新建橋跨既有橋施工監測技術研究

盧永東

摘要 針對新建橋跨既有橋施工項目，提出通用性的施工方案及分階段監測方法。以某既有水道橋為例，全橋共九聯，以左幅第四聯（跨徑組合為3×25 m）、右幅第四聯（跨徑組合為45+25 m）和第五聯（跨徑組合為3×25 m）作為工作平臺，對一座上跨該水道橋的簡支小箱梁橋進行吊裝施工，研究監測點的布置方案、監測參數的選擇、監測階段的劃分。有限元建模計算值和實橋實測值比較表明，絕大多數監測點的實測值都小于理論值，在整個施工階段中結構是安全的。所有監測點的實測值和結構分析的理論值隨著監測工況改變的變化規律相似。上述算例表明，文章提出的新建橋跨既有橋施工階段劃分的思路、監測參數的選取方案、監測點的布置方案合理可行，可為類似新建橋跨既有橋施工項目的監測方案提供決策參考。

關鍵詞 新建橋跨既有橋；施工監測；監測參數；測點布制；監測階段

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0049-04

0 引言

近年來，我國的高速公路網在不斷地發展完善，新建橋跨既有橋工程越來越多。長沙市萬家麗立交[1]是湘府路跨越既有萬家麗高架橋而修建的立體交通樞紐。濱萊高速公路改擴建工程[2]的轉體新建橋在轉體前需要上跨既有高速公路橋。上跨滬昆鐵路的某公鐵立交橋整體換梁項目[3]則利用既有橋梁的下部結構，對需要改造更換的舊梁進行了同步頂升安裝。

就常規橋型而言，對于連續剛構橋[4]和連續梁橋[5]，監測的關鍵參數主要為墩頂標高、主梁墩頂截面上下緣應力、墩間跨中截面上下緣應力、各節段標高。針對簡支梁橋，研究對象多為簡支鋼桁架梁橋[6]。監測的關鍵參數主要為鋼桁梁預拱度（下弦桿節點撓度），鋼桁梁控制截面的上下弦桿、腹桿、斜桿位置的應力（跨中和1/4跨作為控制截面），臨時墩應力和頂推導梁應力。

對新建橋跨既有橋項目的施工監測研究主要針對新建橋梁，而對既有橋的監測方法研究較少。該文研究了當以既有橋為施工作業平臺進行鋼混疊合梁吊裝施工時，新建橋跨既有橋的施工監測方法；分析了作為施工作業平臺的25 m簡支小箱梁及蓋梁的受力特點；重點討論了對既有水道橋的主梁和蓋梁的監測要點，為類似工程的施工監測方案提供決策參考。

1 新建橋跨既有橋施工方案

1.1 工程概況

某新建互通立交共設置4條匝道，其中A匝道1號橋共13聯，第十二聯41#～42#跨上跨既有水道橋，采用“樁基礎+柱式墩+蓋梁+70 m鋼混疊合梁”結構。鋼混疊合梁采用先吊裝、后疊合的施工工藝。

既有橋設計速度為100 km/h，由上、下行兩幅橋組成。單幅橋的上部結構為25 m預制簡支預應力小箱梁，下部結構為“樁基礎+雙柱式墩+蓋梁”的結構，橋面寬16.5 m。

A匝道1號橋第十二聯的施工方案為：以既有橋為施工作業平臺進行跨線互通鋼混疊合梁的吊裝施工。在新建立交橋工程施工期間，為保證施工荷載不會對既有水道橋造成損傷，降低跨橋施工對既有高速營運的影響，依據跨線鋼混疊合梁吊裝施工方案，對既有水道橋進行結構分析，對結構關鍵點處的應力和位移進行監測。

A匝道1號橋跨高速部分鋼混疊合梁，設計為70 m跨彎梁，由4片主梁構成，其中單片鋼梁最重約130.19 t，單片混凝土疊合板重約100.7 t。由于上跨鋼混疊合梁與既有水道橋的斜交角度為44 °，高速上搭設臨時支墩困難，吊裝難度極大。

