結果與數值模擬計算值進行對比,為鋼箱梁頂推施工提供了技術保障;賀文波[3]對圓曲線上PC連續箱梁的頂推施工進行監控,采用數值模擬與有限元仿真模擬的方式,施工前模擬計算出合理的施工方案,為此類工程施工監控提供參考。杜玉林等[4]對跨越密集鐵路的鋼箱梁頂推施工進行監控,提出場地有效利用、頂推梁段劃分、線形控制、施工安全管理是施工組織的重點內容。尚慶保[5]對小半徑變截面鋼箱梁頂推施工監控,發現嚴格控制滑道頂面的標高誤差、頂推拖拉速度和橫向偏移,是頂推施工順利完成的關鍵因素。目前針對跨越多條既有線路的連續鋼箱梁頂推施工控制研究相對較少。尤其是沿曲線頂推的鋼箱梁結構,由于彎扭耦合效應,結構受力復雜;且頂推環節結構軸線與設計軸線易產生偏移,需要實時監測糾偏,施工控制難度極大,可參考工程案例較少。

1 工程概況

跨京滬高鐵特大橋151#～154#墩采用(50+85+50)m鋼箱連續梁,跨越既有京滬高鐵、京滬、水白鐵路,交角分別為140°、139°、49°,線路縱坡度為-17‰,箱梁位于半徑R=950 m的曲線上進行頂推施工。由于主梁跨度較大,故設置鋼導梁。

鋼箱梁下部結構采用鉆孔灌注樁基礎,橋墩采用單線圓端形空心橋墩。墩身高度151#墩34.00 m、152#墩33.50 m、153#墩32.00 m、154#墩31.50 m。鋼箱梁全長185 m,采用等高度單箱單室截面,梁高4.8 m,橋面寬7.5 m,箱室外寬4.3 m,兩側設置1.6 m懸臂翼緣,鋼箱梁總重1 696.8 t。鋼箱梁主材為Q370qENH耐候鋼,采用全焊接施工工藝進行連接。橋面板采用STC25超高強混凝土進行攤鋪,攤鋪厚度為5～6.6 cm。鋼導梁長85 m,為兩片工字形變截面主梁,前端梁高2.5 m,后端梁高4.8 m。中間通過系桿連接構成的空間結構,前端剛度小,根部剛度大,與導梁受力情況相適應。導梁采用Q345B材料,頂底板及腹板均需采用熔透焊,其余為角焊縫,并對接頭進行補強。

箱梁拼裝時采用曲梁曲做方式,由158#～160#墩之間設置臨時墩及拼裝作業平臺,分節段吊裝焊接,再頂推、落梁。頂推時只頂鋼箱梁加兩側的防撞護欄,全橋共分13節段,從小里程至大里程依次為(17.25+16.96+9.47+9.97+12.87+17.45×3+9.97+9.57+12.87+17.45+17.16)m。導梁分段長度為(16+4×14+13)m,頂推采用步履式頂推施工工藝。

2 施工方案及關鍵施工工況

2.1 施工方案

鋼箱梁結構在橋位處跨越151#～154#墩,跨徑較大,同時上跨多條既有鐵路線施工,安全要求等級高。為了減小橋梁施工對既有線路的影響,采用步履式頂推設備進行頂推施工,同時采用“邊拼邊頂”的方法完成鋼箱的架設安裝。

施工中首先搭設臨時支墩及拼裝作業平臺;其次利用吊車將前5節箱梁吊裝至作業平臺,并焊接拼裝成段,然后進行試頂推;試頂推完成后,將剩余8節箱梁依次吊裝、拼裝及頂推。

該橋的曲線半徑為950 m,區別于傳統的直線頂推,該橋在頂推過程先沿圓曲線切線方向前進,當頂推結構與設計線路之間產生20′偏差時,通過調整水平頂和滑道的角度,不斷對頂推路線進行糾偏。當鋼箱梁前端跨過153#墩后,完成第一階段頂推。

