新建桥跨既有桥施工监测技术研究

卢永东

摘要 针对新建桥跨既有桥施工项目，提出通用性的施工方案及分阶段监测方法。以某既有水道桥为例，全桥共九联，以左幅第四联（跨径组合为3×25 m）、右幅第四联（跨径组合为45+25 m）和第五联（跨径组合为3×25 m）作为工作平台，对一座上跨该水道桥的简支小箱梁桥进行吊装施工，研究监测点的布置方案、监测参数的选择、监测阶段的划分。有限元建模计算值和实桥实测值比较表明，绝大多数监测点的实测值都小于理论值，在整个施工阶段中结构是安全的。所有监测点的实测值和结构分析的理论值随着监测工况改变的变化规律相似。上述算例表明，文章提出的新建桥跨既有桥施工阶段划分的思路、监测参数的选取方案、监测点的布置方案合理可行，可为类似新建桥跨既有桥施工项目的监测方案提供决策参考。

关键词 新建桥跨既有桥；施工监测；监测参数；测点布制；监测阶段

中图分类号 U445.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0049-04

0 引言

近年来，我国的高速公路网在不断地发展完善，新建桥跨既有桥工程越来越多。长沙市万家丽立交[1]是湘府路跨越既有万家丽高架桥而修建的立体交通枢纽。滨莱高速公路改扩建工程[2]的转体新建桥在转体前需要上跨既有高速公路桥。上跨沪昆铁路的某公铁立交桥整体换梁项目[3]则利用既有桥梁的下部结构，对需要改造更换的旧梁进行了同步顶升安装。

就常规桥型而言，对于连续刚构桥[4]和连续梁桥[5]，监测的关键参数主要为墩顶标高、主梁墩顶截面上下缘应力、墩间跨中截面上下缘应力、各节段标高。针对简支梁桥，研究对象多为简支钢桁架梁桥[6]。监测的关键参数主要为钢桁梁预拱度（下弦杆节点挠度），钢桁梁控制截面的上下弦杆、腹杆、斜杆位置的应力（跨中和1/4跨作为控制截面），临时墩应力和顶推导梁应力。

对新建桥跨既有桥项目的施工监测研究主要针对新建桥梁，而对既有桥的监测方法研究较少。该文研究了当以既有桥为施工作业平台进行钢混叠合梁吊装施工时，新建桥跨既有桥的施工监测方法；分析了作为施工作业平台的25 m简支小箱梁及盖梁的受力特点；重点讨论了对既有水道桥的主梁和盖梁的监测要点，为类似工程的施工监测方案提供决策参考。

1 新建桥跨既有桥施工方案

1.1 工程概况

某新建互通立交共设置4条匝道，其中A匝道1号桥共13联，第十二联41#～42#跨上跨既有水道桥，采用“桩基础+柱式墩+盖梁+70 m钢混叠合梁”结构。钢混叠合梁采用先吊装、后叠合的施工工艺。

既有桥设计速度为100 km/h，由上、下行两幅桥组成。单幅桥的上部结构为25 m预制简支预应力小箱梁，下部结构为“桩基础+双柱式墩+盖梁”的结构，桥面宽16.5 m。

A匝道1号桥第十二联的施工方案为：以既有桥为施工作业平台进行跨线互通钢混叠合梁的吊装施工。在新建立交桥工程施工期间，为保证施工荷载不会对既有水道桥造成损伤，降低跨桥施工对既有高速营运的影响，依据跨线钢混叠合梁吊装施工方案，对既有水道桥进行结构分析，对结构关键点处的应力和位移进行监测。

A匝道1号桥跨高速部分钢混叠合梁，设计为70 m跨弯梁，由4片主梁构成，其中单片钢梁最重约130.19 t，单片混凝土叠合板重约100.7 t。由于上跨钢混叠合梁与既有水道桥的斜交角度为44 °，高速上搭设临时支墩困难，吊装难度极大。

该跨共设计4片钢混叠合梁，由于是弯桥，每片梁的梁长及重量参数表见表1所示：

1.2 吊装顺序

根据现场的地形条件及机械的起重吊装能力，总体吊装思路是采用3台吊车接力抬吊。施工步骤：梁段在工厂内按设计划分节段加工完成后，运输至现场拼装成整体的钢梁，用1台400 t履带吊（趴位于桥底）与1台300 t汽车吊（趴位于既有桥左幅桥面）将70 m钢梁抬吊至既有桥的左幅上临时存放，再通过桥底400 t履带吊配合另一台300 t汽车吊（趴位于既有桥右幅桥面）将钢梁从左幅桥面接力抬吊至设计的盖梁上。同理，依次将4片钢梁吊装就位。吊装布置如图1所示。

为减少既有水道桥上300 t汽车吊作业产生的荷载对既有桥的结构影响，采用设置不同吊点距离（不平衡吊），使钢梁的大部分重量由桥底400 t履带吊承受，而桥面上的吊车仅承受小部分钢梁重量。根据计算得出每台吊车吊点承受的荷载如表1所示。

2 新建桥跨既有桥施工监测方法

2.1 监测阶段的划分

分析吊装施工方案可知：对于既有水道桥的左幅桥，当左幅桥面的300 t汽车吊抬吊钢箱梁时，桥梁结构承受了最大的施工荷载；对于既有水道桥的右幅桥，当右幅桥面的300 t汽车吊抬吊钢箱梁时，桥梁结构承受了最大的施工荷载。将吊装施工过程分为8个监测工况。

