邻近铁路钢-混混合梁转体施工监控及受力性能分析.pdf

国防交通工程与技术 年 月 卷期收稿日期:作者简介:罗利(),女,工程师,主要从事工程项目管理工作.邻近铁路钢混混合梁转体施工监控及受力性能分析罗利(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北 唐山 )摘要:为保证钢混混合梁转体施工过程中桥梁结构的安全与稳定性,以邢台市龙泉大街邻近铁路钢混混合梁转体桥梁为背景,采用数值模拟计算与实桥现场测试相结合的方法,开展对邻近铁路钢混混合梁转体施工监控.研究结果表明:在转体施工全过程中主梁整体受力性能良好,但在拆架后转体施工阶段混凝土顶板出现了 MP a的拉应力,表明拆架后转体施工阶段是施工全过程中最不利的施工阶段;该桥在施工过程中结构关键部位应力、线形的实测数据与数值模拟计算数据基本一致,且实测梁端横、竖向振幅与加速度分别未超过mm、ms,梁端振动响应在可控范围内,充分说明了该施工方案的适用性与合理性.关键词:钢混混合梁;水平转体;施工监控;受力分析D O I:/j g j g y a t 中图分类号:U ;U 文献标识码:B文章编号:()随着我国基础设施建设的不断发展,桥梁转体施工技术已经成为跨线桥施工中主要首选方案之一.而大跨度钢混混合梁转体结构相比于预应力混凝土梁转体结构,虽然具有跨越能力强、转体质量小等优点,但是其整体受力复杂、稳定性差;特别是对于邻近铁路线施工的钢混混合梁转体桥,列车诱发振动可能会对转体结构的稳定性产生影响,因此对于邻近铁路施工的钢混混合梁转体进行施工监控以及施工全过程受力分析是非常有必要的.国内外学者已经对桥梁施工监控技术以及施工受力分析取得了一些成果 ,但缺乏针对邻近铁路钢混混合梁转体施工监控及受力性能分析的研究,本文结合工程实例开展具体分析.工程概况邢台市龙泉大街钢混混合梁连续刚构桥跨越三线并行繁忙铁路以及市政道路,采用平转法进行施工,逆时针转动 .该桥主桥面宽 m,总跨度为 m.在转体时其结构形式为 m大悬臂T构,桥墩中心两侧主梁预应力混凝土段长度为 m,钢混结合段长度为 m,转体结构主梁钢箱梁段长度为 m,合龙段钢箱梁长度为m,桥梁跨既有铁路线一侧结构如图所示.该桥主梁材料为C 混凝土以及Q q E NH钢材,桥墩和承台混凝土设计强度等级为C ,钻孔桩选用强度等级为C 的水下混凝土.5.0031.756.2517.006?7?3?图/跨线桥纵立面结构(单位:m)施工全过程受力分析建立有限元模型通过利用M i d a s/F E A建立全桥三维有限元模型,如图所示,其中实体单元采用 D单元,板单元采用 D单元,钢筋单元采用 D单元,建模时保证混凝土单元与钢筋单元节点耦合.钢混结合段模拟利用M i d a s/F E A软件的网格析取功能从混合段混凝土 D实体单元中析取混合段钢梁顶底板、腹板、承压板等 D单元,混凝土与钢梁的连接方式采用共用节点方式并设置界面单元模拟钢板与混凝土的粘结滑移.材料仅考虑施工阶段的弹性本构关系,且纵、横向预应力钢筋为低松弛预应力钢绞线,竖向预应力钢筋为螺纹预应力钢筋.荷载条件考虑自重、防撞护栏、二期恒载以及三向预应力,边界条件考虑承台底面固结、临时支架约束以及成桥支座约束.在转体施工过程中不同的施工阶段代表不同的工况,具体工况划分:C S,混凝土段施工完成且 实例A n a l y s i so fP r a c t i c a l E x a m p l e s分析国防交通工程与技术 年 月 卷期张拉三向预应力钢筋后;C S,钢混结合段以及钢箱梁段施工完成;C S,拆除支架转体结构处于大悬臂阶段;C S,张拉剩余顶板束、合龙段施工、二期桥面铺装.图全桥三维有限元模型结果分析预应力混凝土段、钢混结合段为主梁的受力薄弱部位应作重点分析,且主梁主要传递顺桥向的轴力,也应着重对构件顺桥向应力进行分析.鉴于有限元模型横桥向、顺桥向均为对称结构,故取/模型对其主梁顺桥向应力进行分析.不同工况不同类型梁应力变化见图图.02468100510152025?/MPa?/mCS1；CS2；CS3；CS4。?：0510152025?/m?/MPa86420CS1；CS2；CS3；CS4。?：(a)?(b)?图混凝土段顶板、底板顺桥向应力均值变化曲线由图、图可知,在施工全过程中混凝土段受力性能良好,仅在拆架后转体施工阶段混凝土顶板出现了 MP a的拉应力,而钢混结合段由于与混凝土段受力体系有所差异,在C S、C S 段钢混结合段截面既受拉又受压,但是二者应力值均满足 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 要求(C 混凝土轴心抗拉、抗压强度设计值分别为 MP a、MP a);在C S、C S 施工阶段混凝土段、钢混结合段主梁由于支架托载及预应力体系?/MPa202401234?/mCS1；CS2；CS3；CS4。?：?/MPa0246801234?/mCS1；CS2；CS3；?：CS4。(a)?(b)?图钢混结合段顶板、底板顺桥向应力均值变化曲线的作用,顶板压应力均大于底板压应力,且顶板、底板应力混凝土段大于钢混结合段;混凝土段顶板、底板应力均值范围分别为 M P a、MP a;拆架后施工C S 阶段主梁处于大悬臂状态,在其自身重力作用下二者顶板压应力相比较在C S、C S 施工阶段分别减小约 、,而底板压应力均值大幅增大;在合龙施工C S 阶段桥梁结构体系由悬臂梁转变为连续梁,中支点附近主梁所承受的负弯矩将会大幅减小,所以此时混凝土段、钢混结合段主梁顶板、底板压应力值均大于C S 阶段的应力均值.由图可知,在C S C S 四个阶段中钢混结合段顶、底板钢梁顺桥向应力均值变化范围分别为 MP a、MP a,应力均值满足 公路钢结构桥梁设计规范 中厚度为 mm的Q 钢材抗拉、抗压强度设计值 MP a的要求.