连续梁桥顶升施工过程控制分析

徐 松,刘 聪

(1.南京工大桥隧与轨道交通研究院有限公司,江苏 南京 210031;2.江苏中基工程技术研究有限公司,江苏 南通 226003)

0 引 言

随着城市化进程的加快,城市人口及交通车辆日益增多,城市交通的拥堵压力也日益增大。为了解决交通问题,许多城市在既有道路的基础上进行城市快速路改造。许多原有高架桥梁很难满足城市交通需求,为了最大限度地利用原有桥梁,需要对桥梁进行顶升改造设计。桥梁顶升是一个动态过程,顶升的不同步会对梁体产生较大的附加应力,影响梁体安全。同时顶升过程中要对梁体采取相应的监测措施,设定相应的预警值,以便将监测数据反馈给加载顶升过程,通过对偏差分析、预测,对顶升过程进行实时调整,以此保证顶升施工质量和桥梁结构安全[1-5]。

1 工程概况

徐州市三环南路快速化改造工程是在现状三环南路的基础上,按城市快速路标准进行改造。本次顶升改造工程为四标段主线终点的两联现状三环东路高架桥,采用顶升施工工艺,保持预应力混凝土连续梁的结构形式,顶升改造桥梁每联均为三跨,单跨跨径均为29 m,跨径组合为3×29 m+3×29 m。桥面宽度为25 m,标准底板宽度15.328 m,翼缘板悬臂3.68 m,箱梁高度2.0 m。

2 顶升施工流程

本次顶升改造针对两联三跨预应力混凝土连续梁采用整体等比例同步调坡顶升,即通过PLC电脑同步控制系统控制各点,采用角速度一致等比例顶升的方法整体顶升箱梁上部结构来实现抬高桥梁标高,改造后立面图如图1所示。桥梁顶升改造施工作业顺序如下。

图1 连续梁桥顶升改造后立面图(单位:cm)

(1)卸除Pm123桥台台后填土,拆除伸缩缝,铣刨Pm123～Pm129两联连续梁的桥面铺装,并拆除桥面护栏。

(2)施工抱柱梁,Pm123墩新增桩基、新建承台,改造Pm123端横梁。设置临时支撑,布设千斤顶,同斜率顶升1、2联预应力混凝土连续梁。

(3)根据最新桥墩布置与桥面设计标高,将Pm123桥台改建为边墩桥墩,接高Pm124～Pm128立柱,重新调平梁底垫块。

(4)安装支座,将两联预应力混凝土连续梁同步回落至最新墩顶位置,支座灌注座浆密贴并达到设计强度,张拉Pm123横梁钢束。

(5)同步释放千斤顶油压,拆除临时支撑,施工混凝土铺装层拟合道路竖曲线,重新浇筑护栏,摊铺并碾压桥面沥青混合料,成桥。

3 顶升施工计算分析

采用midas Civil有限元软件,对桥梁施工顶升过程进行仿真计算分析,计算内容考虑当初施工过程(结构自重、预应力、二期恒载、十年收缩徐变)、当前顶升准备工作和各墩顶升高差效应,计算各墩顶升差异引起的主梁结构应力分布状况等,为桥梁顶升施工控制提供合理的依据。

3.1 结构计算参数

桥梁结构计算参数及指标如表1、表2所示。

表1 材料基本参数

表2 材料性能指标

3.2 结构计算模型

采用midas Civil有限元软件建立计算分析模型,主梁采用空间梁单元模拟,考虑桥梁当初施工过程以及顶升改造过程,即支架浇筑梁体混凝土、张拉梁体预应力、拆除主梁支架、施工二期恒载、收缩徐变早桥面附属设施的拆除(铣刨沥青桥面铺装及3.5 cm混凝土铺装层、拆除护栏),以及顶升过程中不均匀顶升位移。全桥有限元空间计算模型如图2所示。

图2 桥梁结构有限元计算模型

3.3 计算分析结果

首先计算分析顶升准备阶段,即桥面附属设施拆除(铣刨沥青桥面铺装及3.5 cm混凝土铺装层、拆除护栏)后的梁体结构上、下缘应力作为顶升前的初始状态,在此基础上,叠加不均匀顶升位移差产生的梁体附加应力,以主梁混凝土材料容许拉应力为控制指标,计算得出顶升过程中容许的顶升位移差。

(1)顶升前初始状态。

铣刨桥面沥青铺装层及3.5 cm混凝土现浇层、拆除护栏后结构上、下缘的应力状态如图3所示。

图3 初始状态梁体上下缘应力

由图3可知,顶升前初始状态梁体上缘应力范围为-5.37～0 MPa,梁体下缘应力范围为-5.94～0 MPa,梁体全断面受压。

(2)支点纵向不均匀顶升。

使用midas Civil软件,考虑所有可能的组合,计算分析顶升过程中梁体纵桥向不均匀顶升差值为10 mm、4 mm时,结构上、下缘的应力变化范围,结果如图4、图5所示。

图4 不均匀顶升差10 mm引起的上下缘应力增量包络图

图5 不均匀顶升差4 mm引起的上下缘应力增量包络图

由图4可知,纵向不均匀顶升差值10 mm,引起梁体上缘正应力的变化范围为-1.08～1.08 MPa,引起梁体下缘正应力的变化范围为-1.70～1.70 MPa。由图5可知,纵向不均匀顶升差值4 mm,引起梁体上缘正应力的变化范围为-0.43～0.43 MPa,引起梁体下缘正应力的变化范围为-0.68～0.68 MPa。