监测工况一：400 t履带吊（桥底）和300 t汽车吊（左幅桥面上）将1号梁抬吊至既有桥的左幅桥面。

监测工况二：400 t履带吊（桥底）和300 t汽车吊（右幅桥面上）接力抬吊1号钢梁至设计桥位。

监测工况三～监测工况八：重复1号梁吊装过程。

2.2 监测参数与监测点布置

为保证汽车吊不会对既有水道桥造成新的损伤，该项目对既有水道桥进行了应力监测和变形监测。应力监测包括小箱梁正截面拉应力监测、小箱梁主拉应力監测和盖梁正截面拉应力监测。变形监测包括小箱梁挠度监测和盖梁挠度监测。

根据吊梁施工过程，结合有限元计算，确定测点布置如图2（平面）、图3（立面）所示。其中，16#、17#盖梁及桥墩为整体式，故用F16#、F17#表示，不分左右幅，其余左右幅分别用FZ和FY表示。在左幅FZ14#～FZ16#桥跨和右幅FY15#～FY17#桥跨的各主梁的1/2跨和1/4跨处断面的梁底处，以及在F16#桥墩盖梁和左幅FY15#桥墩盖梁的跨中底部、墩柱顶部，设置应变片，监测对应工况下的正应力。在左幅FZ14#～16#桥跨，以及右幅FY15#～FY17#桥跨的各主梁支点截面的腹板单侧沿着高度方向的中点处，设置应变花，监测对应工况下梁体的主拉应力。在左幅FZ14#～FZ16#跨和右幅FY15#～FY17#跨的各主梁1/2跨处断面的梁底，以及在F16#桥墩盖梁的跨中底部和左幅FY15#桥墩盖梁的悬挑端设置位移计，监测对应工况下的挠度。

新建A匝道1号桥的4片钢梁分4次完成吊装。吊装每片梁时，左、右幅桥面吊车的趴位都不一样。在不同的监测工况中需要监测的桥梁结构危险点也不相同。每吊装一片钢梁，吊车趴位就要沿着道路下行方向移动一段距离。根据8个监测工况将所有监测点分成6个监测区，测区共涉及四跨主梁和两处盖梁，如图2所示。不同的监测工况采集的监测点由这6个测区中的若干个测区组合而成。如图3所示为应力和位移监测点的立面示意图。

3 有限元分析

采用MIDAS Civil软件建立既有水道桥主梁的单梁杆系有限元模型，一个单梁模型包含33个节点、30个梁单元和8根钢束。采用主从节点弹性连接且主节点设置简支边界条件模拟支座。有限元模型共设置6个施工阶段，模拟了预制预应力小箱梁、存梁、施加二期恒载、混凝土收缩徐变、吊车上桥和悬吊钢梁的施工阶段。通过将吊车自重传递的车轮压力和吊点吊重传递的支腿压力，分别都乘以各主梁的荷载横向分配系数，以计算每个主梁上分配到的施工荷载。F16#盖梁的模型包含59个节点、56个梁单元和10根钢束。采用主从节点钢性连接模拟墩顶与盖梁的连接。左幅FZ15#墩的模型包含35个节点、32个梁单元和6根钢束。根據主梁模型的计算结果，可以提取出由主梁自重和二期恒载引起的支座反力、吊车自重引起的支座反力和吊点吊重引起的支座反力，分别施加到盖梁模型上的对应节点上，有限元分析结果见表2所示。理论计算表明，在70 m跨钢混叠合梁吊装施工的过程中，作为施工平台的既有水道桥是安全的。

4 实测值与理论值的对比分析

通过提取有限元模型在汽车吊支腿压力（仅考虑起吊重量）作用下的关键点应力和位移，可以得到主梁在不同监测工况下的监测理论值，以此作为施工监测过程中的控制阈值。如果监测点实测值超出了理论值，则说明结构存在安全隐患。

该次监测的主梁共涉及4跨共20片、盖梁共2处。在用于监测盖梁F16#的监测区2中选择4个测点，对应监测点位置见图2所示。在涉及4跨主梁的测区1、3、5、6中，分别选择一根应力最大的小箱梁上的4个测点，分析监测结构。监测区1～2号主梁（左幅FZ15#～F16#跨的2号主梁）的拉应力和以及16号盖梁的拉应力在对应监测工况下的理论值和实测值变化规律见图4所示。

根据模型计算结构，分别对主梁和盖梁进行结构验算。结果表明，截面弯矩、剪力、挠度均满足规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[7]要求，如表2所示，误差用负号表示，实测值小于理论值。

由上述监测与理论计算结果可知：①汽车吊趴位越靠近支点，支点应力峰值越大。②在吊点吊重传递的支腿压力作用下，主梁监测结果中监测点的实测值均小于理论值，属于合理的理论和现场采集误差，所以在整个施工阶段未造成新的损伤。

5 结语

该文以新建桥跨既有桥工程监测项目为例，研究了以既有桥作为施工平台进行吊装新桥时，各施工阶段对应工况对既有桥的影响，通过分析既有桥在吊装施工期间的应力和变形变化情况，对施工过程进行及时反馈和调整，确保既有桥在特殊短暂工况下不出现新的损伤，主要结论如下：

（1）提出了新建桥跨既有桥施工监测阶段划分的思路和方法，给出了监测参数的选取方案、监测点的布置方案，为今后同类工程的监测提供了参考。

（2）在既有水道桥的结构监测结果中，主要构件监测点的实测值都小于理论值，属于合理的理论和现场采集误差，在整个施工阶段中结构是安全的，理论验算结构均满足规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[7]要求。

（3）在既有水道桥的结构监测结果中，所有监测点的实测值和结构分析的理论值随着监测工况改变的变化规律相似，说明结构的计算理论可靠，可以为类似施工项目的监测方案提供决策参考。

参考文献

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[7]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.