跨扩建高速公路钢箱梁顶推施工监控与分析.pdf

现 代 交 通 技 术2024 年跨扩建高速公路钢箱梁顶推施工监控与分析吴志强(江苏省交通工程建设局,南京 210004)采用日期:2022 05 26第一作者:吴志强(1991),男,硕士,工程师,主要研究方向为桥梁与隧道工程。摘 要:以京沪高速公路淮安至江都段扩建工程为背景,某两跨连续钢箱梁桥采用“前端步履式顶推+后端一次吊装到位”的施工方案,对该施工方案进行详细介绍。通过建立有限元模型对施工过程进行数值分析,提出施工监控方案,并对监控实测数据与理论计算数据进行比对,研究显示钢导梁前端位移、测点应力和最终线形方面的理论值和实测值均较吻合,且相应值均在规定范围内。研究结果表明所提出的施工方案可行,研究成果可为类似工程提供参考。关键词:钢箱梁;步履式顶推;力学分析;施工监控中图分类号:U445.462 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2024)01 0064 04Monitoring and Analysis of Pushing Construction of Steel Box Girder across Expanded ExpresswayWU Zhiqiang(Jiangsu Provincial Transportation Engineering Construction Bureau,Nanjing 210004,China)Abstract:Taking the expansion project of Huaian-Jiangdu section of the Beijing-Shanghai Expressway as the background,a two span continuous steel box girder bridge adopts the construction method of“front-end walking jacking+rear end hoisting in place at one time”,introduces its construction scheme in detail,analyzes its construction process numerically by establishing a finite element model,and puts forward the construction monitoring scheme.The monitoring measured data are compared with the theoretical calculation data,it is found that the theoretical values of front-end displacement,measuring point stress and fi-nal alignment of steel guide beam are in good agreement with the measured values,and the values are within the specified val-ue range.The research results show that the construction scheme is feasible and can provide reference for similar projects.Key words:steel box girger;walking-type jacking and pushing;mechanical analysis;construction monitoring 桥梁顶推施工工艺因其不影响桥下交通等优点,被广泛应用于跨越高速公路等不中断交通的桥梁工程中1。与传统的跨高速公路拖拉式顶推施工工艺相比,步履式顶推施工工艺具有三向调节纠偏功能,同时具有施工速度快、临时结构安全性高、智能化程度高等特点,被广泛应用于跨高速公路的桥梁工程建设中2 4。国内学者对钢箱梁步履式顶推施工工艺进行了大量研究,朱利明等5分析宽幅钢箱梁步履式顶推中应力的变化规律,提出采用双参数控制阈值范围。贾红兵6依托工程项目对施工方案、施工工艺、监测控制方式进行研究,通过改进顶推设备确保钢箱梁顶推施工的安全性并确定最终线形。易翔等7研究不同顶推长度对最大位移、应力变化的影响,发现随着顶推长度的增加,最大位移和应力也增加。国内高速公路的扩建里程逐年增加,但涉及的钢箱梁步履式顶推施工研究不多8 10。本项目以京沪高速公路扩建工程为依托,通过对钢箱梁步履式顶推施工全过程的模拟、监控与分析,研究跨扩建高速公路钢箱梁顶推施工方案及关键控制技术。