既有斜拉桥桥面铺装更换施工分析_周建庭.pdf

书书书第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 既有斜拉桥桥面铺装更换施工分析周建庭，任伟，王宗山，余建（重庆交通大学土木工程学院，重庆 ；重庆市市政设施运行保障中心，重庆 ）摘要：为保证重庆马桑溪长江大桥整治工程施工过程中的桥梁结构安全，对该桥整治施工全过程开展施工监控，对不同施工工况下的实桥进行了试验量测和仿真分析。有限元分析和实测结果表明：桥梁结构主梁位移和应力与斜拉索索力的实测结果与变化趋势均符合理论变化规律，且均控制在安全指标之内。桥面施工整治中的配重方案对主梁影响不明显，此后同类整治工程中可简化配重方案，即可一次施加配重或者验算通过后不施加配重。此外，同类工程可考虑将主梁线形作为主要监控指标，索力及应力作为辅助监控指标以指导施工。施工监控结果表明该整治工程的施工方案是切实可行的，可为今后国内外大跨径斜拉桥整治工程提供参考。关键词：斜拉桥；仿真分析；施工监控；配重中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；重庆市教委科技项目（）第一作者：周建庭（），教授，主要研究方向为桥梁检测加固、结构损伤与健康监测，近年来，国民经济飞速发展，经济的迅猛发展离不开国家对基础设施的投资与建设。年交通运输行业发展统计公报 显示，截至 年年末，我国公路桥梁已达 万座。随着经济社会的快速发展，桥梁承担的交通量日益增加，桥梁病害问题也日益凸显。如何处置这些桥梁病害，是国内交通领域的一个重大问题。针对桥梁维修整治，周松等在横潦泾大桥主梁整体顶升时，监控了梁体应力以及梁体横向、竖向位移偏差，证实了整体顶升百米级大跨度连续梁更换支座是切实可行的；荆友璋等在大连北大友谊桥更换桥面系、张拉主缆及吊索的维修加固中，对桥面线形、桥塔偏位、跨中上桁弦杆及横梁的应力进行了监控，结果表明，结构线形与内力符合维修加固预期目标，结构整体受力性能得到改善；吴庆雄等在青州闽江大桥的维修中监控了气象条件、位移、应力和索力，结果表明，不中断交通更换特大跨径斜拉桥支座方法是可行的。本文以马桑溪长江大桥为工程背景，针对一种大跨度斜拉桥桥面铺装更换时的配重方案，在施工整治过程中对主梁线形、应力及斜拉索索力进行监控，并与有限元分析结果进行对比分析，以期为同类桥梁的维修整治提供参考。工程概况与施工配重方案 工程概况马桑溪长江大桥是重庆市境内连接大渡口区与巴南区的过江通道，位于长江水道之上，是重庆市外中 国 科 技 论 文第 卷环高速公 路（国家 高速 ）的重要 组 成部 分，于 年 月 日通车运行。主桥为漂浮体系双塔对称双索面预应力混凝土斜拉桥，主跨为 ，两边跨均为 ，桥面总宽度为 ，双向六车道，总体布置如图所示。主桥的主梁采用预应力钢筋混凝土分离式三角箱形断面，索塔采用混凝土倒 形索塔，斜拉索采用 公司的 平行钢绞线。设计荷载为汽车超 级，验算荷载为挂车 ，设计车速为 。经过近 年的运营，桥梁主桥的桥面铺装、伸缩缝、支座出现了部分病害现象。通过检测评估，管理部门决定对该桥桥面铺装、伸缩缝、支座进行更换。马桑溪长江大桥原桥面铺装层结构为 改性沥青 改性沥青 。拟更换桥面铺装结构组成为 改性沥青 （铺装面层）浇筑式沥青混合料（铺装下层）溶剂型沥青粘结剂防水粘结层反应性树脂下封层。支座更换在卸载原有桥面铺装后、施加配重前进行，由于已卸载原有桥面铺装，此时更换支座顶升力更小并且更为便利。支座更换施工过程为千斤顶顶升主梁、拆除旧支座、更换新支座、卸载千斤顶压力。为保证施工过程安全，在桥梁整治过程中同时开展施工监控。图马桑溪长江大桥总体布置 施工配重方案马桑溪长江大桥桥面铺装施工采取半幅“”通车，先封闭下游侧慢车道及中间车道进行施工，超车道和另外半幅正常通行。桥面铺装从台和墩向跨中开始铣刨并向外清运，桥面铺装拆除过程如图所示。