馮睿為，滕凌，劉一鳴，汪新凱

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

輔助吊桿加固三拱肋鋼管混凝土系桿拱施工監(jiān)控研究

馮睿為，滕凌，劉一鳴，汪新凱

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

受損三拱肋中承式鋼管混凝土系桿拱橋在加固過程中采用輔助吊桿內(nèi)力和橋面變形雙控制原則，對(duì)輔助吊桿增設(shè)過程進(jìn)行施工監(jiān)控。根據(jù)實(shí)測(cè)值修正有限元計(jì)算模型，確保結(jié)構(gòu)在各種工況下以及成橋后，內(nèi)力和變形均處于合理狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。研究結(jié)果表明:完成全部輔助吊桿張拉后，橋面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)累計(jì)變形控制在允許范圍內(nèi)，最大未超過6 mm;吊桿內(nèi)力實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值較吻合，差值絕大多數(shù)在-10～30 kN，加固完成后吊桿內(nèi)力和橋面線形均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

施工監(jiān)控 鋼管混凝土系桿拱橋 輔助吊桿 橋面變形 吊桿內(nèi)力 維修加固

1 工程概述

中承式鋼管混凝土系桿拱橋，橋跨布置為1孔凈跨72 m，橋面總寬度24.5 m，橫向布置:2×8.0 m(行車道)+2×3.0 m(人行道)+2.5 m(中間分隔帶)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí):汽車—20級(jí)，掛車—100，人群荷載3.5 kN/m2。拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5。全橋共有3片拱肋，每片拱肋為啞鈴形截面，2φ700 mm鋼管通過腹板相連，截面等高1.8 m，相鄰兩片拱肋中心距9.0 m，拱肋灌注C40混凝土。每片拱肋與橋面通過15根吊桿相連，吊桿采用強(qiáng)度650級(jí)的合金鋼，間距4 m。全橋橋面連續(xù)，兩端接后座式組合橋臺(tái)，在橋臺(tái)處設(shè)置伸縮縫。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)吊桿出現(xiàn)的病害較多，如:吊桿上錨頭密封失效、中吊桿下錨頭浸水銹蝕嚴(yán)重、防護(hù)鋼管內(nèi)鋼絞線銹蝕嚴(yán)重等，擬對(duì)吊桿進(jìn)行維修加固。

2 維修加固方案

考慮到既有拱肋吊桿上、下錨點(diǎn)密封，不能有效進(jìn)行檢測(cè)，若更換吊桿，則需破壞既有鋼管和橫梁，影響結(jié)構(gòu)安全。故本次加固工程分別在每一個(gè)既有吊桿兩側(cè)新增兩根輔助吊桿:上端采用焊接鋼板作為上錨點(diǎn)，下端通過鋼托梁連為一體，并將密封失效的上錨頭重新進(jìn)行防腐處理，新增輔助吊桿安裝張拉完畢后與原吊桿共同承受橫梁及橋面的恒載、活載。具體增設(shè)輔助吊桿的方案如下:

1)測(cè)定每根吊桿的內(nèi)力，作為新吊桿安裝應(yīng)力的參考值;設(shè)置固定的觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)定橋面各點(diǎn)標(biāo)高，作為施工中橋面變形控制基準(zhǔn);測(cè)量每根吊桿的長(zhǎng)度，以便加工制作新吊桿。

2)搭設(shè)拱肋支架和橋下底面吊架，通過吊車將鋼托梁運(yùn)至相應(yīng)位置并安裝就位，焊接上錨點(diǎn)。

3)通過起吊設(shè)備的牽引繩將鋼拉桿與鋼絞線連接，通過套筒將鋼托梁與鋼拉桿連接。

4)根據(jù)橋面線形，對(duì)稱同步張拉同組吊桿，并旋緊調(diào)節(jié)套筒，逐步將原吊桿上的部分荷載分級(jí)轉(zhuǎn)移至新吊桿上，使原吊桿和新吊桿共同承受荷載;觀測(cè)橋面變形情況，確定是否需要調(diào)整橋面標(biāo)高。

5)在鋼套管及錨頭內(nèi)灌入防腐材料。

6)重復(fù)以上步驟，安裝下一組吊桿。

對(duì)該橋輔助吊桿增設(shè)過程進(jìn)行施工監(jiān)控。

3 施工監(jiān)控

3.1 施工監(jiān)控的原則

以增設(shè)輔助吊桿的內(nèi)力和橋面變形作為控制標(biāo)準(zhǔn)，以變形控制為主，嚴(yán)格控制變形測(cè)點(diǎn)的位移;監(jiān)測(cè)輔助吊桿內(nèi)力的變化情況，保證全橋控制截面內(nèi)力在安全范圍內(nèi)，確保成橋線形和設(shè)計(jì)線形一致。若在施工中發(fā)現(xiàn)全橋內(nèi)力接近或超出安全控制指標(biāo)或橋面線形誤差偏大，則應(yīng)暫停施工，查明原因并予以糾正，使結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均滿足要求。

3.2 施工監(jiān)控的流程

根據(jù)施工階段狀態(tài)變量(控制點(diǎn)位移、控制截面內(nèi)力)的實(shí)測(cè)值與相應(yīng)理論值的差值對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行誤差識(shí)別;根據(jù)已施工部分的影響參數(shù)識(shí)別結(jié)果，對(duì)未施工部分的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行誤差預(yù)測(cè);計(jì)算影響參數(shù)的誤差對(duì)成橋狀態(tài)的影響。通過對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)，對(duì)影響計(jì)算結(jié)果的若干參數(shù)進(jìn)行識(shí)別調(diào)整，使得理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差控制在一定范圍內(nèi)，滿足規(guī)范中對(duì)內(nèi)力與變形的要求。

