篁园大桥刚性吊杆更换及施工监控分析

许兴华

(义乌市市政设施处,浙江 义乌 322000)

0 引言

公路、市政桥梁建设完成后投入运营期间,容易受露天环境、交通、水流侵蚀等外部因素的影响,从而出现桥梁磨损、开裂、破坏等病害。自20世纪80年代起,我国建成了大量的吊杆拱桥[1],如今城市桥梁建设存量大,吊杆作为拱桥主要的受力构件,受制于当时设计、施工技术水平的制约,早期建设的桥梁,吊杆大多出现了不同程度的病害,旧桥维护加固问题日益突出[2-5]。为了确保老桥的正常运营,文章依托义乌市篁园大桥维修工程,对下承式拱桥换杆及施工监控展开分析,该工程可为类似桥梁维修工程提供参考。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

篁园大桥建设于20世纪90年代,大桥跨越义乌江。主桥为钢管混凝土系杆拱桥,吊杆为19对高强钢丝60Φs7 mm,吊杆护套内灌注水泥砂浆形成刚性吊杆,引桥为5跨装配式简支梁桥。大桥全长190.7 m,跨径组合为2×20 m+80 m+3×20 m。桥梁横断面总宽29 m,大桥板厚200 mm,铺装采用8 cm厚防水混凝土和5 cm厚沥青混凝土组合形式。桥梁下部结构为立柱式桥墩、重力式桥台如图1,图2所示。

1.2 桥梁使用现状

篁园大桥运营时间已超过20 a,吊杆使用时间较长,经桥梁检测发现桥梁吊杆索力存在偏差大的异常现象:

1)上游侧主拱吊杆有11根的实测索力与去年索力值相比偏差在5%范围内,1(E14)根吊杆索力误差在±5%～±10%内,有1根吊杆(E13)索力偏差超过±10%。

2)下游侧主拱吊杆有11根的实测索力与设计索力值相比偏差在±5%内,有1根(W13)吊杆索力偏差在±5%～±10%内,有1根(E10,E12,E13,E16)吊杆索力偏差超过10%。

3)上游和下游编号相同的吊杆索力偏差普遍在±5.0%～±10.0%之间,5号、14号、16号吊杆的索力值偏差较大,在16.64%～34.99%之间。

2 施工及监控方案

2.1 吊杆更换的原则

1)保障桥梁结构安全的原则,吊杆更换对主梁、拱肋受力安全影响性大,施工前应进行严格的仿真计算并且更换的吊杆应优先考虑同类型吊杆,在非常规的情况下可以在充分比选下选择吊杆类型。同时采用高强度材料,具备足够的安全储备。

2)吊杆更换可操作性原则,新更换的吊杆应满足桥梁构造要求,同时应满足可更换、可维护、便于施工的要求。

2.2 吊杆施工控制的原则

吊杆更换影响桥梁安全,甚至会造成严重的事故。因此更换施工过程中应严格控制,对主梁内力、拱肋内力、吊杆索力、桥面线形等应及时监控。针对桥梁结构特点,编制针对性的监控监测方案对吊杆更换施工进行指导和监测。

1)更换前后桥面标高偏差在允许范围内:施工前应对全桥标高进行测量。施工过程中应对更换位置处适当位置的桥面标高进行测量。施工完成后对全桥标高测量、调整,与施工前相同测点的标高差应满足现行《公路钢管混凝土拱桥设计规范》[6]等相关规范和标准要求。

2)吊杆索力绝对值及相对偏差满足相关规范要求,应对更换吊杆前后相邻吊杆的索力进行检测。在吊杆更换前、吊杆完全卸载后、新制吊杆安装完成后对相邻吊杆的索力进行测量、记录,并与理论计算值进行对照。更换过程中吊杆索力差(全桥索力调整后)应满足现行《公路钢管混凝土拱桥设计规范》等相关规范和标准要求。

3)吊杆更换过程中系梁混凝土应力变化满足相关要求,吊杆拆除施工对主梁或系梁应力影响较大,尤其是纵横梁体系桥梁。因此应对系梁的顶底表面混凝土应力进行监测,及时测定应力增量并与理论值进行对照,防止混凝土开裂。

2.3 吊杆施工方案

吊杆更换采用临时吊杆法,即在拱肋与主梁之间设置临时吊杆,通过对临时吊杆进行分级张拉达到对原吊杆进行卸载的目的。新吊杆安装并逐级张拉的同时相应地对临时吊杆进行放张,将内力转移至新安装吊杆上。

临时吊杆法相关施工措施总体上包括拱顶分配梁、梁底分配梁、临时吊杆、同步顶升系统等。临时吊杆法布置示意如图3所示。同时为了辅助原吊杆拆除、新吊杆安装,施工作业时需在拱肋、系梁底部搭设施工作业平台。施工作业平台结合桥梁结构、临时吊杆形式及布置等灵活设置。

