黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究.pdf

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黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究1 黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究2 黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究3 黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究4 黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究5
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・特约稿・黄河路高架桥顶推施工分析及现场监测研究陈天艳(北京铁路局北京100860)摘要沧州市黄河路高架桥为沧州市黄河路改造提升工程中的控制性工程,主桥采用顶推施工法。本文采用有限元方法建立箱梁一导梁一桥墩三维有限元实体模型,合理选取顶推过程中最不利工况以及受力复杂截面。分析计算了梁体以及桥墩关键断面的应力、应变变化规律。为使桥梁工程在施工全过程安全可控,又进行了现场实时监控。结果表明,有限元分析方法与现场监测结果具有良好的对应性;有限元分析方法能有效预测最不利工况及截面,从而精确指导现场的测点布置与安全施工。从测试的数据来看,粱体及桥墩在整个施工过程中处于安全可控状态。关键词高架桥顶推施工有限元分析现场监测对比分析中图分类号U445.462文献标识码A——文章编号10094539(2015)090018一04AnalysisandFieMM伽虚toringIks明rchofViad眦thIcrementalLa呲hingCons|IrIMtiononHuangheRoadChenTianyan(BeijiIIgRailwayBu舢,Be玎ing100860,China)Abs咖ctHu锄glleRoadviaductw踮tllecontrouingworkofHuaIlgIleRoad咖sfbm嘶仰锄d∞p删engineeIinginC锄铲hou.111emainbridgew鹊constmctedbyincrementall跏nchingmemod.Inmispaper,a3-Dfimteel啪entmodelofboxgirder_guidingbe锄一pierwasestablished,tllew0玛tc佣dition肌dcomplex∞ldingsectionwereselecteddIlringtIlepmcessofincreInentall姗ching,粕dmech蛐gelawsofs讹ss蛐ds嘶n0fcmcialsectionbotllintllebe咖明dpierwerean8lyzed.Tomake山ebridgeen舀neerings赶b觚dcontroUableduringtIlewholep1.ocessofⅡc帆suction,real-time“mono-ringⅡw鹊caiedoutintllefield.There8ultsshowedtllattllemetllodoffinjteeleIIlentanalysisweUcon.espondstotllatoftlle6eldmoIIitoring粕de能ctivelypredictedtllewo璐tcondition加dcompl既loadingsection,whichcouldguideme鹪谢ngpoint心帅gement蛐dsafeco璐tIucti蚰accmtely.Fr响tlletestdata,thebe砌觚dpierweresafe明dcontrcIuableduringtllewholeprocessofconstmction.1【eywordsviaduct;incrementallaunclling;fiIliteelementaIlalysis;fieldmollit耐ng;comparatiVeanalysis1概述顶推法桥梁施工的构思来源于钢梁纵向拖拉法,它用千斤顶取代了传统的卷扬机滑车组,用板式滑动装置取代滚筒,这一取代使施工方法得到了发展和提高。