在拆架后C S 阶段结构转变为大悬臂状态时顶板、底板应力均有较大幅度变化,为保证施工安全应在此施工阶段重点对钢混结合段顶、底板处钢梁进行应力监控,另外在C S、C S、C S 阶段顶板应力均值曲线变化趋势基本一致.由图可知,由于支架托载的作用,在C S 阶段钢箱梁顶板、底板受力相对较小,应力分别维持在 MP a、MP a;由C S 阶段至C S 阶段,结构体系发生变化,顶板、底板应力大幅度增大,且随着距墩中心距离的增大而减小;实例分析邻近铁路钢混混合梁转体施工监控及受力性能分析罗利国防交通工程与技术 年 月 卷期2010010?/MPa203001234?/mCS1；CS2；CS3；CS4。?：?/MPa01020304001?/m234CS1；CS2；CS3；CS4。?：(a)?(b)?图 钢混结合段顶、底板钢梁顺桥向应力均值变化曲线12090603002030405060?/m?/MPaCS2；CS3；CS4。?：0306090120?/MPa2030405060?/mCS2；CS3；CS4。?：(a)?(b)?图钢箱梁段顶板、底板中线处顺桥向应力变化曲线通过比较C S 与C S 两阶段应力变化可以发现,桥梁合龙后梁端应力增大,距墩中心最近钢箱梁截面处应力亦有所增大.综上可知,在转体桥梁施工全过程中,混凝土应力最大变化范围为 MP a,钢材应力最大变化范围为 MP a,二者受力均满足 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 与 公路钢结构桥梁设计规范 中C 混凝土与Q 钢材的设计强度要求.施工过程监测监控方案及测点布置应力测试采用振弦式应变仪,分别布置在主梁关于墩中心对称的个截面,其中混凝土箱梁截面顶板、底板各布置个测点,钢箱梁截面顶板、底板各布置个测点.线形监测采用数字水准仪测试,其测点分别布置在主梁关于墩中心对称的 个截面,且处于截面顶板中心位置.结构振动响应采用拾振器测试,测点布置在梁端截面顶板中心位置.测点具体布置位置见图、图.15 15 123312 15 15112233445566778899(a)?(b)?(c)?：?；?。(d)?-?图应力测点布置(单位:m)4.911 511 54.911223344 55 6677889910101212141416161818202022222424图线形测试截面纵向布置(单位:m)应力结果分析通过对应力监测数据的分析发现,实测应力值均满足 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 与 公路钢结构桥梁设计规范 中C 混凝土与Q 钢材的设计强度要求.因此本文选取大悬臂状态下(C S 阶段)主梁典型截面进行应力均值实测值与理论值对比分析,并对该阶段钢混结合段中混凝土与钢梁纵桥向受力情况进行分析,图为主 实例分析邻近铁路钢混混合梁转体施工监控及受力性能分析罗利国防交通工程与技术 年 月 卷期梁各部分典型截面应力均值实测值与理论值对比,图 为钢混结合段各测点顺桥向应力值实测值与理论值对比,其中拉应力为正值,压应力为负值.6040200204060?/MPa?：?；?。?-?-?图主梁典型截面应力平均值1296303691212345?/MPa?；?；?；?；?；?；?；?。?：图 钢混结合段各测点顺桥向应力值从图、图 中可以看出,主梁典型截面应力理论均值与实测均值误差均维持在 以内,且钢混结合段混凝土与钢梁顺桥向应力的理论值与实测值基本吻合,应力变化趋势一致,结构受力状况良好,应力值均满足 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 与 公路钢结构桥梁设计规范 中C 混凝土与Q 钢材的设计强度要求,进一步有效验证了数值计算模型的合理性.线形结果分析在拆架后对主梁各关键截面竖向位移进行测试,从而得到了主梁线形变化曲线,而后在桥梁合龙后通过测试得到关键截面竖向位移值,计算得到了各关键截面顶板中心线高程变化曲线.图 为主梁各截面线形结果曲线,图 为主梁合龙后桥面高程曲线.0.000.050.100.150.200.250.300.35?/cm60202060?/m?；?。?：图 主梁各截面线形结果曲线?；?。?：?/m87.1?/m2087.086.986.886.786.686.586.486.30406080 100 120图 主梁合龙后桥面高程曲线从图 中可以看出,主梁在拆架后实测线形曲线与理论线形曲线北侧误差较南侧偏大,但是北侧主梁关键截面竖向位移值最大仅为mm,最大误差值保持在mm以下,整体误差较小;从图 中可以看出,主梁在合龙后实测高程与理论高程误差最大值为 c m,其误差仅为 ,整体误差偏小.由上述线形与高程对比分析可知,在转体施工过程中主梁刚体线形实测值与设计及理论计算值基本一致,结构线形控制较好.梁端振动响应分析为确保转体施工安全稳定地进行,需要对转体过程中结构振动响应进行全过程实时监测.通过在主梁两侧悬臂梁端顶板中心处分别布设拾振器,完成梁端横、竖向振动响应测试.表为梁端横、竖向振幅与加速度监测结果范围统计.表监测结果范围梁端竖向振幅/mm南侧北侧梁端横向振幅/mm南侧北侧梁端竖向加速度/(m/s)南侧北侧梁端横向加速度/(m/s)南侧北侧 由表可知,从整体来看北侧梁端实测振幅与加速度比南侧偏大,主要原因可能是随着桥梁转体的进行,撑脚与滑道发生接触,桥梁支撑体系发生了改变,从而引起梁体振动的激励源以及环境振动的 实例分析邻近铁路钢混混合梁转体施工监控及受力性能分析罗利国防交通工程与技术 年 月 卷期传递路径发生了改变.从梁端振动响应参数值变化范围来看,横、竖向振幅最大值均小于mm,横、竖向加速度最大值均小于 ms,振动响应大小均在可控范围内,进一步说明在转体过程中桥梁结构较稳定并且没有出现较大程度的震颤现象.结论()通过对桥梁转体的各个施工阶段进行仿真分析可知,主梁混凝土段在施工全过程中受力性能良好,而钢混结合段处混凝土仅在拆架后顶板受拉,其余施工过程中均受压,且主梁中混凝土应力基本维持在 MP a范围内,满足规范要求;钢箱梁段在施工全过程中钢材应力基本维持在 MP a范围内,同样满足文中相关设计及规范要求.