大跨度長聯(lián)公鐵兩用鋼桁梁橋監(jiān)控研究

劉國飛

1.鐵正檢測科技有限公司，濟南 250014；2.中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014

鋼桁梁橋具有受力好、重量輕、抗彎剪扭剛度大、適應性強、安裝架設技術成熟、質量容易控制等優(yōu)點，越來越多的連續(xù)梁鋼桁梁被應用到實際工程中［1］。隨著高速鐵路建設的發(fā)展，高速列車對大橋的舒適性和安全性提出了更高要求。因此，應保證大跨度鋼桁梁的橋面線形盡可能與線路設計線形一致，提高線路的運行質量。連續(xù)鋼桁梁為多次超靜定的結構體系，橋梁存在多次體系轉換，受力狀態(tài)復雜，具有較強的空間效應。施工工藝、環(huán)境溫度等都會直接影響鋼桁梁線形、應力水平，橋梁成橋線形很難達到設計的理想線形，施工監(jiān)控難度大［2］。

本文以鄭州黃河特大橋（112 + 6 × 168 + 112）m連續(xù)鋼桁梁橋施工為研究對象，通過數(shù)值仿真分析和現(xiàn)場施工控制相結合的方法，開展懸臂拼裝鋼桁梁監(jiān)控研究，為現(xiàn)場鋼桁梁架設施工提供指導，為同類型橋梁監(jiān)控提供借鑒。

1 工程背景

鄭州黃河特大橋位于鄭州市鄭東新區(qū)馬渡河段，大橋為上下層設計，上層為雙線六車道快速公路，設計速度為100 km/h；下層為四線鐵路，其中兩線為鄭濟高速鐵路，兩線為鄭新城際鐵路，設計速度分別為350、160 km/h。該橋于2017 年8 月開工建設，2021 年11月施工完成，具備通車條件。

主橋采用華倫式桁架，橫向布置為三片桁結構，桁間距（13.4+13.4）m。112 m 邊跨的等高段鋼桁梁節(jié)間距為10.5 m，共6個節(jié)間，變高段節(jié)間距為12.0 m，共4個節(jié)間；168 m跨的變高段和等高段鋼桁梁節(jié)間距均為12.0 m。主梁中跨標準斷面處，左右邊桁中心桁高15.05 m，中桁中心桁高15.24 m，墩頂處中心桁高15.24+15.00=30.24 m。鐵路橋面系采用正交異型鋼橋面板，鋼橋面板上防護墻內(nèi)側鋪設15 cm 厚混凝土橋面板，橋面板與無砟軌道底座板連接。公路混凝土橋面板全寬32.5 m，支撐于鋼梁上弦，混凝土橋面板與鋼桁梁上弦通過剪力釘結合后共同受力。鋼桁梁橫斷面見圖1。

圖1 鋼桁梁橫斷面（單位：m）

2 施工架設方案

主橋大部分工程位于寬闊的黃河河面及岸邊、淺灘地帶，黃河為游蕩性河流，沖刷劇烈，主河槽位置擺動較大，現(xiàn)場施工作業(yè)面有限。綜合考慮環(huán)境、環(huán)保、結構特點等因素，選擇跨線龍門吊懸臂架設方案，即在橋梁上下游方向主河槽設置臨時棧橋，灘地部分填筑便道，分別作為門吊走道及施工通道。

連續(xù)鋼桁梁共計8 孔104 個節(jié)間，連續(xù)鋼桁梁架設共設置3 個架梁起始點，分別為378#、382#、386#墩。其中378#墩和386#墩為邊墩，設置拼裝支架；382#墩設置雙側墩旁托架。首先利用85 t履帶吊安裝382#墩旁托架，378#、386#墩拼裝支架。在382#墩位處分別使用跨度為41、58 m 的龍門吊機對稱懸臂架設鋼桁梁；在378#墩位處使用41 m 龍門吊機拼裝連續(xù)鋼桁梁起始節(jié)間，在386#墩位處使用58 m 龍門吊機拼裝連續(xù)鋼桁梁起始節(jié)間。全橋共設置2 處合龍口，分別位于380#—381#墩和383#—384#墩跨中。鋼桁梁合龍后，利用墩頂千斤頂對稱起頂200 mm，利用80 t龍門吊安裝相應墩頂5 個節(jié)間公路橋面板，澆筑濕接縫，張拉預應力；安裝剩余部分公路橋面板，澆筑濕接縫，張拉預應力。最后施工鐵路現(xiàn)澆面板、橋面附屬工程。鋼桁梁主要工況架設施工順序見圖2。以382#墩為中心，378#墩與386#墩左右完全對稱。桿件編號：378#—382#墩上弦桿A0—A52，下弦桿E0—E52；382#—386#墩上弦桿A51'—A0'，下弦桿E51'—E0'；邊桁用S表示，中桁用M表示。

