大跨度桥梁顶推施工监测技术研究

杨 洋

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

1 工程概况

天津市外环线东北部调线工程北环铁路分离式立交位于现状外环线与华粮道交叉口以北约3.5 km处，桥梁全长746 m，采用左右分幅设计，单幅桥全宽20.75 m。桥梁11#-12#墩自北向南依次共跨越5股道铁路及一条既有道路(见图1)。

图1 分离式立交跨越铁路顶推(单位：cm)

为减小桥梁施工对桥下各交通线路运营的影响，选择双幅同步顶推施工的方式跨越铁路及现状道路。跨路段连续梁总长为110 m，梁高2.9 m，连续梁顶推段长度共62 m，顶推距离为52 m，单幅顶推重量为3 618 t，设置导梁长度为21.72 m。顶推运行轨迹位于半径为4 500 m竖曲线上坡段，坡度为+1.42%，顶推方式为点式滑道，单点顶推[1]。

2 顶推施工监测方案

由于采用顶推施工工法，需要经历一系列的顶推过程桥梁结构才能最终形成，而在每一个施工过程中顶推梁段结构受力变化复杂[2]。施工中的每一阶段，均可能会由于施工过程的变化引起结构的内力和位移偏离设计值[3]。因此，必须在施工中针对桥梁施工的特点制定完善的监测方案,使得顶推结构在施工中处于最佳安全状态。

2.1 施工过程数值计算

北环铁路分离式立交顶推梁段运用梁格法进行建模，计算模型共划分为1 226个节点和1 068个单元(见图2)。通过对顶推过程进行模拟，计算出了变形及应力监测的理论数值，以此作为梁体顶推施工过程中每个阶段结构行为的控制值，并预测下一个施工阶段的参数[4]。

图2 顶推梁段模型

2.1.1 变形

在变形数值计算过程中，选取了导梁梁端(截面1)、钢导梁与混凝土梁结合部位(截面2)、主跨临时墩墩顶对应位置处、跨中位置处以及主梁末端(截面6)分别计算取值，并对截面顺序编号为1-6，部分计算结果如表1所示。

表1 顶推过程变形理论计算值 mm

计算结果显示：截面1、2、6在整个顶推施工过程中变形的理论数值最大。

2.1.2 应力

应力控制数值计算断面选择了顶推阶段主梁悬臂最大处、主跨各永久墩处以及中跨的临时墩处，截面顺序编号为A-E。

计算结果显示：各断面处梁体均未出现拉应力，结构受力良好。计算的应力值在施工的不同阶段出现变化，各断面应力最大值为-8.3 MPa，各断面位置均为受力关键截面，施工过程中需加强监测。

2.2 导梁预顶过程监测

导梁与混凝土梁结合处作为顶推梁段施工中的关键部位，必须对该部位的连接强度进行检验。本工程在正式顶推施工前提出了导梁预顶方案，模拟顶推施工最大悬臂受力状态，提前对导梁与混凝土梁结合部位的强度进行监控和检验。

为模拟顶推过程中的墩顶反力，预顶方案采用千斤顶对导梁结构施加顶力。通过计算，在距导梁与混凝土梁结合处6 m的位置施加顶力可以模拟出顶推施工最大悬臂受力状态。测试过程中按计算顶力最大值306.6 t的50%、70%、100%三次分级加载顶力，预顶期间对导梁和混凝土梁关键截面的应力数据进行采集。

2.3 梁体顶推施工过程监测

2.3.1 梁体及导梁变形监测

由于顶推施工的特点，整个施工过程中梁体及导梁会不可避免的产生变形。为保证顶推顺利完成，且完成后的梁体线形保持在设计要求范围内，需要在施工过程中对梁体及导梁变形进行监测，并依据监测数据实时对梁体进行纠偏[5]。

