黃耀東

(中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司 上海 200070)

1 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來越多的城市立交橋及高速公路的跨線橋采用了鋼-混疊合梁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠增大跨越能力，解決橋下凈空不足的問題，且施工時不用滿堂支架，能最大程度地減少施工對交通的影響[1-3]。

鋼-混凝土疊合梁是由鋼結(jié)構(gòu)通過剪力釘與混凝土共同作用所形成的組合結(jié)構(gòu)，能夠充分利用鋼材良好的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，從而使兩種不同性能的材料得到合理利用。鋼-混凝土疊合梁的施工通常設(shè)置臨時支撐架設(shè)鋼梁后，吊裝混凝土橋面板，澆筑混凝土濕接縫，并通過體系轉(zhuǎn)換以使得組合結(jié)構(gòu)共同受力，結(jié)構(gòu)內(nèi)力在組合結(jié)構(gòu)形成過程中不斷變化和分配[4-6]。若組合結(jié)構(gòu)未完全形成前臨時支撐失效將導(dǎo)致混凝土和鋼梁自重均由鋼梁承擔(dān)而非組合結(jié)構(gòu)共同受力，從而使鋼梁受力過大，偏離設(shè)計值[7-8]。

為解決這一問題，本文結(jié)合工程實(shí)例，針對某項目50 m鋼-混疊合梁臨時支撐失效后采取二次支撐和頂升的體系轉(zhuǎn)換方式，并結(jié)合應(yīng)力和位移監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測體系轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)力和位移的變化，為施工過程提供技術(shù)支撐。

2 工程概況

本工程為50 m鋼混疊合梁橋，橋?qū)?0 m，單箱兩室斷面，橋面橫坡3.82% ～5%。橋梁中心線部分位于緩和曲線上，部分位于圓曲線上，圓曲線半徑125 m。中心線梁高2.7 m，混凝土橋面板腹板位置厚0.45 m，頂板中間位置厚0.25 m。鋼梁頂板厚30 mm、底板厚20 mm、腹板厚16 mm。橋梁典型斷面如圖1所示。

本橋采用支架吊裝的施工方法，其施工順序如下:(1)下部基礎(chǔ)施工，搭設(shè)臨時墩；(2)在24～25號墩之間的臨時支架上吊裝鋼箱梁梁段，調(diào)整各梁段之間的相對線形，達(dá)到設(shè)計要求后，進(jìn)行各相鄰梁段間接縫的焊接；(3)吊裝橋面板至相應(yīng)位置；(4)焊接橋面剪力釘；(5)澆筑縱向濕接縫及剪力釘槽口，再澆筑橫向濕接縫；(6)拆除所有臨時支架后施工橋面鋪裝及防撞護(hù)欄，直至完成全橋工程。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)斷面布置(單位:mm)

該橋施工過程中，橋面縱向、橫向濕接縫均已澆筑，在澆筑剪力釘槽口混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn)臨時支架支承均已失效，使得橋面板的自重僅有槽型鋼梁承擔(dān)，鋼箱梁的應(yīng)力和變形超出了設(shè)計值。經(jīng)分析研究后采取以下處置方案:拆除已澆筑的濕接縫來解除鋼與混凝土的聯(lián)系，再對臨時支撐位置進(jìn)行重新支撐和頂升使鋼箱梁復(fù)位，進(jìn)而使鋼箱梁應(yīng)力恢復(fù)，再重新澆筑濕接縫及剪力釘槽口成橋，使得鋼箱梁和橋面板共同承擔(dān)恒載和活載[9]。鋼箱梁二次支撐和頂升方案平面布置如圖2所示。小里程樁號的臨時支撐最大頂推力為1 320 kN；大里程樁號的臨時支撐最大頂推力為1 525 kN。頂升過程中共分五級進(jìn)行，分別為最大頂推力的0%、20%、40%、60%、80%、100%的荷載值。