(3)支点纵向不均匀顶升累加应力。

在顶升前初始状态基础上,叠加梁体纵向不均匀顶升位移差10 mm、4 mm时产生的梁体附加应力,得到相应的累加应力范围,计算结果如图6、图7所示。

图6 不均匀顶升差10 mm引起的上缘累加应力包络图

图7 不均匀顶升差4 mm引起的上缘累加应力包络图

由图6可知,纵向不均匀顶升差值10 mm,引起梁体上缘累加正应力的范围为-6.33～0 MPa,引起梁体下缘累加正应力的范围为-7.27～0.02 MPa,即在边跨距离中墩中心线约2.75 m处主梁下缘可能会出现0.02 MPa的拉应力值,但远小于混凝土抗拉强度设计值的限值1.83 MPa,不会开裂。由图7可知,纵向不均匀顶升差值4 mm,引起梁体上缘累加正应力的范围为-5.75～0 MPa,引起梁体下缘累加正应力的范围为-6.47～0 MPa,梁体各截面上、下缘均未出现拉应力,不会开裂。因此,顶升过程中,梁体单次顶升允许偏差参考值可按4 mm控制,梁体累计顶升允许偏差参考值可按10 mm控制。

4 顶升过程中的监测措施

连续梁桥顶升是一个动态过程,随着上部结构的顶升,顶升支承点的相对变化会对主梁结构产生附加应力。为了确保顶升过程中主梁结构的安全,要设置一整套监测系统,将姿态数据适时反馈给施工加载过程,以便及时、主动地采取措施降低或消除不利因素的影响。

4.1 变形监测

多个桥墩、桥台上的千斤顶顶升不同步的情况将导致上部结构产生次内力,类似于墩柱不均匀沉降,引起主梁内力显著变化,如果在受拉区引起过大的拉应力,将造成主梁开裂。为保证所有千斤顶顶升位移同步进行,应协同施工单位采用顶升控制设备PLC系统,并布置位移监控装置相互校核,实施动态的反馈与调整。

顶升位置处的梁体竖向位移可采用拉线式位移计监测,顶升位置处的梁体横向、纵向位移可通过布置棱镜、全站仪进行监测。顶升过程中主梁的位移测量主要包括如下几方面。

(1)单次顶升过程中,垂直顶升位移量的测量(测量时机:预顶升、循环顶升过程,动态监测)。

(2)循环顶升过程中,上部受顶结构总的顶升高程(测量时机:预顶升、循环顶升过程,动态监测)。

(3)对总的顶升位移测量(测量时机:逐级评估同步顶升施工质量,以顶升总高程为准,分别对顶升高度达到总高程约25%、50%、75%及100%时的全桥结构进行检测、控制)。

4.2 应力监测

主梁应力敏感区域为墩顶附近以及各桥跨跨中区域,墩顶位置处的顶底板应力状态可能存在交替变化的情况,即主梁截面上拉下压或上压下拉的受力状态会因顶升位移相对高差的变化而变化,应布置相应的应力监测断面进行应力监测,同时对支撑顶升的钢管也布置应力传感器进行监测。测量时机:预顶升、循环顶升过程,动态监测。

4.3 基础沉降监测

以桥台处原承台顶面为顶升基础,在承台顶面通过植入螺栓连接钢支撑,建立支撑体系,承担上部荷载。顶升过程中会对基础产生扰动,需对地基基础的沉降进行观测。测点应采用固定的测量钉,通过固定的后视观测点连续监测。测量时机:预顶升、循环顶升过程,动态监测。

4.4 裂缝监测

在梁体顶升前后以及整个顶升施工过程中,采用人工观测方式对原检测报告中已发现的受力裂缝进行观察,及时跟踪裂缝发展情况。对顶升过程中出现的明显裂缝及原有已处理的裂缝是否会扩展进行重点观测。重点关注应力变化值最大断面处在顶升过程中是否产生裂缝。

4.5 监测预警值

参照相关规范[6-7],并结合计算分析,在顶升过程中对桥面标高、横向水平位移、纵向水平位移、单点不均匀垂直偏差、桥面同一横轴线相对顶升高差等进行监测,当达到表3中的控制参考值时,应及时采取相关有效措施进行纠偏。

表3 顶升过程控制参考值

5 结 论

随着城市快速路的改造加快,许多高架桥通过顶升改造,可以很好地被重新利用起来,避免拆除重建造成资源浪费及环境污染。依托徐州市三环东路高架桥顶升改造工程,介绍该桥的顶升施工过程,对桥梁顶升施工控制进行了分析,主要结论如下。

(1)为避免顶升过程中的不同步引起梁体较大的附加应力,针对本项目两联三跨预应力混凝土连续梁实际,采用PLC电脑同步控制系统控制各点,采用角速度一致等比例顶升的方法整体顶升箱梁上部结构来实现抬高桥梁标高。

(2)通过事前仿真计算,可以分析顶升过程中顶升位移差对梁体内力的影响,为了确保梁体安全,可计算得出顶升位移差的控制值,并以此作为顶升施工控制依据。

(3)对顶升过程中的桥梁进行变形、应力、基础沉降、裂缝等监测,并制定相应的监测预警值,通过监测反馈至顶升加载过程,如出现异常可及时采取措施,以确保桥梁结构顶升施工安全。