1 工程概况京沪高速公路淮安至江都段是国家高速公路网的重要组成部分,本项目全线由双向四车道扩建成双向八车道,其中新建的高邮南互通跨主线桥梁第 21 卷 第 1 期2024 年 2 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation Technology Vol.21 No.1Feb.2024第 1 期吴志强.跨扩建高速公路钢箱梁顶推施工监控与分析需要在保障主线通行的状态下进行施工,桥梁跨径为(525+235+525)m,第二联为 235 m 钢箱梁桥,顶板为正交异性板,板厚为 16 mm。除悬挑部分采用板式加劲肋外,其余均采用 U 形加劲肋,规格为280 mm300 mm,厚度为8 mm。边支座位置的底板厚为 12 mm,中支座的底板厚为 16 mm,采用 U 形加劲肋,规格为240 mm320 mm。腹板厚为14 mm,宽为 160 mm,采用 I 形水平加劲肋。桥梁横截面宽为 18.5 m,纵坡为 3.5%,桥梁重量为 643.6 t。2 总体方案2.1 施工方案及阶段划分在高速公路扩建施工中,为保障下方京沪高速公路主线正常通行,C 匝道钢箱梁施工采用步履式顶推施工工艺。因桥梁拆除、新建等施工工序需采用半幅通车的方式,新建高邮南互通跨主线桥梁左半幅封闭,并采用“前端步履式顶推+后端一次吊装到位”的施工方案,不仅可以减小顶推施工和前端导梁施工的重量,还可以更大限度地利用现场施工空间,采用小节段吊装的方式,确保现场吊装施工的安全。钢结构桥梁在纵向上按照顶推重量和吊装长度进行分块,分为 JD1 JD4;在横向上根据运输便利性及结构焊接难易程度进行桥梁分块,分为AG。所有分块在场内预拼装以确保施工精度,分块节段重量如表 1 所示。表 1 分块节段重量(t)分块编号节段 1节段 2节段 3节段 4A8.27.88.48.2B25.026.030.030.5C30.030.031.031.0D25.026.030.030.5E30.030.031.031.0F25.026.030.030.5G8.27.88.38.2 临时结构分为拼装支架和顶推受力支架,其中拼装支架 1 组(编号 ZJ1)、顶推受力支架 5 组(编号L1L5)。5 组顶推受力支架的上部各布置 2 台步履式顶推装置,每台装置可承重 400 t,共布置 10 台装置,从 5#桩侧过渡到 9#桩侧,临时墩纵向中心间距为(32+162+20)m,横向中心间距为 7.75 m,顶推施工过程中导梁选取 22 m,材料选用型号为Q235B 的钢材,临时支架及步履式千斤顶布置如图 1 所示。(a)临时支架(b)步履式千斤顶图 1 临时支架及步履式千斤顶布置(单位:mm)2.2 顶推工况在顶推支架上拼装钢箱梁前 3 个节段,与钢导梁焊接成体后准备顶推,顶推施工工况如 表 2所示。表 2 顶推施工工况工况编号施工内容1钢箱梁尾端离开拼装支架,前悬臂长为6 m,后悬臂长为 16 m2向前顶推 5 m,前悬臂长为 11 m,后悬臂长为 11 m3向前顶推 10 m,前悬臂长为 16 m,后悬臂长为 6 m4向前顶推 16 m,钢箱梁尾端即将离开临时墩 L4,前 悬 臂 长 为 22 m,后 悬 臂 长 为19.2 m5向前顶推 19 m,前悬臂长为 25 m,后悬臂长为 16.2 m6向前顶推 22 m,前悬臂长为 28 m,后悬臂长为 13.2 m7向前顶推 26 m,钢导梁前端即将到达临时墩 L1,前悬臂长为 32 m,后悬臂长为 9.2 m8向前顶推 30 m,前悬臂长为 1 m,后悬臂长为 5.2 m9向前顶推 35 m,前悬臂长为 6 m,钢箱梁尾部离开 7#墩10向前顶推 42 m,前悬臂长为 13 m,后悬臂长为 12 m11向前顶推 51 m,顶推施工完成56现 代 交 通 技 术2024 年 在顶推施工过程中,钢箱梁离开拼装支架和顶推支架后应及时拆除临时支架,为第一联箱梁吊装提供场地。顶推完成后,吊装最后 15.5 m 钢箱梁并进行连接,1#3#临时墩上各布置 2 台 400 t 落梁千斤顶(合计 6 台),准备落梁,接着拆除临时墩墩顶布置,安装支座,落梁到设计高程后进行后续工序施工。3 监控方案步履式顶推施工是一个复杂的过程,施工过程中受现场施工情况的制约,设计模型、材料性能、焊接质量、荷载和温度变化等的现场情况与理想状态存在差异,这些差异因素会导致施工过程中钢箱梁的竖向位移、应力变化、成桥线形、支架受力等偏离设计要求,影响施工安全、结构安全和行车条件等。为保证主线车辆通行安全,结合该桥的施工特点,对顶推施工过程进行仿真计算和监控,确保施工安全。3.1 计算模型为分析钢箱梁和钢导梁在顶推过程中的位移和应力分布,采用 Midas Civil 软件建立空间有限元模型并进行验算,建模思路和方法参考文献1112,本项目将研究对象离散为 316 个单元、248 个节点,模拟钢箱梁步履式顶推至设计位置的各施工工况,计算几何模型如图 2 所示。