為了深入了解重新支承臨時支架、橋面濕接縫拆除及頂升過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形情況，分析鋼箱梁應(yīng)力釋放情況，保證結(jié)構(gòu)安全，通過在關(guān)鍵截面埋設(shè)傳感器，采用配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對鋼箱梁的應(yīng)力及變形進(jìn)行監(jiān)測，掌握鋼箱梁的應(yīng)力分布變化[10]，以便為施工過程提供技術(shù)支撐。

圖2 臨時支撐處回頂力布置示意

3 監(jiān)測方案

3.1 變形監(jiān)測

選擇50 m跨疊合梁的跨中截面、臨時支承截面、支點(diǎn)截面作為變形監(jiān)測控制截面，如圖3所示。每個截面在梁底兩側(cè)腹板各布設(shè)1個變形觀測點(diǎn)，其中跨中截面外弧側(cè)翼板底緣增設(shè)一個變形測點(diǎn)。控制截面測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 變形監(jiān)測控制截面位置示意圖

圖4 跨中截面測點(diǎn)布置示意圖

3.2 應(yīng)力監(jiān)測

根據(jù)鋼混結(jié)合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工現(xiàn)狀，選擇50 m跨的臨時支撐截面、跨中截面(B)及近支點(diǎn)截面(距支點(diǎn)截面1.5 m處)位置作為鋼箱梁應(yīng)力監(jiān)測控制截面。各測點(diǎn)應(yīng)變采用長沙金碼振弦式應(yīng)變傳感器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

4 計算模型

為分析拆除濕接縫、重新支撐和頂升過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的變化及重新分配情況，采用橋梁專業(yè)有限元軟件Midas Civil 2015對施工全過程進(jìn)行模擬分析。計算模型采用板單元模擬鋼箱梁，采用梁單元模擬混凝土橋面板，并基于結(jié)構(gòu)實(shí)際所處狀態(tài)對橋梁進(jìn)行施工仿真分析。根據(jù)現(xiàn)場濕接縫及剪力釘槽口混凝土鑿除情況，考慮濕接縫及剪力釘槽口混凝土鑿除后的結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，分別建立非組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)下(鋼箱梁與橋面板完全分離)和組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)下(鋼箱梁與橋面板形成組合結(jié)構(gòu))兩種鋼箱梁頂升模型，并計算在施加頂升力荷載作用下，將模型得出的理論值與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。非組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)下和組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)下兩種鋼箱梁頂升計算模型如圖5～圖6所示。

圖5 非組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)頂升荷載作用下有限元模型

圖6 組合結(jié)構(gòu)狀態(tài)計算模型

5 監(jiān)測結(jié)果與分析

現(xiàn)場頂升過程持續(xù)兩天，將各級荷載工況統(tǒng)一編號，并與加載及卸載荷載等級相對應(yīng)，編號如下:(1)加載第1級(0～20%)；(2)加載第2級(20% ～40%)；(3)加載第3級(40% ～60%)；(4)加載第4級(60% ～80%)；(5)加載第5級(80% ～100%)；(6)加載第5級(100%持荷過程中應(yīng)力突變)；(7)卸載至 80%；(8)加載(80% ～100%)；(9)卸載(100% ～60%)；(10)卸載(60% ～20%)；(11)加載(20% ～60%)；(12)加載(60% ～100%)；(13)繼續(xù)鑿除局部濕接縫。在頂升作業(yè)過程中，對頂升加載及卸載過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并將實(shí)測值與理論計算值進(jìn)行對比分析。

5.1 變形監(jiān)測結(jié)果與分析

各控制截面測點(diǎn)采用高精度全站儀和棱鏡測試變形值，記錄每級荷載下各截面主梁變形。限于篇幅，僅繪制在整個頂升過程中，跨中截面和臨時支撐截面在頂升荷載作用下的變形曲線，如圖7～圖8所示。

由圖7～圖8可知，各控制截面的撓度在荷載作用下基本表現(xiàn)為線性增長，而卸載后重新加載至100%加載控制值，載荷變形的斜率雖有增大趨勢，但仍然保持線性增長。由此表明各級荷載下橋梁結(jié)構(gòu)均處于彈性工作狀況。卸載后重新加載至100%加載控制值，主梁變形斜率有所增長，同一等級荷載下的變形值也有增長，表明在最不利頂升荷載作用下，混凝土橋面板結(jié)構(gòu)和鋼箱梁之間的組合聯(lián)系被進(jìn)一步削弱。