1959年前联邦德国的莱昂哈博士和鲍尔教授将顶推施工法首次应用于奥地利的Ager——收稿日期:2014一1216;修回日期:2015一0518—优先数字出版:本文已于2015一0625在中国知网上优先数字∥出版,数字出版网址:http:www.cnki∥“nekcms/dL/11.3368.,I'U.20150625.1503.001.h叫…桥的架设。之后,顶推法施工在世界各国得到广泛发展。建国后,我国桥梁建设发展迅速,1977年首次在陕西狄家河铁路桥采用顶推法施工旧J,经过30多年的发展,在顶推技术方面取得了一系列研究成果,顶推法已经成为我国中等跨度PC连续梁施工的重要方法。国内学者对跨铁路顶推施工进行了大量研究,并针对施工技术和方法不断优化改进,却较少对顶推过程中梁体和桥墩关键断面的线形、应力变化及其分布规律进行施工前预测,因此,为预知梁体和18铁道建筘技术RAfLWAy∞C0 ̄Sr开丁『0N丁ECH『、10f0Gy20,5r9J万方数据・特约稿・桥墩的最不利受力状态和最大应力应变,本文运用有限元软件ABAQus建立箱梁一导梁一桥墩三维有限元实体模型,模拟顶推施工全程,为精确控制施工过程、确保施工安全提供依据。2工程概况沧州市黄河路高架桥为沧州市黄河路改造提升工程中的主线桥梁,桥梁起始桩号珏l<9+522.78,终止桩号zxKll+354.52,桥梁沿既有黄河路走向,自西向东跨越京沪铁路,桥梁平面位于直线段上,主线桥梁与京沪铁路相交于K10+522.5,铁路里程为K254+769,相交角度为83.2。,梁体结构为40m+40m+40m预应力混凝土连续梁,箱梁采用单箱四室箱形截面,箱梁顶板宽25.5m,外侧悬臂板长2m,为直腹板,悬臂板端部厚20cm,尾部厚45cm,跨京沪铁路线主桥采用顶推施工法,导梁为钢桁架结构,总长26m,埋入箱梁深度2m,桥梁下部结构采用门架墩,盖梁为钢箱梁。桥梁的立面图及其与铁路的位置关系分别见图1、图2。Ji交mm|Ilfmm1.《\mm交葡嘏I^赢一{—、一。一图1桥梁立面图图2桥梁与铁路相对位置本项工程采用顶推法施工,具有如下特点:(1)顶推前,导梁和梁体由7个桥墩支撑,根据导梁和梁体的悬臂状态分为7个阶段进行顶推。在顶推过程中,不同截面相对桥墩位置不断改变,例如某一刻该截面处于悬臂状态,下一时间段可能处于桥墩支撑状态,因此正、负弯矩会交替出现,最不利受力截面也随之变化;尤其是当出现最大悬臂时,根端处于最不利受力状态。这些都可能导致混凝土梁体出现开裂,影响施工安全。(2)各桥墩除承受垂向压力外,还承受水平摩铁道建筑技术RAJLWAyCO~S丁开UC丁fO~丁E-clH^『OLOGy擦力的作用。由于跨越运营线路等障碍物,设计桥墩较高,本项工程桥墩高约15m,对于桥墩底部位置,墩顶水平力力臂较大,从而其受力弯矩较大,由此可能出现开裂等潜在隐患。(3)每项顶推工程均有不同的特点,如跨度、顶推距离、桥梁重量、顶推速率等。这些使得每个桥梁都需要个别设计,并采取必要的监测手段等监控桥梁顶推施工过程,确保全过程安全进行。鉴于此,结合沧州黄河路大桥上跨京沪铁路顶推施工,综合应用有限元仿真分析方法与现场监测方法对顶推过程中梁体和桥墩关键断面的线形、应力变化及其分布规律进行施工过程控制。目的是掌握桥梁施工过程的线形状态及受力情况,为精确控制施工过程、确保施工安全提供依据。3有限元模型的建立3.1模型相关参数本文采用有限元软件ABAQus建立箱梁、导梁和桥墩三维实体模型模拟实际工程,直观、定量地分析顶推过程中梁体和桥墩关键断面的线形、应力变化和分布规律。计算模型中采用实体单元Solid模拟箱梁、导梁和桥墩,采用梁单元模拟内部受力钢筋。该模型定性为静态分析,运用Tie模块处理梁体和桥墩接触关系,桥墩下部采用全约束固定。模型共计63992个单元,10l335个节点。