圖2 鋼桁梁主要工況架設施工順序

3 數(shù)值仿真分析

3.1 計算模型

利用有限元軟件MIDAS/Civil 2019 建立鋼桁梁橋空間有限元模型，主桁和公路橋面板采用梁單元模擬，聯(lián)結系（包括上平聯(lián)、橋門架、平行弦中間橫聯(lián)、加勁弦橫聯(lián)、加勁弦平聯(lián)）采用桁架單元模擬，鐵路正交異性板采用帶肋板單元模擬。

為了保障有限元模型計算精度，對結構各參數(shù)進行敏感性分析，確定主要狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場實測變形及應力數(shù)據(jù)對模型進行優(yōu)化，保證模型能夠指導現(xiàn)場施工。

3.2 主要計算參數(shù)

3.2.1 結構用鋼

鋼結構材質主要采用Q370qE 鋼，部分主桁桿件采用Q420qE 鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。下弦桿重度為164.8 kN/m3，加勁肋、上弦桿重度為125.6 kN/m3，腹桿重度為62.8 kN/m3，其他桿件重度為78.5 kN/m3。

3.2.2 混凝土

公路橋面板采用C60 混凝土，鐵路混凝土橋面板及防護墻采用C40 混凝土。C60 混凝土彈性模量為39.8 MPa，泊松比為0.2，重度為2.61 kN/m3。C40 混凝土彈性模量為36.3 GPa，泊松比為0.2，重度為2.51 kN/m3。

3.2.3 混凝土收縮徐變

施工環(huán)境按野外一般情況計算：相對濕度70%，徐變系數(shù)終極極值2.0，徐變增長速率0.005 5，收縮速度系數(shù)為0.006 25，收縮終極系數(shù)為0.000 16。

3.3 施工關鍵工況理論計算分析

鋼桁梁采用懸臂拼裝的施工方法，在施工過程中需要經(jīng)歷多次體系轉換，每次體系轉換均會對結構的線形、應力產(chǎn)生影響［3］。為了保證成橋后的橋梁線形與設計線形吻合，防止累積誤差過大，利用有限元軟件重點分析鋼桁梁施工關鍵工況的桿件應力、位移等參數(shù)，結果見表1。

表1 連續(xù)鋼桁梁施工關鍵工況分析

由表1 可知，邊跨最大懸臂狀態(tài)桿件理論最大拉應力、最大壓應力均未達到桿件容許應力260 MPa，桿件受力狀況良好。中跨最大懸臂狀態(tài)桿件理論最大拉應力雖未達到桿件容許應力，但桿件應力較大，應重點關注桿件應力狀態(tài)。鋼桁梁上墩前位移較大，須提前采用預抬措施，加強觀測頻率，以免鋼桁梁無法上墩。鋼桁梁合龍前桿件理論拉應力較大，尤其需要關注380#墩頂桿件應力狀態(tài)。

合龍口影響因素較多，通過分析鋼桁梁合龍口敏感性，加強溫度觀測，確定最佳合龍時機，實現(xiàn)鋼桁梁精準合龍。

4 監(jiān)控內(nèi)容及方法

4.1 施工過程中變形監(jiān)控

根據(jù)大橋實際施工情況，建立變形測量控制網(wǎng)作為整個大橋的控制網(wǎng)。對于臨時墩水平位移及鋼桁梁軸線偏位采用高精度全站儀進行觀測，對于施工過程中臨時墩沉降及鋼桁梁豎向相對位移采用精密水準儀進行觀測［4］。鋼桁梁撓度測點布置在中桁及邊桁上下弦桿前端，每個斷面布置4 個測點，測點布置見圖3，測點相對于中心線對稱。

