大跨钢箱梁悬索桥桥面系改造中的主梁线形监控研究

程克玲

(1.成都市路桥工程股份有限公司， 四川 成都　610000；　2.四川道诚建设工程检测有限责任公司， 四川 成都　610000；

3.长安大学， 陕西 西安　710064)



大跨钢箱梁悬索桥桥面系改造中的主梁线形监控研究

程克玲1，2，3

(1.成都市路桥工程股份有限公司， 四川 成都610000；2.四川道诚建设工程检测有限责任公司， 四川 成都610000；

3.长安大学， 陕西 西安710064)

摘要：近年来我国桥梁改造工程日益增多，桥梁改造完成后要保证结构线形保持设计要求，因此必须在整个改造施工过程中对其线形进行监控。为了更好地了解桥面系改造施工监控中主梁线形控制，结合某钢箱梁悬索桥桥面系改造工程实例，在大跨钢箱梁悬索桥施工监控的方法、理论的基础上，利用有限元软件建立了相应的计算模型，比较了有限元模拟结果与实际施工过程中主梁线形的不同，明确了其变化规律，保证了施工监控的顺利进行，为大跨钢箱梁悬索桥桥面系改造工程提供了参考。

关键词：桥梁工程； 悬索桥； 桥面系； 施工监控； 有限元模拟

0引言

随着我国交通量日益增长，早期修建桥梁已逐渐不能适应目前极大的交通量，桥梁改造项目日益增多，而桥面系改造是桥梁改造中的一个极重要的部分，桥面系改造中桥梁线形的变化会影响结构的受力，因此需在施工过程中进行线形控制。丁晗运用有限元分析给出了连续刚构桥在施工过程中各个块段的位移、挠度等结果，并对计算分析数据和实测数据进行对比分析[1]；程伊彪概述了武汉市江汉二桥维修改造工程中桥面系改造施工的各个方面[2]；孙增寿通过蒲山特大桥的施工监控实践，介绍了变截面钢管混凝土桁架拱桥线形控制的原则、方法和效果[3]；李伟结合吉林临江门大桥桥面系改造的工程实例，提出了该类斜拉桥的桥面系改造方案[4]；吴秉军、梁智垚、范鑫等对悬索桥的施工监控的控制参数以及施工控制技术进行了实例研究[5-7]；张新志提出了大跨径PC连续刚构桥应以理论竣工标高作为桥面验收标高，以此对桥梁线形监控质量进行评定[8]；范小春在某公铁两用大桥公路桥面维修加固施工过程中进行了监控，建立了有限元模型分析并适时调整施工方案[9]；张奇结合某桥加固改造方案，从线形控制、变形监测与应力监测等方面阐述了施工监控技术及效果[10]；顾雨辉从施工线形控制多方面阐述了苏通大桥268 m跨径连续刚构桥的施工线形控制方法，并以实测数据证明了该方法的合理性[11]；Norio Tarada介绍了Miyakodagawa大桥的设计和施工方法，其中的施工监控方法为本文桥面系改造的监控方法提供了参考[12]；Anurag Jain通过有限元分析研究了大跨桥梁的耦合反应，为施工监控的理论数据的修正提供了理论依据[13]。

目前施工监控的研究主要集中在新建桥梁上，旧桥改造过程中施工监控研究的较少。大跨径悬索桥对成桥线形有严格的要求，每个节点坐标的微小变化都可能会影响整个结构内力的分配。本文通过对某大跨径悬索桥进行施工监测，并不断根据监测结果对原设计方案进行调整，使桥面系改造后尽可能地接近设计状态，即尽可能达到原设计的几何线形和较为合理的内力状态，以保证桥梁在桥面系改造施工过程中结构安全和改造后满足设计要求。

1工程概况

该钢箱梁悬索桥总跨径为1 022 m，桥跨布置为211 m+600 m+211 m，桥宽为35.5 m(有效宽度为32.5 m)。桥面布置为双向6车道，两边各设2.5 m的人行道。

图1　原设计横断面布置(单位： mm)

本悬索桥至今已经运营近12 a，桥面铺装层破损较为严重，而且已经达到了设计使用年限。本次桥面系改造工程的设计方案为将桥面铺装层翻修，取消原桥中的人行道，将其改为检修通道，将双向6车道改为双向8车道。本桥的公路设计等级为城市快速路，设计车速为80 km/h。原桥的横断面布置为：4.25 m(轻轨线)+11.75 m(车行道)+0.50 m(中央分隔带)+11.75 m(车行道)+4.25 m(轻轨线)=32.5 m，如图1。桥面铺装层的改造方案：桥面铺装设计总厚度为75 mm，结构组成为：2 mm防水粘结层+35 mm浇筑式沥青混凝土(GA10)+38 mm高弹沥青SMA10，如图2。

