重慶鐵路轉體橋施工力學特性分析及監控

張 敏，李夢微，李 盼，梁 斌★

（1.中鐵十五局集團第三工程公司，成都 610097；2.河南科技大學土木工程學院,河南 洛陽 471023）

0 引言

近年來，橋梁施工技術不斷完善，轉體施工法在橋梁施工中嶄露頭角。轉體施工法通過轉盤、牽引系統以及相關設備將橋梁結構旋轉就位并進行安裝，最初用于建設跨山跨河的橋梁，隨著交通四通八達，跨線橋梁越來越多。轉體施工具有節約用材、施工安全系數高、不影響通航等一系列優勢，因而其適用范圍越來越廣泛[1-2]。本項目施工過程比較復雜，要經歷懸臂澆筑梁段、邊跨及中跨合攏、解除臨時約束，且受溫度、日照等因素影響，這些不可避免的因素使得測得的主梁內力和位移存在誤差從而偏離設計值。因此，監控大型懸臂箱梁轉體橋施工過程對確保轉體過程安全性來說十分必要[3]。

目前國內外學者主要采用理論分析、數值模擬并與施工現場實測相結合方法研究橋梁轉體問題。文獻[4]以廬山特大橋轉體施工工程為背景，對關鍵工況進行應力場分析，對關鍵部位進行應力監測，對比分析實測值與數值模擬值，以評估橋梁施工安全性。文獻[5]以石家莊某鐵路上跨橋為例，通過對橋梁結構進行實時監測及施工模擬分析，對模型參數進行修正使得結構變形、內力及線形滿足設計要求，同時進行稱重配重研究得出的參數也為橋梁轉體施工的安全性提供了保障。文獻[6]依托瑞九鐵路廬山站特大橋工程，分別對該橋鋼桁梁、臨時墩和滑道梁在施工全過程的應力和線型進行數值模擬及實時監測，并依據計算結果對危險工況下滑道梁提出了加固措施。文獻[7]以某在建橫跨鐵路特大橋為例，通過ABAQUS有限元分析軟件對轉體施工過程中結構關鍵部位應力分布進行模擬分析，并與實時監測數據進行對比，說明可通過加強局部構造保證轉體安全施工。文獻[8]以滬杭高速鐵路大跨自錨上承式拱橋工程為依托，對施工全過程進行數值模擬及監控，保證了橋梁施工的安全性。相關轉體橋施工研究成果還有文獻[9-16]等。但是對于西南地區鐵路樞紐橋梁上跨既有鐵路橋梁的施工研究仍欠缺。本文以重慶市YDK0+603.19～YDK3+168.59標段的鐵路樞紐東環線珞璜南右線特大橋工程為依托，采用有限元分析軟件Midas civil建模，研究轉體橋關鍵工況的力學特性，通過分析橋梁變形、內力的數值模擬值并與監測值進行對比，及時調整設計參數，確保結構內力及線形與設計要求相符合，為同類型轉體橋施工提供借鑒與指導。

1 工程概況

重慶鐵路樞紐東環線珞璜南右線特大橋位于重慶市江津區境內，起訖里程YDK0+603.19～YDK3+168.59，全長2 565.4 m，是重慶鐵路樞紐東環線上最長橋梁、第一座上跨既有鐵路轉體橋梁，也是施工難度最大的控制性工程。該橋采用（44+80+44）m連續梁，在29號墩和30號墩之間跨越既有渝貴線鐵路，夾角為23.11°。主梁采用單箱單室、變高度結構，等高梁段梁高3.3 m，非等高梁段梁底按二次拋物線規律變化，梁頂寬7.6 m，底寬4.5m，梁體內設高強低松弛鋼絞線，直徑為15.2mm。轉體主墩承臺分為兩個臺階，在上下承臺之間設置轉體系統，轉體系統由上下球鉸、撐腳滑道、定位骨架、牽引系統等組成，其中球鉸起主要支撐作用，撐腳輔助以抗傾覆，采用液壓同步千斤頂通過施加轉動力矩提供牽引動力。轉體施工前梁邊距既有線較近，水平距離為4.6 m，并且工程地質復雜。為了保障橋梁施工安全性且減少施工對既有線路交通運輸的干擾，先在既有線路兩側沿平行于既有線方向對稱懸灌梁體形成T構，在轉體系統作用下進行逆時針轉體，轉體就位后先進行邊跨合攏段施工后進行中跨合攏段施工，轉體總重量5 400 t。

2 轉體橋施工有限元分析

2.1 橋梁施工過程力學模型

采用Midas civil軟件建立全橋有限元模型如圖1所示，按照實際施工過程進行主要工況的模擬分析，計算橋梁在各施工工況下的應力及位移值，以評估施工安全性。本模型將上部箱梁劃分成84個節點，63個單元。