圖3 鋼桁梁撓度測點布置

4.2 應力監(jiān)控

鋼桁梁的桿件截面應力隨拼裝跨度增加而不斷變化。為保證施工中結構的受力始終符合設計要求，須對其進行跟蹤監(jiān)控。應力監(jiān)控采用單點應力采集和自動化設備采集相結合的方式，臨時支墩及一般部位應力采用MAS?SM?50振弦式表面應變計監(jiān)測，重點部位應力采用JMZX?212HAT 高精度智能型應變傳感器并配套JMZX?256 型自動化綜合測試系統(tǒng)，實現(xiàn)應力數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，及時預警［5］。鋼桁梁應力觀測點主要布設在關鍵工況桿件受力較大的上下弦桿、豎桿、斜腹桿以及墩頂加勁弦桿上下面，共計布設384 個測點。鋼桁梁部分應力測點布置見圖4。以382#墩為中心，378#墩與386#墩左右完全對稱。

圖4 鋼桁梁部分應力測點布置

4.3 溫度監(jiān)控

連續(xù)鋼桁梁在施工及運營過程中，日照溫差形成的不均勻溫度場會對全橋的受力性能造成影響。橋梁一般是縱向長度遠遠大于橫向寬度和豎向高度的狹長結構物，所以溫度分布在其縱向上基本不變。在太陽輻射、大氣日溫度變化等組合影響下，結構向陽面溫度與背陽面溫度隨時變化，可能會產(chǎn)生較大溫差［6］?？紤]到鋼桁梁對溫度變化比較敏感，為保證鋼桁梁順利合龍，在381#墩上弦桿、豎桿、加勁豎桿以及下弦桿布設36 個溫度測點來研究橋梁豎向和橫向的溫差分布特性。鋼桁梁溫度測點布置圖5。

圖5 鋼桁梁溫度測點布置

5 監(jiān)控結果分析

5.1 預拱度偏差

對于連續(xù)鋼桁梁來說，拼裝順序、合龍方式不同，成橋線形和桿件內(nèi)力分配不同。因此，桿件在生產(chǎn)制造前，需要確定合理的施工方案，以保證實測預拱度與理論預拱度的差值在合理范圍。連續(xù)鋼桁梁預拱度對比見表2。由于數(shù)據(jù)較多，表中僅列出每跨最大預拱度?？芍碚擃A拱度與實測預拱度吻合良好，最大偏差滿足技術文件要求的±10 mm，為后期軌道板鋪設、線形調整預留了較大空間。

表2 連續(xù)鋼桁梁預拱度對比

5.2 變形

鋼桁梁懸臂拼裝施工過程中線形是不斷變化的，尤其是鋼桁梁施工通過不斷地起落頂來調整鋼桁梁姿態(tài)，線形變化量波動更加明顯［7］。鋼桁梁每一個施工階段的變形都需要及時觀測，對于重點施工階段，更需要加密觀測。鋼桁梁桿件部分節(jié)點高差見表3。

TB 10752—2010《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》規(guī)定兩主桁梁支點相對高差為13.4 mm，梁跨中心節(jié)點相對高差為6.7 mm，中間高差數(shù)可據(jù)根據(jù)線性內(nèi)查法得到［8］。由表3 可知，鋼桁梁施工過程中三片桁節(jié)點高差均能夠滿足規(guī)范要求，個別節(jié)點高差略大，通過千斤頂微調可以保證軌道板定位精度。TB 10752—2010 規(guī)定軸線偏位為跨度的1/5 000，即33.6 mm，鋼桁梁軸線偏差數(shù)據(jù)均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)。鋼桁梁整個施工拼裝過程中個別偏差較大的點，采用臨時支墩起頂、鏈條葫蘆對拉等方式進行調整，防止累積誤差超出規(guī)范要求。

表3 鋼桁梁桿件部分節(jié)點高差

5.3 應力

鋼桁梁應力監(jiān)控包括涵蓋鋼桁梁懸臂拼裝、臨時支墩抄墊和起頂、主墩抄墊和起頂、體系轉換、二期鋪裝等全施工過程。鋼桁梁豎桿、上下弦桿、墩頂上方的加勁斜桿等桿件為主要受力桿件，也是應力監(jiān)控分析的重點［7］。