材料属性见表1,其中主梁自重35000kN,导梁自重1100kN。表1材料属性序号材料描述弹性模量/MPa泊松比容重/(kg・m一3)l主梁(C50)3.45E+4O.224502桥墩(c45)3.35E+4O.224503导梁2.10E+5O.378004预应力钢绞线1.95E+5O.37800为简化计算,导梁的各片梁之间未设置桁架结构,用四片长方体梁代替导梁及其附属结构,总重保持一致,路面超高设置为2%,单箱四室梁模型主视图见图3,顶推施工桥梁仿真模型见图4。图3单箱四室梁模型主视图图4顶推施工桥梁仿真模型’205f9J19嬲掰h划厢虿万方数据3.2工况设计根据《沧州市黄河路(迎宾大道一解放东路)上跨京沪铁路顶推施工方案》,桥梁顶推距离为66.6m,顶∥推速度6h,若不间断顶推施工则需要11.1h完工。当导梁、主梁、梁尾分别出现最大悬臂时,梁体相应截面受力较大,处于最不利状态,是本次计算及施工监控的重要关注环节。因此,综合考虑顶推过程中最不利受力截面出现时间和位置,将顶推全程分为7个阶段,共计7种工况,分别对梁体、桥墩进行应力及规律分析,如图5所示。顶程0m顶程4.5m顶程15m顶程30m顶程45m顶程60m鲷fll逝随图57种工况顶推位置4有限元计算结果分析4.1梁体应力计算结果对于梁体应力,选取7个横断面,每个断面在箱梁顶板和底板各选取2个点进行计算,如图6所示,计算结果见表2。不同梁体截面在各工况下应力变化趋势如图7折线所示(只列举部分截面)。a.梁体应力监测点主视图b.梁体应力监测点侧视图图6梁体应力监测点位置(注:图中数字是提取数据位置)表2不同截面各工况梁体应力变化情况MPa截面序号工况l工况2工况3工况4工况5工况6工况71O.030.090.34一O.051.340.930.742O.05—0.08一O.53一O.06一1.23—1.25—1截面130.040.0920.36一O.051.3O.91O.754O.02—0.08l—O.52一O.07—1.22一1.26一1.12续表2截面序号工况l工况2工况3工况4工况5工况6工况710.01—0.38—0.2l一0.210.9lO.8lO.712O.01O.420.240.25一1.32一1.13一1.02截面230.02—0.37一O.2—0.22O.9040.820.724O.010.430.250.26一1.31—1.09一1.11O.0l—O.25一O.20.14—0.620.78O.682一O.02O.320.25一O.120.713一O.71—0.61截面330.01—0.23—0.2lO.15一O.62O.780.694—0.0l0.32O.26—0.1l0.70一0.70—O.6l一0.0130.150.29—0.120.8l——O.420,4820—0.102一O.2l—O.09—0.650.10.17截面43—0.0l0.153O.30一0.11O.8l—O.43一O.474O—O.11—0.22一O.1—0.66O.11O.161—0.0l一0.097O.40.150.820.720.4l2一O.04O.2一O.77一O.22一1.32—0.92一O.67截面53—0.02—0.10.430.140.840.680.434—0.040.2l一0.80—0.23一1.32一O.9—0.66l0.03O.35一O.10.2—0.52—一O.330.112一O.03—0.65一O.6l一1.69一O.72一O.67—1.3截面630.030.36—0.130.2l一0.49—0.32一O.094—0.02一O.66—0.63一1.7l一0.71—0.69一1.28l0.0l一0.060.09—0.270.03—一O.370.3520—0.075一O.1l—O.13—0.27—0.15—0.12截面73O.Ol一0.062O.09∈一O.26O.03—0.42一O.3540一O.072—0.09一O.14l一0.28—0.14—0.11芝制日菩室饕《U制日蔷室蛏回鲽篁嚣宦罐铁道建箝技术霆簧聪读数次数a.截面l读数次数b.截面2粱顶实测值读数次数读数次数c.截面3d.