图2　大桥桥面铺装层改造方案

2桥面系测点布置

本次监控量测桥面挠度的测点布置于吊索旁边，对于双吊索，则将测点布置于两根吊杆的中间位置。本次监控量测共布设184个测点。挠度点按以下规则进行编号：东塔以东的上游挠度点的编号为“东1上”～“东17上”，而下游挠度点的编号为“东1下”～“东17下”；东西塔之间的上游挠度点的编号为“中1上”～“中58上”，下游挠度点的编号为“中1下”～“中58下”；西塔以西的上游挠度点的编号为“西1上”～“西17上”，下游挠度点的编号为“西1下”～“西17下”。桥面挠度点观测时需进行封桥并中断交通，观测期间大桥不能外加动荷载。挠度变形点采用Trimble DINI03电子水准仪按《建筑变形测量规范》[14]的二级水准精度要求进行观测。

桥面线形的测点布置如图3所示。

图3　桥面线形监控测量测点布置(单位： m)

3有限元模拟分析

3.1有限元模型的建立

桥梁结构整体受力分析采用有限元计算软件进行建模分析，并根据现场实际情况调整模型参数。

整个有限元模型共有214个节点和192个单元，其中单元分为98个桁架杆单元和94个梁单元。索塔和主梁采用梁单元进行模拟，采用弹性支撑连接模拟索鞍的滑动和对缆索的支撑效应。建模时使用到的模型参数是在理论参数基础上根据实际情况调整之后的参数。

桥塔底部和地基之间采用固结，两个桥台的约束条件相同，桥台处的两个支座分别为固定支座和活动支座，固定支座采用固结，而活动支座只约束竖向和横向的位移，允许其他方向的转动与位移。

本桥的有限元模型如图4。

图4　有限元计算模型

3.2有限元分析结果

3.2.1桥梁整体控制计算结果

桥梁施工监控中控制线形的方法是测量得到施工时的标高，然后与预计值进行比较，当发现监测的实际值和预计值相差较大时，则进行检查和分析，找出问题的原因并排除后才能继续施工，这样就能避免出现事故，防止造成不必要的损失。

施工控制中的线形施工误差调整理论方法有结构参数识别与修正法、卡尔曼滤波法、灰色系统法、最小二乘法和约束优化反演法等，本文采用的是灰色系统法，需要有限元分析软件计算得到预计的桥面变形值。该桥在各种活载工况作用下桥面的变形指标控制值如表1。

表1 桥面变形控制表序号荷载工况主要变形控制值/mm边跨L/2挠度中跨L/4挠度1人群+6车道Vmax8068102人群+6车道Vmin-928-153158车道Vmax77380368车道Vmin-883-14457桥面保留4车道Vmax5075258桥面保留4车道Vmin-566-924主要变形控制值/mm中跨L/2挠度中跨3L/4挠度边跨L/2挠度598810806-1745-1531-928599803773-1655-1445-883389525507-1088-834-566 注:挠度向上为正,向下为负。

施工过程中的主要控制值如表2(以下计算值没有考虑温度影响，因此在实际控制过程中会根据实际温度在计算模型中进行温度参数的修正)。

3.2.2桥梁分阶段控制计算结果

桥梁在各主要施工阶段中，桥面的变形指标控制值如图5所示(以下计算值没有考虑温度影响，因此在实际控制过程中会根据实际温度在计算模型中进行温度参数的修正)。

表2 桥梁施工过程中控制截面主要控制值荷载工况主要控制值/mm边跨L/2挠度中跨L/4挠度中跨L/2挠度中跨3L/4挠度边跨L/2挠度桥面系改造全过程362607657607362 注:挠度均为绝对值。

图5　桥面变形指标控制值

4桥面线形监测结果与分析

4.1概述

本次监控量测根据方案内容和要求，对该桥进行了5期施工监控测量，第1期为成桥阶段(目的是获得初始值)；第2期为桥面人行道及栏杆拆除阶段(拆除后仍然放置在桥面)；第3期为人行道改造完毕后的阶段；第4期为两侧7.5 m的桥面铺装层改造施工完毕阶段；第5期为施工全部完成并通车后的第1个温度变化季节。

4.2监控量测结果及分析

1) 一期、二期施工监控测量结果。

第1期测量阶段的环境温度为30.0 ℃，第2期测量阶段的环境温度为26.4 ℃，2次测量的桥面线形相对变化曲线如图6及图7所示。

图6　主桥上游挠度相对变化曲线图

图7　主桥下游挠度相对变化曲线图

从图6和图7中可以看出，由于本桥第2期比第1期温度低，所以结构遇冷收缩，桥面发生一定的上挠，距离跨中越近，桥面的上挠值也越大，上游的相对上挠量为89.9 mm，下游的相对上挠量为101.3 mm，上下游的挠度变化趋势基本一致。在前后两期温度荷载的作用下，桥面的理论上挠值为90 mm，与实际观测结果相差不大。因此，本次桥面线形变化的主要影响因素为温度荷载。