該跨共設計4片鋼混疊合梁，由于是彎橋，每片梁的梁長及重量參數表見表1所示：

1.2 吊裝順序

根據現場的地形條件及機械的起重吊裝能力，總體吊裝思路是采用3臺吊車接力抬吊。施工步驟：梁段在工廠內按設計劃分節段加工完成后，運輸至現場拼裝成整體的鋼梁，用1臺400 t履帶吊（趴位于橋底）與1臺300 t汽車吊（趴位于既有橋左幅橋面）將70 m鋼梁抬吊至既有橋的左幅上臨時存放，再通過橋底400 t履帶吊配合另一臺300 t汽車吊（趴位于既有橋右幅橋面）將鋼梁從左幅橋面接力抬吊至設計的蓋梁上。同理，依次將4片鋼梁吊裝就位。吊裝布置如圖1所示。

為減少既有水道橋上300 t汽車吊作業產生的荷載對既有橋的結構影響，采用設置不同吊點距離（不平衡吊），使鋼梁的大部分重量由橋底400 t履帶吊承受，而橋面上的吊車僅承受小部分鋼梁重量。根據計算得出每臺吊車吊點承受的荷載如表1所示。

2 新建橋跨既有橋施工監測方法

2.1 監測階段的劃分

分析吊裝施工方案可知：對于既有水道橋的左幅橋，當左幅橋面的300 t汽車吊抬吊鋼箱梁時，橋梁結構承受了最大的施工荷載；對于既有水道橋的右幅橋，當右幅橋面的300 t汽車吊抬吊鋼箱梁時，橋梁結構承受了最大的施工荷載。將吊裝施工過程分為8個監測工況。

監測工況一：400 t履帶吊（橋底）和300 t汽車吊（左幅橋面上）將1號梁抬吊至既有橋的左幅橋面。

監測工況二：400 t履帶吊（橋底）和300 t汽車吊（右幅橋面上）接力抬吊1號鋼梁至設計橋位。

監測工況三～監測工況八：重復1號梁吊裝過程。

2.2 監測參數與監測點布置

為保證汽車吊不會對既有水道橋造成新的損傷，該項目對既有水道橋進行了應力監測和變形監測。應力監測包括小箱梁正截面拉應力監測、小箱梁主拉應力監測和蓋梁正截面拉應力監測。變形監測包括小箱梁撓度監測和蓋梁撓度監測。

根據吊梁施工過程，結合有限元計算，確定測點布置如圖2（平面）、圖3（立面）所示。其中，16#、17#蓋梁及橋墩為整體式，故用F16#、F17#表示，不分左右幅，其余左右幅分別用FZ和FY表示。在左幅FZ14#～FZ16#橋跨和右幅FY15#～FY17#橋跨的各主梁的1/2跨和1/4跨處斷面的梁底處，以及在F16#橋墩蓋梁和左幅FY15#橋墩蓋梁的跨中底部、墩柱頂部，設置應變片，監測對應工況下的正應力。在左幅FZ14#～16#橋跨，以及右幅FY15#～FY17#橋跨的各主梁支點截面的腹板單側沿著高度方向的中點處，設置應變花，監測對應工況下梁體的主拉應力。在左幅FZ14#～FZ16#跨和右幅FY15#～FY17#跨的各主梁1/2跨處斷面的梁底，以及在F16#橋墩蓋梁的跨中底部和左幅FY15#橋墩蓋梁的懸挑端設置位移計，監測對應工況下的撓度。

新建A匝道1號橋的4片鋼梁分4次完成吊裝。吊裝每片梁時，左、右幅橋面吊車的趴位都不一樣。在不同的監測工況中需要監測的橋梁結構危險點也不相同。每吊裝一片鋼梁，吊車趴位就要沿著道路下行方向移動一段距離。根據8個監測工況將所有監測點分成6個監測區，測區共涉及四跨主梁和兩處蓋梁，如圖2所示。不同的監測工況采集的監測點由這6個測區中的若干個測區組合而成。如圖3所示為應力和位移監測點的立面示意圖。

