連續梁橋頂升施工過程控制分析

徐 松,劉 聰

(1.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司,江蘇 南京 210031;2.江蘇中基工程技術研究有限公司,江蘇 南通 226003)

0 引 言

隨著城市化進程的加快,城市人口及交通車輛日益增多,城市交通的擁堵壓力也日益增大。為了解決交通問題,許多城市在既有道路的基礎上進行城市快速路改造。許多原有高架橋梁很難滿足城市交通需求,為了最大限度地利用原有橋梁,需要對橋梁進行頂升改造設計。橋梁頂升是一個動態過程,頂升的不同步會對梁體產生較大的附加應力,影響梁體安全。同時頂升過程中要對梁體采取相應的監測措施,設定相應的預警值,以便將監測數據反饋給加載頂升過程,通過對偏差分析、預測,對頂升過程進行實時調整,以此保證頂升施工質量和橋梁結構安全[1-5]。

1 工程概況

徐州市三環南路快速化改造工程是在現狀三環南路的基礎上,按城市快速路標準進行改造。本次頂升改造工程為四標段主線終點的兩聯現狀三環東路高架橋,采用頂升施工工藝,保持預應力混凝土連續梁的結構形式,頂升改造橋梁每聯均為三跨,單跨跨徑均為29 m,跨徑組合為3×29 m+3×29 m。橋面寬度為25 m,標準底板寬度15.328 m,翼緣板懸臂3.68 m,箱梁高度2.0 m。

2 頂升施工流程

本次頂升改造針對兩聯三跨預應力混凝土連續梁采用整體等比例同步調坡頂升,即通過PLC電腦同步控制系統控制各點,采用角速度一致等比例頂升的方法整體頂升箱梁上部結構來實現抬高橋梁標高,改造后立面圖如圖1所示。橋梁頂升改造施工作業順序如下。

圖1 連續梁橋頂升改造后立面圖(單位:cm)

(1)卸除Pm123橋臺臺后填土,拆除伸縮縫,銑刨Pm123～Pm129兩聯連續梁的橋面鋪裝,并拆除橋面護欄。

(2)施工抱柱梁,Pm123墩新增樁基、新建承臺,改造Pm123端橫梁。設置臨時支撐,布設千斤頂,同斜率頂升1、2聯預應力混凝土連續梁。

(3)根據最新橋墩布置與橋面設計標高,將Pm123橋臺改建為邊墩橋墩,接高Pm124～Pm128立柱,重新調平梁底墊塊。

(4)安裝支座,將兩聯預應力混凝土連續梁同步回落至最新墩頂位置,支座灌注座漿密貼并達到設計強度,張拉Pm123橫梁鋼束。

(5)同步釋放千斤頂油壓,拆除臨時支撐,施工混凝土鋪裝層擬合道路豎曲線,重新澆筑護欄,攤鋪并碾壓橋面瀝青混合料,成橋。

3 頂升施工計算分析

采用midas Civil有限元軟件,對橋梁施工頂升過程進行仿真計算分析,計算內容考慮當初施工過程(結構自重、預應力、二期恒載、十年收縮徐變)、當前頂升準備工作和各墩頂升高差效應,計算各墩頂升差異引起的主梁結構應力分布狀況等,為橋梁頂升施工控制提供合理的依據。

3.1 結構計算參數

橋梁結構計算參數及指標如表1、表2所示。

表1 材料基本參數

表2 材料性能指標

3.2 結構計算模型

采用midas Civil有限元軟件建立計算分析模型,主梁采用空間梁單元模擬,考慮橋梁當初施工過程以及頂升改造過程,即支架澆筑梁體混凝土、張拉梁體預應力、拆除主梁支架、施工二期恒載、收縮徐變早橋面附屬設施的拆除(銑刨瀝青橋面鋪裝及3.5 cm混凝土鋪裝層、拆除護欄),以及頂升過程中不均勻頂升位移。全橋有限元空間計算模型如圖2所示。

圖2 橋梁結構有限元計算模型

3.3 計算分析結果

首先計算分析頂升準備階段,即橋面附屬設施拆除(銑刨瀝青橋面鋪裝及3.5 cm混凝土鋪裝層、拆除護欄)后的梁體結構上、下緣應力作為頂升前的初始狀態,在此基礎上,疊加不均勻頂升位移差產生的梁體附加應力,以主梁混凝土材料容許拉應力為控制指標,計算得出頂升過程中容許的頂升位移差。

(1)頂升前初始狀態。

銑刨橋面瀝青鋪裝層及3.5 cm混凝土現澆層、拆除護欄后結構上、下緣的應力狀態如圖3所示。

圖3 初始狀態梁體上下緣應力

由圖3可知,頂升前初始狀態梁體上緣應力范圍為-5.37～0 MPa,梁體下緣應力范圍為-5.94～0 MPa,梁體全斷面受壓。

(2)支點縱向不均勻頂升。

使用midas Civil軟件,考慮所有可能的組合,計算分析頂升過程中梁體縱橋向不均勻頂升差值為10 mm、4 mm時,結構上、下緣的應力變化范圍,結果如圖4、圖5所示。

圖4 不均勻頂升差10 mm引起的上下緣應力增量包絡圖

圖5 不均勻頂升差4 mm引起的上下緣應力增量包絡圖

由圖4可知,縱向不均勻頂升差值10 mm,引起梁體上緣正應力的變化范圍為-1.08～1.08 MPa,引起梁體下緣正應力的變化范圍為-1.70～1.70 MPa。由圖5可知,縱向不均勻頂升差值4 mm,引起梁體上緣正應力的變化范圍為-0.43～0.43 MPa,引起梁體下緣正應力的變化范圍為-0.68～0.68 MPa。