圖1 全橋有限元模型

2.2 設計參數

箱梁采用C55混凝土，縱向預應力筋采用公稱直徑15.2 mm高強低松弛鋼絞線，孔道摩擦系數μ=0.23，偏差系數k=0.001 5，錨具一端回縮值為6 mm。根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》中的規范值[17]，其模型中材料參數取值如表1。

表1 材料特性表

2.3 施工過程主要工況

轉體橋有限元分析中，結合實際施工設定16種主要工況如下：

①0＃梁段混凝土澆筑后，張拉預應力束。

②掛籃定位，1＃梁段混凝土澆筑后，張拉預應力束。

③-⑩重復上一步驟循環施工至9＃梁段。?澆筑邊跨合攏段，張拉預應力束，拆除邊跨支架及掛籃。

?體系轉換，拆除邊墩臨時固結。

?澆筑中跨合攏段，張拉預應力束，拆除中跨支架及掛籃。

?張拉剩余鋼筋。

?橋面鋪裝及附屬設施安裝。

?收縮、徐變10年。

2.4 橋梁受力及變形分析

由表2可知：該橋截面應力最大值發生在工況14，位于跨中位置，其值為12.36 MPa，小于混凝土極限抗壓強度，截面壓應力突然增大，與張拉剩余鋼筋密不可分；最大位移值逐漸增大，拆除梁端支架，主梁線形變化較大，在工況11中增至14.64 mm，由于張拉剩余鋼筋，在14工況時迅速增至26.34 mm，之后又減至16.23 mm，位移最大值發生在第14工況，位于8#梁段與9#梁段交界面，其值為26.34 mm。分析結果表明，受力及變形情況均滿足設計要求。工況14為該轉體橋施工中最不利工況，應注意該工況下施工質量以及實時監測。

表2 箱梁截面最大應力及位移值

2.5 關鍵工況受力及變形

成橋階段軸力和彎矩分布情況見圖2?；炷林髁航孛婢幱谑軌籂顟B，全橋梁單元軸力以跨中為中心對稱分布；最大軸力發生在支座處，其值為71 452 kN，跨中軸力較小，支座處至橋梁兩端截面軸力逐漸減小，端點處軸力最小，說明靠近支座處是危險截面，容易發生破壞；最大彎矩處于懸臂根部附近截面，其值為41 689 kN·m，跨中出現負彎矩為-7 509 kN·m。支座及跨中這兩個位置是關鍵工況中最危險受力點，在施工中應加強這些部位的鋼筋連接。

圖2 內力云圖

由圖3可知：轉體過后，拆除邊墩臨時固結，體系發生轉換，全橋截面應力分布較為對稱，最大應力發生在懸臂根部，懸臂根部至T構梁兩端截面應力值逐漸減小，兩端應力最??；跨中合龍后，應力最大值仍發生在懸臂根部，橋梁兩端應力最小。體系發生轉換后，截面應力最大值為8.16 MPa，跨中合攏后，截面應力最大值為8.49 MPa，未達到混凝土極限抗壓強度，懸臂根部截面應力較大，應選為應力監測截面。

圖3 關鍵工況內力云圖

3 實時監控

3.1 監測目的

橋梁施工過程中，對主梁的線形、應力進行了實時監測，并與數值模擬值相比較，判斷工程安全性；根據對比情況，及時調整設計參數，杜絕危險狀況發生，使橋梁施工實際狀態最大程度上接近理想狀態，形成實施方案，指導現場作業，為橋梁合龍及成橋后行車順暢提供安全保障。橋梁轉體施工如圖4所示。

圖4 轉體施工圖

3.2 監測方案

3.2.1 位移監測

采用精密水準儀，各梁段設置5個高程測點，梁頂、梁底分別布置3個、2個，將標高基準點設在0＃塊墩頂，作為之后各懸澆節段高程觀察的基準點，用來控制頂板的設計標高。為保證線形觀測準確性，需要確保測點在澆筑過程中不出現損壞與移動現象，將短鋼筋與兩層以上普通鋼筋呈九十度角點焊牢固埋設至梁段前端，澆筑后鋼筋頭露出箱梁表面。

3.2.2 應力監測

采用鋼弦式應變計進行應力測試，通過間接法，根據頻率和應變轉換計算公式經過一定轉化，再按照公式σ=E·ε進行計算(σ為截面應力，ε為實測應變，E為材料彈性模量)。由于主梁懸臂根部截面內應力變化較大，因而其被設為應力觀測截面，沿順橋向在每個T構0#塊與1#塊交界面位置處分別設應力觀測截面A-A、A'-A'、B-B、B'-B'，每個斷面預埋6個應變計，頂板、底板處各3個。測點布置如圖5所示。

圖5 應力監測布置圖

4 監控結果

4.1 位移監控結果

在懸臂澆筑過程中，對各個工況下梁頂標高進行了測量，由于監測數量較大，且施工及監測存在誤差，取實測平均值作為各工況下位移監測結果，梁頂標高的實測值與數值模擬值隨施工過程的變化曲線如圖6所示。

