曲线桥同步顶升位移监测与分析

2021-04-30王磊玉肖钦广周扬帆周蕴文

施工技术(中英文) 2021年5期

王欣，王磊玉，肖钦广，周扬帆，王旗，周蕴文

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南 250101； 2.济南黄河路桥建设集团有限公司，山东济南 250001)

1 工程概况

处于潍坊路与滨州路之间的高架桥，是济南市北园大街快速路西延建设工程中的一座平曲线混凝土桥，桥跨布置为30.04m+3×30m，平曲线半径为2 000m，桥面宽24m。桥梁总体布置如图1所示。桥体主梁为单箱三室结构，106～102号墩各跨重分别为484，990，895，990，484t，总重3 843t，根据济南市北园大街快速路西延建设工程，高架桥向西延伸，考虑经济及对周边环境影响，在尽量保留原有结构的基础上，对桥梁顶升改造，使其与后期新建高架桥完成对接。102号桥墩为原高架桥落地端，各墩顶升高度为：102号墩为4 202mm，103号墩为3 117mm，104号墩为2 063mm，105号墩为1 009mm，106号墩为0。顶升改造如图2所示。

图1 桥形及千斤顶布置平面(单位：m)

图2 顶升改造示意

2 平曲线桥顶升位移原理及预警值设计

2.1 顶升位移原理

根据桥梁顶升位移特点，以图2，3阐明平曲线桥梁旋转顶升位移计算原理。平曲线桥梁顶升过程中位移包括顺桥向位移、横桥向位移、绕梁中轴线旋转位移。图3中实线所示部分ABCD为曲线梁外轮廓，AD为曲线梁外侧端点，O为平曲线圆点，顶升端CD绕OA轴旋转顶升，虚线所示部分为桥梁顶升完成后位置。

图3 曲线桥顶升位移原理

1)顺桥向位移曲线梁ABCD绕OA轴旋转顶升至ABC′D′，顶升后梁体坡度变缓与水平面夹角减小α(见图2)。旋转角α为变量，即梁体与水平面之间余弦值为变量，主梁各截面到OA轴的距离在顶升中为物理常量，恒定的距离与余弦值cosα的乘积即为各截面梁体水平投影长度，设顺桥向水平投影位移为ΔL1，随ΔL1增大，主梁具体表现为顶升端梁体抬高，且沿桥体方向伸长。

ΔL1=L-Lcosα=L(1-cosα)

(1)

式中：L为截面CD到OA轴直线距离；α为主梁旋转角度。

2)横桥向位移与顺桥向位移同理，曲线梁绕OA轴整体旋转顶升，其中LOD为常量，主梁旋转角度为α时，OD轴旋转角为β(见图2)，β为变量，LOD与余弦值cosβ的乘积即为梁体横向水平投影长度，设横桥向水平投影位移为ΔL2。顶升中表现为，梁体在横向位置发生摆动。

ΔL2=LOD-LODcosβ=LOD(1-cosβ)

(2)

式中：LOD为D到O点的直线距离；β为OD轴旋转角度。

3)绕梁中轴线位移曲线梁桥墩(点E，F)布置垂直于平曲线切线，截面EF绕OA轴旋转角度相同，但两点距OA轴直线长度LE，LF不相等，即同桥墩曲线两侧顶升高度不同，设旋转角度α后，两点高差为Δh，曲线梁内侧应比中轴线低Δh/2，曲线梁外侧应比中轴线高Δh/2，表现为梁体绕中轴线旋转，外侧顶升高度大于内侧。

Δh=LEsinα-LFsinα=(LE-LF)sinα

(3)

式中：LE，LF分别为点E，F到OA轴的直线距离。

2.2 预警方案设计

根据顶升位移原理，从几何变形和应力2个角度对工程进行监测。变形监测主要从宏观上观察桥梁在顶升过程中的运动情况，具体包括桥梁的竖向位移、横向位移和地基沉降等。应力、应变监测主要从微观角度揭示顶升过程中桥梁内部的受力状态变化情况,二者监测数据相互印证，可进一步确保顶升过程的安全性。