()对桥梁结构关键部位应力、线形进行对比分析,实际监控数据与理论计算数据基本吻合,且各监控参数值满足要求.在转体过程中对悬臂梁端振动响应进行监测,振幅与加速度值都在可控范围内,桥梁结构没有出现较大程度的震颤,进一步有效验证了监控方案的合理性.参考文献 魏庆预应力混凝土转体T形刚构桥施工监控J铁道工程学报,():王振东客运专线预应力混凝土大跨连续梁转体施工监控J铁道建筑,():彭沉彬,张志,胡江南,等不等跨钢混混合连续梁转体施工监控分析J市政技术,():孙艳鹏,史健,周乐平,等基于自动无线监测系统的斜拉桥转体施工监控J公路,():常兆峰特大跨高铁梁拱组合桥竖转过程结构受力分析与安全控制J国防交通工程与技术,():,C o n s t r u c t i o nM o n i t o r i n ga n dM e c h a n i c a lP e r f o r m a n c eA n a l y s i so fA d j a c e n tR a i l w a yS t e e l C o n c r e t eH y b r i dB e a mR o t a t i o nL U O L i(C h i n aR a i l w a y t hB u r e a uG r o u pN o E n g i n e e r i n gC o,L t d,T a n g s h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe n s u r e t h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo f t h eb r i d g es t r u c t u r ed u r i n gt h es w i v e l c o n s t r u c t i o no f t h es t e e l c o n c r e t eh y b r i db e a m,t a k i n gt h es t e e l c o n c r e t eh y b r i db e a ms w i v e l b r i d g en e a rL o n g q u a nS t r e e t i nX i n g t a iC i t ya s t h eb a c k g r o u n d,t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ea c t u a lb r i d g e f i e l dt e s t a r ec o m b i n e dt oc a r r yo u t t h er e s e a r c ho nt h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f t h e s w i v e l c o n s t r u c t i o no f t h e s t e e l c o n c r e t eh y b r i db e a mo f t h e a d j a c e n t r a i l w a y T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h e o v e r a l lm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f t h em a i ng i r d e r i sg o o d i n t h ew h o l ep r o c e s s o f s w i v e l c o n s t r u c t i o n H o w e v e r,t h e t e n s i l es t r e s so f MP aa p p e a r si nt h ec o n c r e t er o o fd u r i n gt h es t a g eo fs w i v e lc o n s t r u c t i o na f t e rr e m o v i n gt h ef r a m e,i n d i c a t i n gt h a t t h es w i v e l c o n s t r u c t i o ns t a g ea f t e r r e m o v i n gt h e f r a m e i s t h em o s tu n f a v o r a b l ec o n s t r u c t i o ns t a g e i nt h ew h o l ep r o c e s s o f c o n s t r u c t i o n T h em e a s u r e dd a t ao f t h e s t r e s s a n da l i g n m e n t o f t h ek e yp a r t so f t h eb r i d g ed u r i n g t h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nd a t a,a n d t h em e a s u r e d t r a n s v e r s ev e r t i c a l a m p l i t u d ea n da c c e l e r a t i o no f t h eb e a me n da r e l e s s t h a nmma n d ms,r e s p e c t i v e l y T h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo f t h eb e a me n d i sw i t h i nt h ec o n t r o l l a b l er a n g e,w h i c hf u l l yd e m o n s t r a t e s t h ea p p l i c a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo f t h ec o n s t r u c t i o ns c h e m e K e yw o r d s:s t e e l c o n c r e t eh y b r i dg i r d e r;h o r i z o n t a l s w i v e l;c o n s t r u c t i o ns u p e r v i s i o n;f o r c ea n a l y s i s(上接第 页)I m p r o v e dR e s i d u a lN e t w o r ka n dT r a n s f e rL e a r n i n g f o rG e a r b o xF a u l tD i a g n o s i sWA N G Y i f a n,H A O R u j i a n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,S h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y,S h i j i a z h u a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T os o l v e t h ep r o b l e mo f g e a r b o x f a u l t d i a g n o s i s,a r e s i d u a l n e t w o r km o d e l b a s e do nm u l t i s c a l e f e a t u r e e x t r a c t i o na n df u s i o nh y b r i da t t e n t i o nm e c h a n i s mi sp r o p o s e d T h em o d e l d i r e c t l ye x t r a c t s t h e f e a t u r e so f t h eo r i g i n a l v i b r a t i o ns i g n a l s B y i n c r e a s i n gt h em i x e da t t e n t i o nm e c h a n i s m,t h en e t w o r kd e p t h i s i n c r e a s e d,t h ek e y i n f o r m a t i o n i se x t r a c t e d,t h en e t w o r ks t a b i l i t ya n df a u l t i d e n t i f i c a t i o na c c u r a c ya r e i m p r o v e d T h em u l t i s c a l e f e a t u r ee x t r a c t i o nm o d u l eo f t h e f i r s t l a y e r i s c o n n e c t e d i ns e r i e s,w h i c hi n c r e a s e s t h ew i d t ho f t h en e t w o r k,e x t r a c t s f e a t u r e so f d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s a n da v o i d s t h ep r o b l e mo f g r a d i e n t e x p l o s i o n T h e f i n a l f a u l t d i a g n o s i s a c c u r a c yr e a c h e s ,n o i s e t e s t v e r i f i e s t h a t t h en e t w o r kh a s s t r o n gr o b u s t n e s s T h e t r a n s f e r l e a r n i n gm e t h o d i su s e dt os o l v e t h ep r o b l e mo f i n s u f f i c i e n td a t a i nt h ea c t u a l i n d u s t r y,a n dt h eg e n e r a l i z a t i o na b i l i t yo f t h en e t w o r k i sv e r i f i e d I t i sp r o v e dt h a t t h en e t w o r kp r o p o s e d i nt h i sp a p e r i so p e na n dp r a c t i c a l K e yw o r d s:r e s i d u a ln e t w o r k;t r a n s f e r l e a r n i n g;g e a r b o x;f a u l td i a g n o s i s;c o n v o l u t i o n a l b l o c ka t t e n t i o nm o d u l e 实例分析邻近铁路钢混混合梁转体施工监控及受力性能分析罗利