2.4 吊杆更换监控方案

1)高程监测:桥面沿主桥跨度各吊杆处设置高程测点(见图4),每根吊杆向桥面50 cm处设置一个测点,伸缩缝桥内桥外各设置一个测点,单幅桥面每侧共计23个测试点,全桥合计46个高程测点,拱肋沿跨度4等分处、纵梁中点及两端处设置高程测点。采用精密电子水准仪进行测量:施工准备阶段测得1次初始值,吊杆更换阶段应随吊杆体系转换过程每级转换实时测量,全桥桥面高程应测2次～3次,施工结束后测得一次结束值。施工过程中位移变化控制在±2 mm以内,吊杆更换完成后位移变化控制在±4 mm以内。

2)应力应变监测:对主纵梁1/2跨径处,拱肋1/4,1/2,3/4跨径和拱脚处采用应力监测(见图5),监测方法为振弦式表面应变计及配套的自动化采集仪,结构在施工过程中实际应力应与设计相差控制在20%以内,施工完成后自重状态下实际应力应与设计相差控制在5%以内。

3)吊杆索力监测:监控时用张拉吊杆时千斤顶油压和环境随机振动法综合测定吊杆张力,每一根吊杆的更换需测量3次吊杆索力,依次为兜吊体系安装前、原吊杆卸除和新吊杆张拉完成临时吊杆拆除。全桥吊杆更换完成后,吊杆索力与原索力(施工前)变化控制在15%以内,其中原吊杆索力与设计索力偏差较大的,应由设计单位验算后确认。

3 施工监控结果分析

3.1 高程监测分析

图6为篁园大桥吊杆更换前后各吊杆监测点桥面相对高程,由图6可知,篁园大桥吊杆更换后总体吊杆施工前后高程偏差均在8 mm以内,其变化的原因为工期较长,施工前后测量温度差值较大(施工前34 ℃、施工后19 ℃),除去温度效应及施工支座变化量,桥面标高总体控制在3 mm左右,满足设计各吊杆更换前后桥面标高差值不得大于4 mm的要求。

拱肋施工前后高程变化如表1所示,拱肋高程变化最大处为N1.7,变化值为-0.25 mm,远低于控制值,表明吊杆更换过程中拱肋高程得到了较好的控制。

表1 施工前后拱肋高程变化

3.2 应力应变监测分析

应变监测采用自动监测,数据量较大,采用吊杆索力值偏差较大的N16吊杆更换时的应力应变数据进行分析。经分析可知,篁园大桥吊杆更换时拱肋各测点的应变变化量大部分控制在-80με～+80με以内,加上桥梁自重应力后,总应力小于拱肋的钢材容许应力,表明在整个吊杆更换过程中拱肋的应力变幅满足规范要求。主纵梁各测点的应变变化量大部分控制在-40 με～+40 με以内,加上桥梁自重应力后,总应力小于主纵梁的容许应力,表明在整个吊杆更换过程中主纵梁的应力变幅满足规范要求。

3.3 吊杆索力监测分析

篁园大桥吊杆边界条件复杂且吊杆为刚性吊杆会影响测得索力值的准确性,具体影响大小为[7]:

(1)

其中,ΔT为与刚度相关的吊索力变量值。

由式(1)可知,吊杆索力测试结果影响值与吊杆计算长的平方成反比关系,与吊杆的刚度成正比关系。为降低吊杆刚度对索力测试的影响,采用上海建筑科学研究院的基于状态等效法技术测得具体索力值。

施工前后吊杆索力值详见表2,索力测试时未安装减振块。N1,S1,N19,S19吊杆长度过短无法测得其索力。由表2可知,除N16吊杆成桥吊杆索力与施工前索力相差5.8%,其余吊杆力与吊杆设计力相差均在±5%以内,且南北吊杆索力分布较为均匀,表明本工程吊杆更换满足设计要求,施工质量合格。

表2 吊杆更换前后索力监测结果

4 结论

义乌市篁园大桥主桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥,吊杆护套内灌注水泥砂浆形成刚性吊杆,吊杆更换工程采用临时兜吊系统更换19对吊杆,以高程和内力双监控的原则进行施工监控。根据施工监控结果分析,得到以下几点结论:

1)由于吊杆为刚性吊杆,其索力测试影响值与吊杆计算长度的平方成反比,与吊杆的刚度成正比,即吊杆刚度越大时,索力测试值与实际值偏差越大。因此在结合新型技术测试吊杆索力的同时,应该采用高程监控为主、内力监控为辅的双控制原则。

2)吊杆更换过程中,桥面高程变化量总体控制在3 mm左右,满足设计各吊杆更换前后桥面标高差值不得大于4 mm的要求;拱肋高程变化量-0.08 mm～-0.25 mm远低于控制值,表明吊杆更换过程中拱肋高程得到了较好的控制。

3)吊杆更换过程中,除N16吊杆成桥吊杆索力与施工前索力相差5.8%,其余吊杆力与吊杆设计力相差均在±5%以内,且南北吊杆索力分布较为均匀,表明本工程吊杆更换满足设计要求,施工质量合格。