3 有限元分析

采用MIDAS Civil軟件建立既有水道橋主梁的單梁桿系有限元模型，一個單梁模型包含33個節點、30個梁單元和8根鋼束。采用主從節點彈性連接且主節點設置簡支邊界條件模擬支座。有限元模型共設置6個施工階段，模擬了預制預應力小箱梁、存梁、施加二期恒載、混凝土收縮徐變、吊車上橋和懸吊鋼梁的施工階段。通過將吊車自重傳遞的車輪壓力和吊點吊重傳遞的支腿壓力，分別都乘以各主梁的荷載橫向分配系數，以計算每個主梁上分配到的施工荷載。F16#蓋梁的模型包含59個節點、56個梁單元和10根鋼束。采用主從節點鋼性連接模擬墩頂與蓋梁的連接。左幅FZ15#墩的模型包含35個節點、32個梁單元和6根鋼束。根據主梁模型的計算結果，可以提取出由主梁自重和二期恒載引起的支座反力、吊車自重引起的支座反力和吊點吊重引起的支座反力，分別施加到蓋梁模型上的對應節點上，有限元分析結果見表2所示。理論計算表明，在70 m跨鋼混疊合梁吊裝施工的過程中，作為施工平臺的既有水道橋是安全的。

4 實測值與理論值的對比分析

通過提取有限元模型在汽車吊支腿壓力（僅考慮起吊重量）作用下的關鍵點應力和位移，可以得到主梁在不同監測工況下的監測理論值，以此作為施工監測過程中的控制閾值。如果監測點實測值超出了理論值，則說明結構存在安全隱患。

該次監測的主梁共涉及4跨共20片、蓋梁共2處。在用于監測蓋梁F16#的監測區2中選擇4個測點，對應監測點位置見圖2所示。在涉及4跨主梁的測區1、3、5、6中，分別選擇一根應力最大的小箱梁上的4個測點，分析監測結構。監測區1～2號主梁（左幅FZ15#～F16#跨的2號主梁）的拉應力和以及16號蓋梁的拉應力在對應監測工況下的理論值和實測值變化規律見圖4所示。

根據模型計算結構，分別對主梁和蓋梁進行結構驗算。結果表明，截面彎矩、剪力、撓度均滿足規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[7]要求，如表2所示，誤差用負號表示，實測值小于理論值。

由上述監測與理論計算結果可知：①汽車吊趴位越靠近支點，支點應力峰值越大。②在吊點吊重傳遞的支腿壓力作用下，主梁監測結果中監測點的實測值均小于理論值，屬于合理的理論和現場采集誤差，所以在整個施工階段未造成新的損傷。

5 結語

該文以新建橋跨既有橋工程監測項目為例，研究了以既有橋作為施工平臺進行吊裝新橋時，各施工階段對應工況對既有橋的影響，通過分析既有橋在吊裝施工期間的應力和變形變化情況，對施工過程進行及時反饋和調整，確保既有橋在特殊短暫工況下不出現新的損傷，主要結論如下：

（1）提出了新建橋跨既有橋施工監測階段劃分的思路和方法，給出了監測參數的選取方案、監測點的布置方案，為今后同類工程的監測提供了參考。

（2）在既有水道橋的結構監測結果中，主要構件監測點的實測值都小于理論值，屬于合理的理論和現場采集誤差，在整個施工階段中結構是安全的，理論驗算結構均滿足規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[7]要求。

（3）在既有水道橋的結構監測結果中，所有監測點的實測值和結構分析的理論值隨著監測工況改變的變化規律相似，說明結構的計算理論可靠，可以為類似施工項目的監測方案提供決策參考。

參考文獻

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[7]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.