由于鋼箱梁頂推跨度較大,第二階段頂推需要采用導梁輔助施工。本項目導梁采用Q342鋼材,長度達85 m,共分為6個拼裝節段。首先在地面作業區將其焊接拼裝成整體,再利用履帶吊將導梁吊裝至設計部位,將其與箱梁進行焊接連接。結構第二階段頂推在橋下多條既有線路天窗期進行,導梁前端跨過151#墩到達臨時支墩L2后,逐段拆除導梁;鋼箱梁前端到達151#墩,完成全部頂推施工。

橋梁頂推完成后,轉換工作模式為落梁模式。落梁過程做好臨時加固,落梁一定高度后安裝支座,完成落梁。

2.2 關鍵施工工況

根據施工方案,鋼箱梁經節段拼裝、頂推后與導梁連接,然后整體進行頂推。

頂推過程中鋼箱梁或導梁前端撓度不斷變化,結構受力復雜[6]。根據該橋結構特點和施工工藝,得到在頂推過程中五種風險較高的施工工況,見表1。

表1 關鍵施工工況匯總

3 橋梁施工階段分析及監控

3.1 結構有限元建模

根據上跨京滬高鐵(50+85+50)m鋼箱梁的結構形式和施工工藝特點,基于有限元軟件midas Civil建立橋梁整體有限元模型。耐候鋼箱梁與鋼導梁均采用鐵摩辛柯梁單元進行模擬,兩者之間通過剛性連接耦合節點自由度;模型中考慮結構自重以及橋梁施工荷載等,為了簡化有限元模型,提升計算效率,將鋼箱梁及翼緣板內部加勁肋以均布荷載的形式施加。有限元模型共離散為207個節點和193個單元。

根據選取的五個關鍵施工工況,對頂推施工過程進行有限元模擬。每個施工工況下,在頂推設備作用位置設置邊界條件,釋放轉動自由度,僅約束必要的平動自由度。通過激化、鈍化不同的邊界條件,以模擬各頂推關鍵施工工況。

3.2 頂推線形及應力監控

(1)線形測點布設。

區別于簡支結構橋梁,頂推結構施工時其端部位移是施工控制重點部分[7]。本項目頂推施工過程中,由于導梁懸臂長度隨工況不斷變化,導梁標高也隨之改變。在導梁端部接近支墩時,其懸臂長度最大,結構容易發生傾覆;同時,為保證導梁順利通過支墩,應對其標高進行監控。

(2)應力測點布設。

除結構變形監測外,其應力監測同等重要。頂推過程中,鋼箱梁受力復雜,施工風險大。為了掌握結構在關鍵施工工況下受力狀態,確保施工安全,所以對其關鍵截面進行應力監控。

鋼箱梁跨中截面的彎矩較大、墩頂截面處應力集中,故應力監控關鍵截面主要包括跨中、墩頂截面;由于導梁與箱梁連接位置為頂推薄弱部位,為此在此處增設一處應力監控截面,應力監控截面共6處。根據有限元計算結果與現場施工工況確定主梁上應變計安裝位置,應變計采用振弦式應變計。

3.3 梁體軸線監控

結構頂推軌跡位于小半徑的圓曲線上,梁體軸線隨頂推施工極易產生偏移。施工過程應加強頂推軸線監控,從而降低糾偏難度,同時能夠減小施工風險。在結構頂推過程中,主梁軸線位置監控采用全站儀進行觀測。根據觀測結果,通過調整千斤頂滑道軸線與線路中心線切線方向夾角進行糾偏,確保梁體頂推按設計路線前進,最終到達設計落梁位置。

4 數據對比分析

4.1 梁體軸線偏移

區別于直線頂推,曲線頂推需要對梁體軸線進行實時糾偏,軸線控制難度較大。因此,本項目加密對梁體軸線的監測頻率,將整個施工過程劃分為12個監測階段,測得最大偏移量及偏移方向,見表2。