圖6 測點高程數值模擬值與實測值對比

由圖6可知：小里程一側折線圖中數值模擬值與實測值重合度比較高，二者相差不大，數值相差較大出現在工況1、2、7，最大差值發生在工況2下，其值為15 mm，大里程一側折線圖中數值模擬值與實測值重合度也比較高，數值相差較大出現在工況2、3，最大差值發生在工況3下，其值為19 mm。梁頂標高值誤差均在20 mm以內，滿足設計要求，表明主梁線形良好；各懸澆塊段之間銜接順暢，在懸臂施工過程中線形監控較為有效。

由圖7可知：轉體橋部分支架被拆除后，主梁線形出現較大變化。小里程、大里程側支架拆除前后梁頂高程差值變化規律基本一致，隨著距梁端距離越大差值逐漸減小，小里程、大里程側梁頂高程差最大值均發生在距梁端5 m處，其值分別為16 mm、20 mm，滿足設計要求，小里程側距離梁端越遠截面梁頂高程越大，反之高程則越小。大里程側距離梁端越遠截面梁頂高程越小，反之高程則越大。拆除支架后梁頂標高實測值與數值模擬值差異不大，誤差均在20 mm以內，說明主梁線形滿足設計要求。

圖7 支架拆除前后頂板高程變化

4.2 應力監控結果

對T構主梁控制截面施工全過程的應力進行監測，并結合數值模擬分析對比，規定受壓為負值，受拉為正值，取實測平均值作為各工況下應力監測結果，如圖8所示。

圖8 測點應力數值模擬值與實測值對比

由圖8對比分析可知，隨著T構進行懸臂澆筑，懸臂根部測試截面均處于受壓狀態，應力緩慢增加，很少有突變情況發生；最大壓應力發生在頂板處，其值為8.14 MPa，小于混凝土極限抗壓強度，由于頂板預應力筋分布更為密集，相較于底板而言，頂板應力值始終大于底板應力值。頂板處應力數值模擬值與實測值差值最大發生在第8工況，其值為0.92 MPa，底板處應力差值最大發生在第10工況，其值為0.81 MPa，滿足設計要求。數值模擬值與實測值變化趨勢基本一致，具有較好的一致性，表明數值模擬值可作為核對實際監測值的依據。

對T構最大懸臂狀態及轉體后懸臂根部截面的應力進行監測，監測結果分別如圖9、圖10所示。

圖9 最大懸臂狀態數值模擬值與實測值對比圖

圖10 轉體后截面數值模擬值與實測值對比圖

由圖9、10對比分析可知，轉體前后截面均處于受壓狀態，應力最大值出現在轉體后B'-B'截面頂板處，為8.12 MPa，小于C55混凝土抗壓強度標準值。當T構轉體前處于最大懸臂狀態時，底板應力值趨于4 MPa，頂板應力值趨于8 MPa。轉體后，底板應力值趨于5 MPa，頂板應力值趨于8 MPa，頂板底板處應力差值變小，差值由最大懸臂狀態時的4 MPa變為轉體后的3 MPa，各控制截面的應力趨于均勻。同一監測斷面上同一側三個測點的實測值非常接近，說明應力監控方案合理性及測量的準確性。

5 實施效果

2018年12月18日凌晨，位于既有渝貴高鐵東西兩側兩幅重達5 400 t的T構橋梁順利轉體，合攏軸線精度在2 mm以內、高差精度在15 mm以內，重慶第一次實現轉體橋梁對既有鐵路成功跨越。在轉體施工過程中，通過對整個大橋進行數值模擬及實時監測，提出加固措施并實時修正設計參數，保證橋梁轉體順利進行，成橋線形符合設計要求。轉體橋施工竣工見圖11。

圖11 重慶鐵路樞紐東環線珞璜南右線特大橋轉體橋施工竣工圖

6 結論

以重慶鐵路樞紐東環線珞璜南右線特大橋工程為依托，對橋梁結構進行施工模擬及實時監測，確保結構變形、內力及線形符合設計要求，為同類型轉體橋施工提供借鑒與指導。

①工況14為危險工況，箱梁截面應力最大為12.36 MPa，位于跨中，位移最大發生在8#梁段與9#梁段交界面，其值為26.34 mm。成橋階段，最大軸力出現在支座處，最大彎矩出現在懸臂根部附近；支座及跨中這兩個位置是關鍵工況中最危險受力點，在施工中應采取加強措施。

②線形監測表明在轉體施工過程中，小里程、大里程側梁頂標高數值模擬值與實測值差值最大分別為17 mm、19 mm；轉體完成拆除支架后，主梁線形變化較大，小里程、大里程側變化最大分別為16 mm、20 mm，主梁線形滿足設計要求。

③懸臂梁根部應力監測表明，頂板應力值始終大于底板應力值，最大壓應力發生在頂板處，其值為8.14 MPa，小于C55混凝土抗壓強度標準值，頂板、底板處應力數值模擬值與實測值差值最大分別為0.92 MPa、0.81 MPa，滿足設計要求。