鋼桁梁懸臂拼裝施工過程中鋼桁梁各桿件應力不斷交替變化，部分施工階段應力實測值與理論計算值對比見表4?？芍哼吙鐟冶燮囱b施工階段，最大應力為195 MPa，最小應力為-122 MPa；中跨382#對稱懸臂拼裝施工階段，最大應力為194 MPa，最小應力為-113 MPa。鋼桁梁實測應力均未達到容許應力的80%，鋼桁梁應力水平均處于安全范圍。應力實測值與理論值存在誤差，主要是鋼桁梁桿件制造尺寸偏差、施工方法、材料性能、環(huán)境溫度場、應力采集儀器本身的誤差等因素造成的。

5.4 溫度監(jiān)控分析

連續(xù)梁鋼桁梁對于溫度變化比較敏感，尤其是合龍口空間坐標隨溫度不斷變化，且橋梁所在地區(qū)季節(jié)性溫差、日照溫差變化較大［9］。將溫度變化作用分為鋼桁梁整體升降溫和鋼桁梁局部溫差。通過數(shù)據(jù)分析確定鋼桁梁最佳合龍時機。由于數(shù)據(jù)較多，只列舉A（SA31）、B（MA31）、C（SE31）、D（ME31）4節(jié)點溫度與空間（x、y、z）位移變化數(shù)據(jù)。其中x方向為順橋向，y方向為橫橋向，z方向為豎向。

5.4.1 鋼桁梁理論整體升降溫

為了更好地分析整體升降溫與鋼桁梁合龍口的尺寸關系，選擇4 月份，鋼桁梁桿件表面溫度變化5～15 ℃時，測量合龍口尺寸得到合龍口位移，分別見表5、表6。

表5 整體升降溫引起的合龍口x方向位移

表6 整體升降溫引起的合龍口z方向位移

由表5、表6 可知：整體升降溫，合龍口x方向位移敏感性強，上弦桿變化量略大于下弦桿變化量；整體降溫時合龍口z方向位移敏感性強，上弦桿變化量略小于下弦桿變化量，整體升溫時合龍口z方向位移敏感性較弱，可忽略。

5.4.2 鋼桁梁局部溫差敏感性

由于該連續(xù)鋼桁梁為南北走向，桿件多，結構復雜，鋼桁梁各桿件溫度不均勻變化。為了更好地分析合龍口局部溫差敏感性，從兩方面考慮：早上、下午太陽斜射鋼桁梁，左側邊桁與中桁溫度差值為5 ℃；中午太陽正射鋼桁梁，上弦桿與下弦桿溫差為15 ℃。局部溫差引起的合龍口位移見表7。

表7 局部溫差引起的合龍口位移

由表7可知，太陽斜射的情況下，鋼桁梁產(chǎn)生了較大的橫向位移，合龍口y方向敏感性較強，x、z方向敏感性弱，可忽略不計；太陽正射時，鋼桁梁產(chǎn)生較大的下?lián)希瑉方向敏感性強，上弦桿x方向敏感性強，下弦桿x方向敏感性弱。

當連續(xù)鋼桁梁合龍口寬度偏差較小時，可利用溫差進行調整［10］，根據(jù)鋼桁梁一天內(nèi)的位移變化情況，解除臨時支座與鋼梁順橋向約束，實現(xiàn)鋼梁縱移。在實際施工過程中，通過多次觀測溫度與合龍口尺寸變化規(guī)律，確定凌晨鋼梁表面溫度15 ℃是鋼桁梁最佳合龍溫度。

6 結論

1）鋼桁梁每架設完一跨，都需要進行拱度偏差分析，保證后期無砟軌道線形有足夠的調整空間。鋼桁梁實測變形和應力監(jiān)控數(shù)據(jù)與理論計算分析數(shù)據(jù)吻合度高，均在規(guī)范允許的偏差范圍內(nèi)，結構處于安全范圍。

2）連續(xù)梁鋼桁梁溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)反映了溫度與合龍口桿件空間位置變化的關系，確定了最佳合龍溫度為15 ℃，保證了鋼桁梁精準合龍。