(3)支點縱向不均勻頂升累加應力。

在頂升前初始狀態基礎上,疊加梁體縱向不均勻頂升位移差10 mm、4 mm時產生的梁體附加應力,得到相應的累加應力范圍,計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 不均勻頂升差10 mm引起的上緣累加應力包絡圖

圖7 不均勻頂升差4 mm引起的上緣累加應力包絡圖

由圖6可知,縱向不均勻頂升差值10 mm,引起梁體上緣累加正應力的范圍為-6.33～0 MPa,引起梁體下緣累加正應力的范圍為-7.27～0.02 MPa,即在邊跨距離中墩中心線約2.75 m處主梁下緣可能會出現0.02 MPa的拉應力值,但遠小于混凝土抗拉強度設計值的限值1.83 MPa,不會開裂。由圖7可知,縱向不均勻頂升差值4 mm,引起梁體上緣累加正應力的范圍為-5.75～0 MPa,引起梁體下緣累加正應力的范圍為-6.47～0 MPa,梁體各截面上、下緣均未出現拉應力,不會開裂。因此,頂升過程中,梁體單次頂升允許偏差參考值可按4 mm控制,梁體累計頂升允許偏差參考值可按10 mm控制。

4 頂升過程中的監測措施

連續梁橋頂升是一個動態過程,隨著上部結構的頂升,頂升支承點的相對變化會對主梁結構產生附加應力。為了確保頂升過程中主梁結構的安全,要設置一整套監測系統,將姿態數據適時反饋給施工加載過程,以便及時、主動地采取措施降低或消除不利因素的影響。

4.1 變形監測

多個橋墩、橋臺上的千斤頂頂升不同步的情況將導致上部結構產生次內力,類似于墩柱不均勻沉降,引起主梁內力顯著變化,如果在受拉區引起過大的拉應力,將造成主梁開裂。為保證所有千斤頂頂升位移同步進行,應協同施工單位采用頂升控制設備PLC系統,并布置位移監控裝置相互校核,實施動態的反饋與調整。

頂升位置處的梁體豎向位移可采用拉線式位移計監測,頂升位置處的梁體橫向、縱向位移可通過布置棱鏡、全站儀進行監測。頂升過程中主梁的位移測量主要包括如下幾方面。

(1)單次頂升過程中,垂直頂升位移量的測量(測量時機:預頂升、循環頂升過程,動態監測)。

(2)循環頂升過程中,上部受頂結構總的頂升高程(測量時機:預頂升、循環頂升過程,動態監測)。

(3)對總的頂升位移測量(測量時機:逐級評估同步頂升施工質量,以頂升總高程為準,分別對頂升高度達到總高程約25%、50%、75%及100%時的全橋結構進行檢測、控制)。

4.2 應力監測

主梁應力敏感區域為墩頂附近以及各橋跨跨中區域,墩頂位置處的頂底板應力狀態可能存在交替變化的情況,即主梁截面上拉下壓或上壓下拉的受力狀態會因頂升位移相對高差的變化而變化,應布置相應的應力監測斷面進行應力監測,同時對支撐頂升的鋼管也布置應力傳感器進行監測。測量時機:預頂升、循環頂升過程,動態監測。

4.3 基礎沉降監測

以橋臺處原承臺頂面為頂升基礎,在承臺頂面通過植入螺栓連接鋼支撐,建立支撐體系,承擔上部荷載。頂升過程中會對基礎產生擾動,需對地基基礎的沉降進行觀測。測點應采用固定的測量釘,通過固定的后視觀測點連續監測。測量時機:預頂升、循環頂升過程,動態監測。

4.4 裂縫監測

在梁體頂升前后以及整個頂升施工過程中,采用人工觀測方式對原檢測報告中已發現的受力裂縫進行觀察,及時跟蹤裂縫發展情況。對頂升過程中出現的明顯裂縫及原有已處理的裂縫是否會擴展進行重點觀測。重點關注應力變化值最大斷面處在頂升過程中是否產生裂縫。

4.5 監測預警值

參照相關規范[6-7],并結合計算分析,在頂升過程中對橋面標高、橫向水平位移、縱向水平位移、單點不均勻垂直偏差、橋面同一橫軸線相對頂升高差等進行監測,當達到表3中的控制參考值時,應及時采取相關有效措施進行糾偏。

表3 頂升過程控制參考值

5 結 論

隨著城市快速路的改造加快,許多高架橋通過頂升改造,可以很好地被重新利用起來,避免拆除重建造成資源浪費及環境污染。依托徐州市三環東路高架橋頂升改造工程,介紹該橋的頂升施工過程,對橋梁頂升施工控制進行了分析,主要結論如下。

(1)為避免頂升過程中的不同步引起梁體較大的附加應力,針對本項目兩聯三跨預應力混凝土連續梁實際,采用PLC電腦同步控制系統控制各點,采用角速度一致等比例頂升的方法整體頂升箱梁上部結構來實現抬高橋梁標高。

(2)通過事前仿真計算,可以分析頂升過程中頂升位移差對梁體內力的影響,為了確保梁體安全,可計算得出頂升位移差的控制值,并以此作為頂升施工控制依據。

(3)對頂升過程中的橋梁進行變形、應力、基礎沉降、裂縫等監測,并制定相應的監測預警值,通過監測反饋至頂升加載過程,如出現異常可及時采取措施,以確保橋梁結構頂升施工安全。