由于我国当前顶升技术不成熟，桥梁顶升各项预警值没有统一标准。通过工程实践，本工程设定的预警值可满足项目施工要求，对类似工程具有一定借鉴意义。预警值及检查方法、频率具体要求为：①桥中心线偏位超过±20mm 单次顶升完成后，使用全站仪每10m检查一处；②桥面横坡大于±5% 单次顶升完成后，使用全站仪每跨检查5～7处；③桥墩地基出现明显累计沉降单次顶升完成后，每墩均需使用全站仪检查；④单次顶升同桥墩南北竖向位移差>3mm 单次顶升时使用拉线式位移传感器实时监测；⑤应变值>400με 顶升时全过程使用光纤光栅应变计实时监测。

3 顶升受力变化分析及监测方案布置

根据顶升施工方案设计，本工程采用施工监测一体化全过程控制体系，主要包括3部分，即顶升前监控、顶升阶段监控、落梁后监控。主要监测内容为应力和变形，将监测结果与理论分析计算值进行分析、比较。应力监测和变形监测从不同角度揭示了顶升过程中桥梁状态。变形监测从宏观角度确定了桥梁所处空间位置及整体运动趋势，其中竖向变形监测是判断桥梁整体和局部顶升同步性的重要依据，横向变形监测是桥梁倾覆可能性的主要评判标准；应力监测从微观角度揭示了梁体内部受力和结构损伤状况。二者数据相互印证，精准把握顶升中出现的问题，确保顶升安全性。

顶升前监测主要内容为外观监测及初步检查验算。随着桥梁运营期增长，超重车、大型车辆增多，桥梁支座及主梁出现破损、老化、变形是既有桥梁常见病害。检查桥梁表面有无明显裂缝、缺陷，记录裂缝宽度、开展形态，主要目的是观察在顶升过程中裂缝有无继续开展或是否有新裂缝出现，分析裂缝出现的原因及对顶升所造成的影响，必要时对薄弱部位进行加固。在顶升阶段主要对施工过程中各支点处箱梁竖向位移、横向位移、箱梁应力、地基沉降等与设计方案进行分析比较，判断桥梁整体健康状态，并对桥梁顶升变化趋势做出预测。

3.1 梁体应力变化分析及监测

应力监测是顶升监测的重要内容之一。桥梁顶升对上部结构主要有几方面影响：桥梁顶升分配梁位置与原支座位置偏移，结构受力体系发生改变；千斤顶伸长速率不同，横桥向两侧顶升速率不一致，结构受力体系发生反转，易造成倾覆，顺桥向伸长速率不一致，会使梁体上表面受拉，严重时表现为顶升较快位置梁体上表面出现裂缝；顶升后，梁体与水平面夹角改变，梁体空间位置发生变化，桥梁整体受力状态与原结构不同。结构应力(变)是判断结构安全最直接的指标，结构损伤状态将导致应力(变)超限或应力异常重分布，通过应力(变)监测实时掌握各关键部位在顶升过程中的应力情况，可直接判断测试位置应力是否处于安全水平、校验构件的疲劳应力。目前我国对应力的监测大多通过监测应变来完成，应力主要计算方法有4种，即有效弹模法、叠加法、松弛系数法、流动率法。出于安全性考虑，本次监测中以经验值400με为预警值。大吨位桥梁顶升施工时间较长，应力、应变监测需以确定的零点作为控制标准。应力监测仪器要求具有较好的耐久性及良好的精准性。如图4所示，本工程对既有桥梁进行顶升加固改造，拟选用表面式光纤光栅应变计对顶升桥梁箱梁主要部位的应变进行监测，以避免对桥梁原结构造成损伤。光纤光栅应变计具有高灵敏度、高精度、耐水、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、高疲劳性能、性能稳定、耐久性强等优点，能较大限度避免施工环境对应变测量造成的影响。

图4 光纤光栅应变计现场布置

曲线梁变角度顶升本质上是一个缓慢改变桥梁空间位置的过程，本桥主梁全过程以106号墩为旋转轴成比例顶升。应力监测选取弯矩较大的各跨跨中断面布置应力监测点，以主梁中轴线为对称轴每跨跨中布置5个光纤光栅应变计，小计20个应力监测点。在负弯矩较大的分配梁顶升处，103～105号墩，以桥墩中轴线为对称轴每墩各布置5个光纤光栅应变计，考虑103～104号墩顶升高度大且处于桥梁主体跨中，两桥墩采用同跨布置方式，小计15个应力监测点。顶升段沿主梁横断面共计布置35个监测点，布置方式如图5所示。