变形测点选择与模拟施工计算时选取的1-6截面相对应，梁体变形监测点(L1-L6)布置见图3。

图3 梁体变形测点布置

2.3.2 临时墩柱空间变位及应力监测

顶推过程中临时墩柱会受到梁体竖向压力及梁底与墩顶摩擦产生的水平推力的共同作用[6],在顶推施工过程中需要对临时墩柱的应力以及空间变位情况进行监测[7]。

本次顶推施工选择在1#临时墩墩顶位置处布置测点，在临时墩下部布置外贴式应力计监测临时墩应力变化情况。

2.3.3 关键截面应力监测

(1)在顶推过程中，导梁关键截面也就是最不利位置为钢导梁根部及钢导梁与混凝土梁结合部位，应对该部位进行重点监测[8]。

(2)对梁体关键截面的应力进行监测，有助于及时掌握顶推施工过程中梁体结构的受力情况，避免施工过程中结构应力过大，偏离设计状态。

梁体应力监测关键截面(截面编号A-E)布置见图3。梁体截面测试采用埋入式布置应力计，墩顶截面采用外贴式布置应力计。

2.4 监测方法

2.4.1 梁体、导梁变形及墩柱空间变位

梁体、导梁竖向变形监测采用测微器配合水准仪进行监测，顶推前先采集高程基准点，在顶推施工各阶段人工对各截面竖向变形量进行测读，了解导梁及梁体的变形情况[9]。

采用全站仪对梁体及墩柱空间变位进行监测，在施工前先测量出墩柱中心线、梁段的中线并做好标记。顶推过程中实时对梁端的轴线偏位及墩柱轴线偏位进行观测记录，将采集的数据以桥梁轴线方向建立局部坐标系，掌握梁体及墩柱的空间变位情况[10]。

2.4.2 梁体、导梁关键截面应力

由于应力监测需要与梁体施工同步进行，因此测试元件需要具备抗损伤性能好、存活率高、安装定位容易、长期稳定性好、不干扰正常施工等性能。本工程依据以上要求选择了钢弦应力计及可以自动采集记录数据的振弦检测仪进行应力的监测。

3 监测结果分析

3.1 导梁预顶

经过对导梁预顶过程进行监测，梁体底部横桥向产生了最大值为1.1 MPa的压应力变化；纵桥向产生了最大值为1.4 MPa的拉应力变化，只达到理论数值的70%，纵桥向拉应力变化量符合要求；导梁底部产生了最大值为23 MPa的拉应力变化，只达到理论数值的40%，导梁底部拉应力变化量符合要求[11]。

3.2 试顶推阶段

3.2.1 变形及空间变位情况

左幅桥梁体在顶推距离达1.228 m时，梁体前端出现5 mm的中线偏位最大值。在顶推距离达1.521 m时，梁体后端出现4 mm的中线偏位最大值。

右幅桥梁体在顶推距离达2.254 m时，梁体前端出现8 mm的中线偏位最大值。在顶推距离达2.254 m时，梁体后端出现10 mm的中线偏位最大值。

整个试顶推过程中导梁前端无下挠现象，1#临时墩墩顶无水平位移，梁体中线偏位满足设计要求。

3.2.2 应力情况

试顶推期间1#临时墩应力最大变化值为5.88 MPa，反力座底部应力最大变化值为17 MPa；梁体应力最大变化值为2.03 MPa，构件结构受力状况良好，满足设计要求。

3.3 顶推阶段

3.3.1 临时墩空间变位

正式顶推期间左幅桥1#临时墩墩顶分别出现了最大值为8 mm的纵桥向位移以及最大值为2 mm的横桥向位移。右幅桥1#临时墩墩顶分别出现了最大值为5 mm的纵桥向位移以及最大值为2 mm的横桥向位移。结果显示，1#临时墩的墩顶横桥向位移及纵桥向位移在整个顶推期间均小于理论计算值，满足设计要求。

3.3.2 临时墩应力

正式顶推期间左右幅桥1#临时墩墩底出现最大应力值分别为71.82 MPa和41.79 MPa(见图4)。

图4 顶推阶段1#临时墩应力变化

结果显示，1#临时墩墩底应力变化在整个顶推期间均满足规范和设计要求。

3.3.3 结构变形

通过对顶推阶段进行实时的监测，选取了导梁最大悬臂状态下位移最大的L1测点、顶推体系受力的关键点——钢导梁与混凝土梁结合部位L2测点为典型控制测点。由图5可知，导梁及顶推梁段实测变形曲线与理论变形曲线相近。

图5 顶推过程控制测点变形曲线对比

3.3.4 结构应力

图6所示为顶推过程中典型永久墩位置截面B、梁跨中典型临时墩位置截面D测点应力曲线。由监测结果可知，结构出现的压应力最小值为1.3 MPa，未出现拉应力，在整个顶推期间受力状况良好，各截面实测应力值趋势与理论应力值相符。

图6 梁体关键截面测点应力曲线对比

北环铁路分离式立交桥在顶推过程中，导梁与混凝土梁结合处未见异常，1#临时墩位移量符合设计要求，梁体线形及应力在合理范围内，顶推就位精度满足设计要求。通过实时监测，指导顶推施工，分离式立交桥共历时4 h，安全顺利完成整个顶推施工。

4 结论

(1)通过试顶推校验了顶推系统工作状态良好，各部位受力状态与设计要求吻合。

(2)顶推过程中各截面实测应力值趋势与理论应力值相符，未出现拉应力，主梁及导梁实测变形值符合设计要求。临时墩柱变形和应力数据均符合设计要求。