圖7 跨中截面變形曲線

圖8 臨時支撐截面變形曲線

5.2 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與分析

為了了解頂升過程中鋼箱梁應(yīng)變變化規(guī)律，選擇了部分截面典型測點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行應(yīng)力與荷載曲線的分析，其中臨時支撐截面測點(diǎn)在頂升荷載作用下的應(yīng)力變化情況如圖9所示。

圖9 臨時支撐截面應(yīng)力變化曲線

由圖9可知，控制截面關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力在頂升荷載作用下，基本表現(xiàn)為線性增長。但在100%控制荷載持荷過程中，控制截面應(yīng)力均發(fā)生了突變，分析原因?yàn)殇撓淞汉突炷翗蛎姘逯g連接發(fā)生了滑移，鋼梁與混凝土板之間的組合連接進(jìn)一步削弱，鋼箱梁各區(qū)域應(yīng)力重新分布。鋼箱梁和混凝土板發(fā)生滑移之后，在加載和卸載過程中，各測點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)匀换颈３志€性變化，表明各級荷載下橋梁結(jié)構(gòu)基本均處于彈性工作狀況。

5.3 實(shí)測值與理論值對比分析

將各控制截面的實(shí)測值與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，并計算實(shí)測值與理論值(理想的非組合結(jié)構(gòu)頂升模型分析結(jié)果)的比值，其中關(guān)鍵測點(diǎn)撓度及應(yīng)力對比見表1、表2，變形對比曲線見圖10。

表1 主梁跨中截面變形實(shí)測值與理論值對比分析

表2 主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力實(shí)測值與理論值對比分析

圖10 跨中外弧變形對比曲線

由圖表分析可知，各級荷載下主梁的撓度(應(yīng)力)實(shí)測曲線與理論曲線在形狀上基本相似，表明各主要測點(diǎn)實(shí)測撓度(應(yīng)力)隨加載過程的變化規(guī)律與理論計算結(jié)果基本一致。但由于橋面板與鋼箱梁結(jié)構(gòu)之間仍存在剛性連接，實(shí)際的剛度在完全自由和完全組合之間，導(dǎo)致鋼箱梁的實(shí)測值與理想非組合結(jié)構(gòu)模型的理論值存在偏差。

另外，根據(jù)各控制截面外側(cè)、中及內(nèi)腹板應(yīng)力和撓度的實(shí)測值及理論值比較可知，實(shí)測內(nèi)外側(cè)測點(diǎn)的應(yīng)力和變形橫向分布較均勻，這與理論計算值存在一定的差異。受橋面板約束影響，開口鋼箱梁的實(shí)際應(yīng)力橫向分配較均勻，傳遞能力較好，這對鋼箱梁的受力有利。

6 結(jié)束語

(1)頂升各級荷載作用下，鋼箱梁的撓度變形和應(yīng)力基本表現(xiàn)為線性變化，表明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

(2)頂升荷載作用下，鋼箱梁實(shí)測內(nèi)外側(cè)測點(diǎn)的應(yīng)力橫向分布較均勻，表明受橋面板約束影響，鋼箱梁的扭轉(zhuǎn)剛度和整體受力性能均較好。

(3)最大頂升荷載作用下，控制截面應(yīng)力監(jiān)測值/理論值在0.58～0.94之間，表明在頂升荷載作用下，監(jiān)測區(qū)域的鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到明顯釋放。

(4)最大頂升荷載作用下，跨中鋼箱梁內(nèi)外側(cè)分別產(chǎn)生了78.47 mm、100.09 mm向上的撓度變形，均小于理想非組合結(jié)構(gòu)理論撓度值。

(5)通過對鋼混疊合梁重新支撐和頂升施工的體系轉(zhuǎn)換方式，橋面板約束釋放完全區(qū)域鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到恢復(fù)，頂升施工達(dá)到預(yù)期效果。