2) 第3期监控量测结果(人行道改造完毕)。

本桥的第1期阶段(2013年8月9日)观测时的环境温度为30 ℃，本期(2013年9月29日)观测时的环境温度为19.0 ℃。温度降低了11.0 ℃，同时由于人行道改为了检修通道，桥面的二期恒载减少了0.58 t/m(两侧)，因此桥梁理论变形值是受温度降低及桥面二期恒载减少影响的。

上游桥面挠度变化实际值与理论值对比曲线如图8所示，下游桥面挠度变化实际值与理论值对比曲线如图9所示。

图8　主桥上游桥面挠度变化实际值与理论值对比曲线

图9　主桥下游桥面挠度变化实际值与理论值对比曲线

从图8、图9可以看出，本期观测时，由于环境温度降低及二期恒载减少，桥面发生了上挠，最大上挠值发生在中跨跨中处，其中上游侧桥面的最大上挠值为412.0 mm(中跨25#吊杆位置)，下游侧桥面的最大上挠值为411.1 mm(中跨吊杆位置)。

上游侧的理论计算值为348 mm，实际变形与理论变形的差值为64 mm；下游侧的理论计算值为348 mm，实际变形与理论变形的差值为63.1 mm。实测变形值与理论变形值存在一定差异主要是因为结构对于温度变化的响应、桥面荷载实际变化值与理论计算平均取值的差异以及桥梁实际刚度与理论计算刚度的差异有关(需要说明的是实测变形值与理论变形值存在较大差异，也与本次监控量测时桥面上有建渣未清理完毕有关)，但从整体来看桥面的变形规律与理论计算相符，桥面上下游变化基本一致，说明桥梁在现有状况下整体变形正常。

3) 第4期监控量测结果(两侧7.5 m桥面铺装层改造施工完毕)。

本桥的第1期阶段(2013年8月9日)观测时的环境温度为30 ℃，本期(2013年11月3日)测量时的环境温度为15 ℃。温度降低了15 ℃。因为桥面荷载基本没有发生变化，因此桥梁理论变形值为温度降低导致的桥面变形值。

上游侧本期测试值与初始测量值对比曲线如图10所示，下游侧本期测试值与初始测量值对比曲线如图11所示。

图10　主桥上游侧本期测试值与初始测量值对比曲线

图11　主桥下游侧本期测试值与初始测量值对比曲线

从图10、图11可以看出，本期观测时，由于环境温度降低，桥面发生了上挠，目前中跨跨中区域最大挠度与初始测量值作比较，上游侧上挠了352.3 mm，下游侧上挠了349.8 mm。

5结论

本文基于施工误差调整理论方法中的灰色系统法，以某钢箱梁悬索桥桥面系改造实例，进行了桥面线形控制研究，得出的主要结论如下：

1) 由于环境温度降低及二期恒载减少，桥面会发生向上的变形，桥面最大上挠值发生在中跨跨中附近。变形值与理论变形值存在一定差异，这与结构对于温度变化的响应、桥面荷载实际变化值与理论计算平均取值的差异及桥梁实际刚度与理论计算刚度的差异有关。但从整体来看桥面变形规律与理论计算相符，说明桥梁在现有状况下整体变形正常。

2) 通过计算得出了桥面系改造过程中的挠度，可用于指导该桥梁梁段的改造施工。计算结果表明，当桥梁在施工过程中严格控制安装高程，桥面系改造后最终能够达到设计所要求的理想成桥线形。

3) 本桥在施工控制的过程中，主梁挠度的实测值与理论值始终存在着较高的吻合度，这表明本文所依据的理论计算分析模型能够较好的反映结构的实际状况，运用所提出的施工控制方法能够得到良好的施工控制效果，表明本文采用的施工控制方法是可行的。

参考文献：

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[2] 程伊彪，向兴军.武汉江汉二桥桥面系改造施工[J].建材世界，2012(3)：81-85.

[3] 孙增寿，陈淮，曹恒涛.蒲山特大桥施工线形控制研究及应用[J].中外公路，2010(4)：368-370.

[4] 李伟，曹景，谢斌.吉林临江门大桥桥面系改造设计与研究[J].城市道桥与防洪，2011(6)：82-84.

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[6] 梁智垚，田瑞忠，陈士通.自锚式悬索桥施工监控研究[J].城市道桥与防洪，2005(2)：84-87.

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中图分类号：U 448.25

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0082-05