由于下游半幅施工卸载重量较大，加之上游半幅正常通行，为确保桥面铺装拆除过程中下游侧主梁上挠值不超过限制且使桥梁尽可能对称受力，在拆除过程中，根据等弯矩原理，采用万能杆件施加荷载于行车道外侧防撞栏杆和人行道之间的斜拉索锚固区。根据等弯矩原理计算得到的施加或卸除荷载值见表。其中，每米施加荷载总铣刨（浇筑）重量总铣刨（浇筑）重量到桥轴线的距离施加（卸除）总荷载到桥轴线的距离。图马桑溪长江大桥半幅施工示意图 表施加或卸载荷载值 位置施工工况总铣刨（浇筑）重量施加（卸除）总荷载每米施加荷载第一次铣刨 第二次铣刨 慢车道、中间车道第三次铣刨 第四次铣刨 浇筑 沥青 快车道第一次铣刨 第二次铣刨 浇筑 沥青 浇筑 沥青 注：每米施加荷载中，正值表示施加荷载，负值表示卸除荷载。第期周建庭，等：既有斜拉桥桥面铺装更换施工分析监控方案马桑溪长江大桥整治工程的施工流程：沥青路面拆除、混凝土调平层、支座更换、沥青铺筑、伸缩缝更换。采用 软件建立马桑溪长江大桥的杆系有限元模型，全桥共 个节点，个单元，除拉索使用只受拉单元模拟外，其余均采用梁单元模拟。塔底采用固结约束，桥台处约束、，拉索与主梁节点间采用刚性连接，主梁和主塔横梁间采用弹性连接。通过混凝土弹性模量测定仪测定混凝土主梁运营 年后的弹性模量和抗压强度，考虑材料性能退化对全桥的影响。由于主梁中钢筋数量众多，不考虑钢筋锈蚀的影响。马桑溪长江大桥有限元模型如图所示。通过对整治工程施工工况的模拟，得出整个施工过程中主梁挠度、应力和索力的理论值，由此制定位移、应力、索力的监控方案。此外，由于马桑溪长江大桥桥面铺装拆除过程中考虑索塔平衡受力由支座及跨中向索塔同步进行，索塔两端拆除桥面铺装重量相同，对主塔影 响 较 小，因 此 不 考 虑 对 主 塔 应 力 及 偏 位 进 行监控。图马桑溪长江大桥有限元模型 主梁线形监测采用精密水准仪测量位于主梁上的水准点标高，同时使用马桑溪长江大桥结构运营监测系统中的测点监测主梁线形，两者结合使用以保证监测的准确性。马桑溪长江大桥结构运营监测系统中的主梁挠度测点布置如图所示。其中，测点 、分别监测大渡口侧边跨、截面挠度，测点、分别监测主跨、截面挠度，测点 、分别监测巴南侧边跨、截面挠度。由于这些测点均位于主梁腹板外侧，且采用激光点进行测量，影响观测结果的因素较桥面高程测点少，测量精度高，因此，主梁挠度观测主要采用马桑溪长江大桥结构运营监测系统中的测点。由于施工均在夏季进行，温度变化较小，温度变化对主梁线形影响较小，因此不考虑温度变化对主梁线形的影响。主梁应力监测根据仿真分析结果，主梁应力测点布置在结构受力最不利位置处，如两边跨支座位置处、边跨跨图主梁挠度测点布置 中、中跨、中跨跨中截面，同时考虑到支座顶升时靠近支座处主梁受力变化较大，在支座和边跨跨中之间增设个测点。由于马桑溪长江大桥结构运营监测系统中应变测点 、与选择监测应力的截面一致，这个截面应变观测点采用马桑溪长江大桥运营监测系统进行观测，此外，还需增设、截面应力观测点，用应变计进行测量，主梁应力测点布置如图所示。由于施工均在夏季进行，温度变化较小，温度变化对主梁应力影响较小，因此不考虑温度变化对主梁应力的影响。图主梁应力测点布置 索力监测考虑到支座顶升对靠近支座的斜拉索索力影响较大，索力监测选取全桥最外侧组、共对 根拉索进行测量。在马桑溪长江大桥结构运营监测系统的 拉索索力测点的基础上，补充 拉索上的对共计个测点，用索力动测仪进行测量，拉索索力测点布置如图所示。中 国 科 技 论 文第 卷图拉索索力测点布置 施工监控分析马桑溪长江大桥桥面整治采用分幅、分车道的方式进行，从桥台和桥墩向跨中拆除桥面沥青混凝土铺装。桥面沥青混凝土铺装层拆除采用铣刨机铣刨，同时装车外运清渣，拆除完毕后再摊铺桥面沥青混凝土铺装。每部分拆除后，对主梁线形、主梁应力、索力、主塔偏位的理论值和实测值进行对比分析，以指导施工过程。主梁线形分析以桥梁初始状态线形作为本次主梁线形监测的线形控制目标，大修结束后的桥梁线形作为本次监测成果评价指标，在施工过程中需要测量每个工况的桥面标高变化。线形监测结果如图和图所示。