钢桁架桥整体移运复位施工过程模拟与监测

2021-11-05刘智勇马怀章李佳鹏罗永峰

建筑施工 2021年7期

曲扬刘智勇马怀章陈波李佳鹏罗永峰

1. 中建八局第三建设有限公司江苏南京 210046;2. 同济大学上海 200092

1 工程概况

背景工程为一座位于上海市区苏州河上的钢桁架桥，1908年建成服役至今一直供汽车及行人通行，是我国仅存的几座鱼腹式简支梁式钢桁架桥之一。该桥为下承式简支钢桁架桥，跨度59.74 m，高度9.14 m，2榀主桁架中心距为9.03 m，两侧各有外伸宽4.96 m的人行道，桥体总重约444.7 t，桥体全貌如图1所示。该钢桥服役时间长，已出现较多损伤与缺陷，为延长使用寿命，需对桥体结构进行大修。由于该桥位于市区，在原桥址进行大修的难度很大，故根据预定施工方案，需将该桥整体滑移至距北岸100 m左右的预设维修加固厂内，进行桥体结构维护大修（图2）。待维修加固完成后，再将其整体移运至原桥址处进行原位安装。本钢桥结构大修施工分为旧桥整体移卸施工和新桥整体移运复位施工2个阶段，本文仅介绍新桥整体移运复位施工阶段的施工过程模拟和应力监测方法与结果。

图1 钢桥全貌

图2 钢桥大修现场

2 施工流程分解

本文根据结构施工过程的受力特点和边界条件，将整个施工过程分为6个施工步骤，根据各施工步骤实际构造，设置各施工步骤的边界条件，建立对应的施工过程力学模型，施工流程如表1所示。

表1 施工流程

3 施工过程模拟计算

复杂结构和施工过程的跟踪模拟计算是对施工中的结构力学性态进行准确预测，进而对施工中可能出现的破坏现象提出评估预警的关键环节[1]。本文针对各施工步骤对应的力学模型分别进行数值计算，统计得到的各施工步骤下结构的应力云图、最大应力、位移云图以及最大位移如表2所示。计算过程采用Midas结构有限元软件进行建模分析，结构构件均采用空间梁单元模拟。

表2 施工过程模拟计算

计算结果表明，结构构件的最不利应力状态出现在第1、3、4步的桥体南、北部第2根立杆底部，最大应力为－138.96 MPa（＜210 MPa），应力比为0.66。各施工步骤下结构的最大变形均出现在桥体跨中。结构的最大变形发生在第6步，结构最大位移为30.54 mm，方向竖直向下。根据TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》规定，钢桥所有构件应力比和结构变形均满足安全性要求。

4 施工过程监测

4.1 施工监测参数的确定

施工监测参数应该能够反映结构及其施工支撑体系在任意施工阶段的力学性态或预示可能出现的失效模式[2]。根据本工程的结构特点和施工方案，通过数值模拟分析钢桥的受力性态，确定在施工过程中可能出现的不利情况，进而确定需要监测的主要参数有以下3个方面。

1）构件应力：应力较大构件的应力、应力变化较大构件的应力、关键构件的应力。

2）位移或变形：防汛墙沉降、桥台沉降、桥体变形及几何形状变化。

3）环境温度。

本文主要分析本次监测项目中的应力监测数据，因此位移或变形监测情况不再赘述。

4.2 应力监测点布置

根据施工模拟计算结果，按照以下原则确定需要监测应力的构件，并布置相应的测点（图3）。

图3 应力测点布置示意

1）应力较大的构件：在滑移施工阶段，选取验算结果中应力较大的构件布置应变计，以监测此类构件的内力。布置的测点有SS3、SS4、SS7和SS8。

2）结构重要构件：支座附近构件和加固立杆附近构件受力较复杂，且构件内力较大，需布置应变计以监测结构内力状态。布置的测点有SS5、SS6、SS9、SS10和SS11。

3）应力变化较大构件：施工过程中存在结构体系转换过程，南、北部加固立杆在结构体系转换过程中，受力变化较大。因此，在受力变化较大的加固立杆处布置应变计以监测构件受力变化。布置的测点有SS1、SS2、SS3、SS4、SS7和SS8。

4）滑移同步性：在整个吊装滑移过程中，若作业不同步，整个桥体对称部位受力差异将较大，因此，在东、西侧桁架关键部位布置对称测点以控制滑移同步性。布置的测点有SS1、SS2、SS3、SS4、SS5、SS6、SS7和SS8。

根据本工程施工特点和以上测点布置原则，应力测点主要布置于南、北两侧第1根和第2根立杆、桁架南侧第3节间下弦杆、西侧桁架斜腹杆等部位。

4.3 监测结果及比较

由于在桥体整体滑移施工前，桥体结构在自重和施工荷载作用下，处于一定的受力状态，需计算此状态下各测点的初始应力值，再与监测结果叠加，以反映构件的真实应力状态。本文采用时间序列分段线性表示对数据进行拟合，引入了基于一次极值点和二次极值点的拟合方法[3]，通过对比压缩率和拟合误差，验证上述方法的有效性。

为更好地表现突变的效果，选取变化值大、变化次数多的测点SS3（南部东侧第2根立杆）作为关键测点，对关键测点的应力监测数据进行处理。同时，将关键应力测点的应力监测数据处理结果与理论计算值进行对比分析，以证明拟合方法的有效性。图4为施工过程中应力测点SS3监测数据实测值与理论值的对比，图5为施工过程中应力测点SS3-1监测数据的原始序列以及根据定义得到的一次极值点序列和二次极值点序列。

图4 理论值与实测值对比

图5 2种方法拟合效果对比

综合图4、图5可以看出：

1）以监测频次为横轴、应力值为纵轴的二次极值点序列，既表达了突变的时间，也显示了施工步骤持续时间。其中第2步持续时间最长，该施工步骤为南部桥体由吊机吊起，向浮箱搁置位置移运桥体。该施工步骤涉及起吊、移运、搁置等关键步骤，耗时较长，与图中反映情况一致。

2）施工第1步、第2步、第3步和第6步，测点应力经历了4次突变，这与桥体结构在移运过程中经历的“搁置—起吊—搁置—落位”的施工过程一致，每一次支撑点转换都会引起应力的突变。第6步为桥体落位施工阶段，两测点应力恢复到桥体复位施工前初始状态应力水平。

分析图4可知，在第1、3、4、5步，现场实测值小于理论值。主要是桥体南部第2根立杆受力不均匀、施工误差、风荷载和温度作用等不确定性因素导致理论计算值与实测值产生差异。SS3测点应力最大值出现在第4步，其中理论计算值最大为－114 MPa，实测有效应力代表值最大为－67.04 MPa。在整个施工过程中，应力测点应力值均在安全范围内。

分析图5可知，一次极值点序列既能很好地保留原始序列的局部细节，也能从整体上把握原始序列的主要形态特征。但相对于原始序列，一次极值点序列的数据压缩率仅为50%，而二次极值点序列则忽略了原始序列中部分不影响整体趋势的局部细节，保留了原始序列的主要形态特征，同时具备较高的拟合精度。相对于原始序列，二次极值点序列的数据压缩率为83%。对于施工过程监测数据处理方法的选用，目的是以少量数据表达原始海量数据序列的主要形态特征。因而，二次极值点序列更适用于该类监测数据的数据处理。