图 2 计算几何模型通过有限元模拟各工况下桥梁结构的稳定性和应力应变,结果如下。(1)各工况下稳定性分析:桥梁结构的最不利工况是导梁刚到达 L1 临时墩前,抗倾覆系数为 4,满足 公路钢结构桥梁设计规范(JTG D642015)的要求。(2)钢结构导梁的位移分析:随着导梁的顶推施工,在 设 置 临 时 墩 前 导 梁 位 移 达 到 最 大 值98.6 mm,钢结构的梁体前端位移为 25.8 mm,梁体后端位移为 46.2 mm,均处于安全范围内。(3)结构应力变化分析:根据各工况变化,设置 L1 临时墩前,钢导梁达到最大应力 88.6 MPa,导梁和钢结构连接面的最大应力为 42.6 MPa,均小于钢结构 216 MPa 的容许应力。3.2 监控测点布设为掌握施工阶段钢箱梁、钢导梁等构件的扰度变化情况和控制断面的应力状况,确保桥梁施工过程中结构的安全、稳定,同时验证有限元分析过程中的相应结果,可对施工全过程进行监测,采集各工况下的应力应变数据,并验证各项设计假定,检验设计的可靠性。根据钢箱梁顶推特点与理论计算结果,采用 JMZX 3001 型振弦式应变计进行应力监测,并采用水准仪观测各工况下应力测点的位移情况,最终对成桥数据进行监测。在上下弦杆及腹杆的控制截面顶底板表面,布设振弦式表面应变传感器(传感器均沿构件轴线方向布设),对其轴向应力进行 监 测。测 点 布 设 如图 3 所示。(a)位移测点(b)应力测点图 3 测点布设(单位:mm)4 结果分析对比监控数据与模型计算结果,分析各施工工况下的位移是否超出可控范围且应力是否安全,以便对后续顶推施工及时纠偏。4.1 位移数据分析钢导梁前端位移如图 4 所示,在顶推施工中,钢导梁前端测点的位移最大。由图 4 可知,顶推时各工况钢导梁位移的实测值与理论值基本吻合。钢导梁的最大位移工况为工况 7,即钢导梁设置L1 临时墩时,悬臂长度为 26 m,位移为 88.9 mm,与理论值误差为 8.7 mm,最大位移在可控范围内。在工况 8 时,钢导梁于钢箱梁尾部离开 7#墩,钢导梁有向上的位移,最大位移为 23.8 mm。图 4 钢导梁前端位移66第 1 期吴志强.跨扩建高速公路钢箱梁顶推施工监控与分析4.2 应力数据分析测点应力如图 5 所示,由图 5 可知,各工况下钢导梁和钢箱梁应力的实测值与理论值基本相符,施工状况与理论状况接近。(a)测点 1(b)测点 2(c)测点 4图 5 测点应力钢导梁上测点 1 位置的应力变化较大,随着顶推距离的增大,测点上下应力逐渐增大,钢导梁前端上墩后,工况 8 的钢箱梁后端悬臂长为 5.2 m,测点 1 达到应力最大值,实测应力为 80.1 MPa,远小于 216 MPa 的容许应力,强度满足公路钢结构桥梁设计规范(JTG D642015)的要求。钢箱梁上测点 2 和测点 3 的应力变化幅度均较小,最大应力仅为钢导梁最大应力的 1/4。钢箱梁上测点 3 在工况 1 离开拼装支架时,后悬臂长度为16 m,实测应力为 18.7 MPa,随着顶推施工,钢箱梁上测点 3 在工况 5 时达到最大悬臂状态,后悬臂长度为 16.2 m,最大应力出现在测点 3 下端,实测值为 20.6 MPa,强度满足要求。4.3 最终线形分析落梁后对全桥进行高程测量,最终线形如图 6 所示,由图 6 可知,钢箱梁成桥后的高程实测值与设计值基本吻合,最大误差为 9 mm,满足验收规范中对成桥高程的控制标准,表明该桥高程线形控制效果良好。图 6 最终线形5 结论通过对京沪高速公路某钢箱梁步履式顶推施工过程进行数值分析与实时监测,并对比分析施工过程中的实测值与理论值,得到以下结论。(1)钢导梁与钢箱梁在顶推施工过程中位移、应力的实测值与理论值基本吻合,实际施工状态与理论状态接近。(2)在顶推施工过程中,最大位移在钢导梁前端悬臂最大时,为 88.9 mm。最大应力为钢导梁根部位置,最大应力为 80.1 MPa,远小于容许值216 MPa,强度满足要求。(3)钢箱梁成桥后的高程实测值与设计值最大误差为 9 mm,满足规范设计要求,线形控制理想。(4)通过数值模拟和监测分析,钢箱梁采用“前端步履式顶推+后端一次吊装到位”的施工方案安全可靠,可为高速公路钢结构桥梁跨线施工提供参考。参考文献 1 赵人达,张双洋.桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势J.中国公路学报,2016,29(2):32 43.2 于海滨.高速公路砼箱梁步履式顶推过程受力与横向偏位测试J.公路工程,2019,44(1):198 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