图中：为 半 幅 封 闭，为 第 一 次 铣 刨，为第一次配重，为第四次铣刨，为第四次配重，为第六次铣刨，为第六次配重，为摊铺外侧 沥青，为摊铺内侧 沥青，为摊铺 沥青面层，为施工完毕。图施工过程中主梁挠度增量理论值 结果表明，主梁在桥面铺装更换过程中的最大上挠 出 现 在 第 六 次 铣 刨 后，最 大 上 挠 理 论 值 为 ，施工完毕后主梁线形恢复到初始未施工状态，与实测结果吻合。由图可知，马桑溪长江大桥桥面铺装施工完毕后，上、下游侧的桥面线形除上游侧中 跨 的 跨 中 测 点 高 程 与 初 始 状 态 出 现 的最大偏差外，其余测点的高程与初始状态基本一致。配重影响分析若不考虑配重的施加，有限元分析结果表明，主图主梁初始状态线形与施工完毕线形对比 梁上、下游挠度差值在铣刨完慢车道和中间车道时主跨跨中位置达到最大，最大差值为 ，换算成主梁转角为 ，其余关键截面在该工况下的转角见表，其值小于成桥状态上游满载下游空载时的上、下游挠度差值及对应转角。结果表明，施工时上、下游挠度最大差值及对应的主梁转角是安全的，故可以考虑不施加配重或一次施加配重，以减少施工工序，加快施工进度。表主梁上、下游挠度差值 位置配重方案上游满载下游空载上、下游挠度最大差值 对应主梁转角（）上、下游挠度最大差值 对应主梁转角（）大渡口边跨 大渡口边跨 大渡口边跨 中跨 中跨 中跨 巴南边跨 巴南边跨 巴南边跨 第期周建庭，等：既有斜拉桥桥面铺装更换施工分析 主梁应力分析根据国内外同类桥梁施工控制 成功经验以及现 行 公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范（），马桑溪长江大桥整治工程施工过程中主梁 预警应力设为：压应力不大于 ，拉应力不超过 。马桑溪长江大桥在施工过程中主梁应力增量理论值及其与实测值的对比分别如图、图 所示。有限元模拟结果表明，桥梁在施工阶段的应力变化范围为 ，均在预警应力范围以内，施工过程中应力变化不明显，且控制截面实测应力值与理论值变化趋势基本一致。图施工过程中主梁应力增量理论值 图 施工过程中主梁中跨跨中应力增量理论值与实测值的对比 索力分析施工过程中索力的理论值与实测值如图 图 所示。由有限元理论计算结果可知，马桑溪长江大桥在施工过程中的索力变化范围为 之间，变化幅度最大的斜拉索为巴南上游侧超车道第二次铣刨时的 索，与上一施工阶段相比减小了 。实测结果表明：施工过程中大渡口、巴南及跨中处上、下游侧 斜拉索索力变化幅度较大，但均在安全范围以内，与有限元计算结果相符；而大渡口、巴南及跨中处上、下游侧 斜拉索索力变化不明显。图 施工过程中斜拉索索力增量理论值 图 施工过程中 索索力实测值 图 施工过程中 索索力实测值 结论本文以马桑溪长江大桥整治工程为背景，对大跨度双塔三跨斜拉桥进行桥面整治施工监控分析，得出以下结论：）马桑溪长江大桥的平衡荷载专项施工方案对确保桥面铺装拆除过程中下游侧主梁上挠值不超过限值以及使桥梁尽可能对称受力的效果不明显。今后在同类型大跨径斜拉桥桥面整治工程中，为减少中 国 科 技 论 文第 卷施工工序及降低成本，可偏安全考虑将配重一次施加完毕，甚至验算后施工过程中不施加配重。）主梁应力、索力在施工过程中变化不明显，主梁线形监控对指导施工更有价值。同类工程可考虑将主梁线形作为主要监控指标，将索力及应力作为辅助监控指标以指导施工。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：）参考文献（）中华人民共和国交通运输部 年交通运输行业发展统计公报中国交通报，（），（）（）周建庭，郑丹桥梁安全保障的思考中国公路，（）：，（）：（）周建庭，郑丹保障我国桥梁安全的战略思考中国工程科学，（）：，（）：（）张喜刚，刘高，马军海，等中国桥梁技术的现状与展望中国公路，（）：，（）：（）周松，常光照，孟晓亮，等大跨径混凝土连续梁桥整体 顶 升 施 工 分 析 桥 梁 建 设，（）：，（）：（）荆友璋，吴广润大连北大友谊桥维修工程施工控制桥梁建设，（）：，（）：（）吴庆雄，张超，黄卿维不中断交通条件下特