图5 应变监测点布置

3.2 地基受力变化分析及监测

桥梁顶升对下部结构体系产生影响，地基沉降是顶升监测必不可少的内容之一。桥梁顶升临时支撑系统作用在原结构已有基础或傍宽基础上，基础受力状态发生改变：承台作为主要的支撑反力基础，顶升过程中除承受原有上部结构荷载外，还需承受支撑系统、顶升设备等自重，基础承受荷载变大；顶升中，原荷载传力路径为上部结构→支座→桥墩→基础，顶升传力路径为上部荷载→千斤顶→反力支撑系统→基础，力的作用点改变；平曲线梁顶升，在顶升中桥梁纵坡与水平面夹角减小，各桥墩承受荷载发生变化；横向摆动，增加了支撑系统不稳定性，曲线桥梁外侧支撑系统受力增加，地基外侧附加应力增大；现有基础傍宽后，原结构桥墩不再传递竖向荷载，转而由支撑进行传递，原桩基承台边界条件发生改变，承台上部受力由压力变为拉力。

平曲线梁顶升基础受力不同，在顶升过程中，桥墩两侧地基沉降也不相同，同桥墩两侧均需布置地基沉降观测点，通过对比同桥墩两侧地基沉降值确定下部顶升结构受力状态。本桥在103～105号桥墩外侧以桥墩中线为对称轴分别布置2个地基沉降观测点，在102号墩处以主梁中轴线为对称轴布置3个地基沉降观测点，共计9个，如图6所示。

图6 地基沉降监测点布置

3.3 桥梁整体姿态受力分析及监测

在桥梁顶升阶段，为了精确掌握桥梁整体姿态及其所处空间位置，需要对桥梁整体进行监控，位移监控内容主要包括桥梁横向位移和竖向位移。

桥梁顶升过程中，桥梁上部结构荷载及顶升设备主要靠临时支撑系统承载，平曲线梁在绕106号桥墩旋转的同时，出现横向摆动。随着顶升高度增加，平曲线半径与水平面夹角减小，桥梁不再仅有向下的竖向荷载，还会产生水平侧向力，侧向力在顶升中的表现为桥梁主体向曲线外侧移位，侧向力逐渐加大，桥梁两端限位器锚固位置混凝土可能出现裂缝，在顶升过程中，需观察桥端限位器锚固位置有无裂缝出现，详细记录裂缝出现位置、宽度及发展形态，并将横向位移值与理论值比较分析，确定临时支撑系统所受侧向力大小。

实时监测竖向位移是保证顶升同步性的重要措施之一。本桥顶升纵坡由4%变为0.5%，纵坡的变化使千斤顶难以完全均匀垂直受力，刚性桥梁在实际施工中会不同程度地出现“虚腿”现象，即单个千斤顶及部分千斤顶不受力或不完全受力情况，进而使顶升速率出现不一致。沿桥向局部顶升速率不一致时，顶升过快，桥梁负弯矩区弯矩迅速增大，同区域桥梁上表面出现裂缝；顶升过慢，相邻桥墩处负弯矩区弯矩增大，桥梁上表面出现裂缝；沿桥向曲线内外两侧整体顶升速率不一致，结构体系发生翻转；横向同桥墩处顶升速率不一致，结构受扭，结构内部产生损伤，相邻跨中主梁外侧应力值增大，桥墩处两侧应力值变化趋势相反。

为实时掌握顶升过程中各桥墩同步性，如图7所示，拟采用拉线式位移传感器，拉线式位移传感器采用无线传输信号，实时传输数据，施工方便快捷，具有高灵敏度、高精度、高疲劳性能、性能稳定、耐久性强等优点。102号墩距分配梁左侧4cm横断面处布置3个拉线式位移传感器，103～105号墩支座外侧4cm处以桥墩中轴线为对称轴布置拉线式位移传感器，全桥共计15个竖向位移测点。在102～105号墩各墩中轴线箱梁南侧底面各设置1个横向位移监测点，用高精度全站仪进行测量，共计4个横向位移监测点。102号墩顶升效果如图8所示，位移测点布置如图8所示。