表2 梁體軸線偏移量及方向 單位:mm

由表2可知,在整個頂推過程中,由于對梁體軸線進行實時糾偏,千斤頂滑道軸線與線路中心線切線方向夾角不斷變化。由于設備精度及施工誤差等多方面的因素,在整個頂推過程中梁體軸線偏移量具有一定的隨機性,突出了曲線箱梁頂推施工中軸線監控的重要性。監測數據表明,受結構線形和頂推慣性的影響,其軸線基本向曲線圓心方向偏移;梁體軸線最大偏移量不超過±10 mm,滿足相關規范要求。

4.2 頂推結構變形

結構處于關鍵施工工況三、工況四下,導梁懸臂長度最大,且導梁與箱梁連接處位于跨中位置,結構撓度變形較大。重點監測、分析兩工況下導梁變形情況,確保施工安全。經現場施工監控及有限元數值模擬,得到實測值與理論值,見表3。

表3 導梁變形實測與理論值 單位:mm

由表3可知,各工況下導梁前端最大撓度為7.2 mm,滿足施工要求。由于施工現場溫度的影響,理論值與實測值存在一定差異,但變化趨勢一致。工況三為導梁前端上墩前的工況,頂推結構懸臂長度最大,因此導梁撓度相對較大;工況四下頂推結構已上墩,結構體系轉變為連續梁橋,且導梁前端已拆除,故結構變形較小。表明頂推過程中結構變形與結構體系和荷載情況密切相關。

4.3 頂推結構應力

在頂推過程中,監測各控制截面測點不同工況下的應力,限于篇幅,僅給出部分測點在關鍵施工工況下的應力變化曲線,如圖1所示。

YLR5-1-鋼箱梁控制截面R5處1號測點;YLDL1-2-鋼箱梁與導梁焊接截面處2號測點。

由圖1可知,鋼箱梁實測最大拉應力為24.64 MPa,位于工況五下控制截面R5處,最大壓應力為30.06 MPa,位于工況四下控制截面R3處。鋼箱梁與導梁焊接截面,實測最大拉、壓應力位于工況三下,最大拉應力為12.70 MPa,最大壓應力為19.72 MPa。結構應力均未超過所用鋼材的容許應力,結構安全。

根據結構應力對比結果,控制截面處壓應力差值最大達15.38 MPa,拉應力差值最大達20.14 MPa,表明頂板、底板橫橋向上應力存在一定差異,具有不對稱性。造成上述差異的原因主要有:(1)鋼箱梁在頂推過程中發生橫向偏位或者橫向受力不均,梁體容易發生扭轉,產生彎扭耦合效應;(2)鋼箱梁受非線性溫度場的影響;(3)梁底頂推力不均勻。

5 結 語

(1)基于鄭濟鐵路ZJTLSG-1標跨京滬高鐵特大橋頂推施工過程,通過對鋼箱梁和導梁進行有限元分析和實際監控,對比分析實測數據與有限元計算數據。結果表明:在應力和變形方面,實測數據與有限元計算理論值的變化趨勢基本一致,均小于規范規定的容許值,實測數據均在安全范圍之內,施工階段結構整體變形和受力控制較好,滿足設計要求。

(2)結構在沿曲線頂推施工過程中對梁體軸線進行實時監測并糾偏,在整個頂推過程中梁體軸線偏移量具有一定的隨機性,曲線鋼箱梁在頂推施工中應重點關注梁體軸線偏移。

(3)在結構頂推施工過程中,變形和應力變化比較復雜,導致各控制參數交替變化的最主要原因是結構體系的不斷轉換。

(4)由于彎扭耦合效應和梁底頂推力的不均勻,曲線鋼箱梁截面應力在橫橋向上存在一定差異,具有不對稱性。