3.3 監(jiān)控和計(jì)算

根據(jù)施工過程中，各階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的實(shí)測(cè)值和各項(xiàng)影響參數(shù)，通過Midas/Civil 2012建立全橋有限元模型，見圖1。計(jì)算在不同工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，分析計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值，找出原因并提出改進(jìn)措施，保證施工過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移變化與設(shè)計(jì)相符。

圖1 全橋有限元模型

4 橋面變形監(jiān)測(cè)

在輔助吊桿增設(shè)過程中，橋面線形必然受到影響。為了實(shí)時(shí)了解橋面線形的變化情況，確保施工安全，需對(duì)橋面變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

每對(duì)吊桿處橋面均布置變形測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖2。橫向布置原則:不易被破壞、不與施工沖突、易測(cè)量。

圖2 橋面變形測(cè)點(diǎn)布置(單位:cm)

4.2 監(jiān)測(cè)方法

拆除原橋面鋪裝前，在河兩岸用混凝土現(xiàn)澆4個(gè)監(jiān)控測(cè)站及后視點(diǎn)。測(cè)站建立后，根據(jù)兩個(gè)測(cè)量基點(diǎn)坐標(biāo)確定變形監(jiān)控測(cè)站坐標(biāo)，建立測(cè)量控制網(wǎng)，從而對(duì)橋面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.3 橋面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

整個(gè)施工過程共監(jiān)測(cè)了3個(gè)工況下橋面的變形情況，分別為張拉完2#輔助吊桿、張拉完5#輔助吊桿和張拉完全部輔助吊桿。以第3個(gè)工況為例，橋面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)累計(jì)變形見圖3(圖中S表示上游側(cè))。由圖3可知:完成全部輔助吊桿張拉及調(diào)整后，橋面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)累計(jì)變形控制在允許范圍內(nèi)，最大未超過6 mm，成橋后橋面線形符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 橋面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)累計(jì)變形

5 輔助吊桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)

在張拉各輔助吊桿階段，輔助吊桿與原吊桿的內(nèi)力將發(fā)生較大的變化，應(yīng)對(duì)輔助吊桿和原吊桿內(nèi)力進(jìn)行測(cè)試，若出現(xiàn)異常情況需及時(shí)處理。

5.1 測(cè)點(diǎn)布置

全橋共監(jiān)測(cè)45根輔助吊桿。每根吊桿布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中1個(gè)為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，另1個(gè)為溫度補(bǔ)償點(diǎn)。輔助吊桿編號(hào)原則:L，R分別表示岸側(cè)輔助吊桿及中跨側(cè)輔助吊桿，S，Z，X分別表示上游側(cè)、中側(cè)、下游側(cè)輔助吊桿，輔助吊桿內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

5.2 監(jiān)測(cè)方法

利用頻譜法計(jì)算輔助吊桿內(nèi)力。已知輔助吊桿長(zhǎng)度、兩端約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)，將高靈敏度的拾振器綁在輔助吊桿上，拾取輔助吊桿在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過濾波、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換和頻譜分析，即可測(cè)出其自振頻率。將各項(xiàng)參數(shù)代入下式可得輔助吊桿內(nèi)力。

式中:T為輔助吊桿內(nèi)力，N;W為單位桿長(zhǎng)的質(zhì)量，kg/m;L為輔助吊桿的計(jì)算長(zhǎng)度，m;fn為輔助吊桿的第n階自振頻率，Hz;g為重力加速度;F為輔助吊桿的自振基頻，Hz。

5.3 橋面內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)全橋輔助吊桿進(jìn)行了內(nèi)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的工況分別為張拉完2#輔助吊桿、張拉完5#輔助吊桿和張拉完全部輔助吊桿。以第3個(gè)工況中西山左側(cè)測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)比輔助吊桿內(nèi)力實(shí)測(cè)值和理論值，見表1。

圖4 輔助吊桿內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置

表1 全部輔助吊桿張拉完成后內(nèi)力對(duì)比kN

由表1可知:吊桿內(nèi)力實(shí)測(cè)值和理論值較吻合，差值絕大多數(shù)在-10～30 kN。由于受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，對(duì)個(gè)別實(shí)測(cè)內(nèi)力偏大的吊桿無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，但不影響結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控等手段，建立了全橋有限元模型，對(duì)加固過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行了有效地監(jiān)測(cè)、分析、計(jì)算和預(yù)測(cè)。施工過程中，輔助吊桿內(nèi)力得到了良好的控制，橋面變形在安全范圍內(nèi);施工完成后，橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2)完成全部輔助吊桿張拉后，橋面各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)累計(jì)變形控制在允許范圍內(nèi)，最大未超過6 mm;吊桿內(nèi)力實(shí)測(cè)值和理論值較吻合，差值絕大多數(shù)在-10～30 kN。

由于受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，對(duì)個(gè)別實(shí)測(cè)內(nèi)力偏大的吊桿無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，但不影響結(jié)構(gòu)安全。

3)輔助吊桿極大地分擔(dān)了主吊桿承受的拱腳水平推力，增加了橋梁在使用過程中的安全儲(chǔ)備。

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(責(zé)任審編鄭冰)

U448.22+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.03

1003-1995(2015)12-0012-03

2015-09-17;

2015-10-20

馮睿為(1990—)，男，碩士研究生。