图7 拉线式位移传感器及其现场布置

图8 位移监测点布置

4 监测结果及分析

4.1 箱梁应力监测结果及分析

在顶升全过程中均对梁体进行实时应变监测。取桥梁两端监测点Y1，Y31及跨中监测点Y16，应变监测如图9所示。应变监测结果表明：顶升过程中，前期累计顶升高度较小，应变值变化较平缓，随着顶升累计高度增加，应变值变化量随之增加；从应变值来看，单次顶升数值变化量呈上升趋势，梁体基本处于弹性变形范围，单行程顶升结束后，梁体恢复原状。靠近旋转轴的监测点Y31单行程应变变化值略高于远端监测点Y1，表明顶升中约束强的一端结构损伤积累高于顶升一侧结构损伤；顶升高度位于1.5～3.0m处数值出现突变，突变值约为150με，应变传感器测得应变为总应变，包括应力应变和非应力应变，应力应变包括弹性应变和徐变应变2种，非应力应变为混凝土体积应变、温度应变和收缩应变，此处数值突变为非应力应变，施工时间为夏季8—9月，梁体表面温度较高，顶升至此高度出现连续降雨，温度下降约7℃，基本符合试验中温度每±1℃，微应变±20με的理论值。考虑温度作用后应变变化值均在-100～200με，小于预警值400με，且顶升中未出现异常现象，结构受力处于安全范围内。

图9 应变监测

4.2 箱梁位移监测结果及分析

为从宏观角度把握桥梁运动趋势及其所处空间位置，对102～106号墩两侧进行位移监测，监控内容包括桥梁横向位移和实时桥墩竖向位移。监测结果表明：各桥墩处于平稳上升姿态，实时监测过程中，箱梁内、外侧同步性较好，单行程顶升同截面两侧误差严格把控在3mm以内，各桥墩累计顶升竖向高度基本为线性关系，与106号墩旋转轴距离成正比，最大高度为102号墩监测点，累计顶升高度为4 159.69mm，如图10所示，由于监测点布于桥墩内侧，因此略小于设计值4 200mm，与预期理论顶升值相吻合。曲线梁在顶升过程中有2个横向侧移高峰值，最大值为N1点，横向侧移值为8.7mm，横向位移急剧增加的原因是旋转轴106号墩处限位器位置箱梁上表面混凝土出现裂缝，根据监测结果，及时采取技术措施后，横向位移均缓慢减小，如图11所示。根据曲线桥顶升位移原理，横向侧移值与顶升高度的变化呈函数关系，侧移量随余弦值的增大而增大，理论计算最大侧移值为102号墩N4点，出于工程施工安全考虑，在102号墩处增加限位器，因此最大横向侧移值为N3点，达到预定高度后侧移值为2.9mm，监测结果如图12所示，N1，N2，N3点横向侧移值呈线性变化，N4点几乎无侧移，符合预期理论分析。

图10 各桥墩累计顶升高度

图11 箱梁累计侧向位移

图12 箱梁各测点最终横向位移

4.3 地基沉降及千斤顶应力监测结果分析

与原结构相比，地基受力方式、约束条件均发生较大改变，为实时掌握地基沉降情况，对各桥墩沉降位移及千斤顶应力进行监测，监测结果如图13，14所示。监测显示：地基在顶升过程中几乎无下降情况，地基承载力较好，符合顶升设计要求，最大沉降点为104号墩外侧4号点，沉降值为1.3mm，处于预警范围内，顶升中箱梁绕中轴线旋转及横向侧移约束，使曲线外侧地基沉降值高于曲线内侧地基沉降值，符合理论分析。图14所示单行程千斤顶应力(顶升高度2 178.22～2 278.40mm)监测结果表明，顶升过程中千斤顶稳压效果较好，分配梁受力均匀，箱梁处于平稳运行姿态，箱梁绕106号墩旋转，千斤顶完全受力达到最大值后，随余弦值的增大，曲线桥远端两侧千斤顶应力缓慢减小，且曲线外(南)侧千斤顶应力大于曲线内(北)侧，从另一个角度表明曲线外侧地基沉降大于内侧。