截面6图7不同梁体截面应力实测值和预测值对比图只弭『LI,叭yCoNS丁RL『c丁『0~硅.cf_f ̄OLOGy2D75r9J万方数据・特约稿・由表2可以看出:(1)除第七截面,其他截面梁顶应力和梁底应力变化趋势基本对称,绝对值大小基本相同,符号相反;第七截面应力在7种工况下基本均为压应力。这主要与顶推过程有关,梁体尾部始终受压,最大变化值为0.42MPa,发生在顶程约60m处。从测试数值来看,总体上梁体均处于安全状态。(2)在各工况中,梁体最大拉应力变化值发生在截面1梁顶位置,最大值为1.34MPa,对应顶程约为45m。对比可知,测试值小于c50混凝土容许应力值"],结构处于安全状态;梁体最大压应力变化值发生在截面6梁底处,最大值为1.71MPa。可见桥梁在顶推过程中,梁体处于安全状态,且有较大安全余量。(3)截面2在顶程约40m处,梁体正负弯矩发生改变;顶程约45m处,梁顶应力、梁底应力变化均达到最大值,分别为0.91MPa和一1.32MPa。截面3梁体顶板和底板正负弯矩交替变化频繁,最大值分别为0.78MPa和一0.71MPa。从测试数据来看,均处于安全状态。(4)通过分析各工况下梁体应力的变化趋势,可以预测,在整个顶推过程中,梁体各截面所受应”力均小于C50混凝土极限强度容许应力j,结构处于安全状态。4.2牵引点桥墩应力计算结果对于牵引点桥墩应力,共选取6个监测点,位置如图8所示。其中,5号、6号监测点位于受力最不利位置,应重点关注。计算结果见表3,不同位置监测点在各工况下应力变化趋势如图9所示。图8桥墩监测点位置(单位:m)ll00一O一1—1—2—2图9不同桥墩监测点在各工况下应力变化趋势表3不同监测点各工况桥墩应力变化情况MPa监测点工况l工况2工况3工况4工况5工况6工况7l一0.04一1.45一1.3751.080.451.470.92—0.05一1.45一1.891.20.321.O0.033O.07一O.675—0.981.22O.7l“O.一O.1240.07—0.37—0.880一O.42—1.23一1.785O.09一O.3一O.331.361.281.370.726—0.1一O.3—0.350.17O.91.300.27由以上计算结果可以看出:(1)桥墩离地面2.5m处,顶推开始后会一直处于Ⅱ受压状态,且整体上呈增大趋势,最大值1.78 ̄)a,有较大安全余量。(2)桥墩离地面0.5m、1m、4.5m、5.5m处,在顶程超过25m时,均处于受拉状态,整体趋势为先增加后减小。但从测试的增量数值来看,结构处于安全状态。(3)顶程约15m时,桥墩离地面4.5m处出现最大压应力,变化值为1.89MPa;顶程约60m时,桥墩离地面5.5m处出现最大拉应力,变化值为1.47MPa,小于C45混凝土容许应力"J。同时考虑到测试的增量值在实际状态还会与受到的压应力进行抵销。因此可以判断,最不利位置也处于安全状态。但从施工安全角度考虑,施工时应对该位置进行重点监测。5现场监测结果分析沧州市黄河路高架桥于9月22日正式进行顶推施工,依据有限元顶推模型试算结果,在梁体和桥墩给定截面位置布设了应变片,并特别加强了对梁体截面l梁顶位置和桥墩离地面4.5m处位置的监控,监测结果如图7所示(限于篇幅,只列举了梁体部分截面结果)。通过对比可以看出:(1)在实际顶推过程中,当顶程为43m时,梁体最大拉应力变化值发生在截面1梁顶位置,最大值为1.1MPa,梁体最大压应力变化值发生在截面6梁底位置,最大值为1.8MPa;桥墩最大拉应力变化值发生在离地面5.5m处,最大值为1.24MPa,此时顶程为58.4m,桥墩最大压应力变化值发生在离地面4.5m处,最大值为2.09MPa,此时顶程为16.6m。(下转第30页)铁道建筑技术RA『LWAyC0~S丁只UC丁『0~丁£-ClH~OLOGy’205r9J21万方数据・隧道/地下工程・拆换地段围岩变形大,拆换难度较大。主要先注浆固结围岩地层,这样可以起到止水和固结松散体岩层,层层拆换至初支,变更钢拱架的型号,增加其刚度,通过调小间距,加大焊接的密度以及双层初期支护代替原来的单层初支。拆换段属于富水区,防排水加密设置,施工质量严密把关,无缝搭接。在衬砌施工时,与一般的衬砌拆换不同的是以格栅钢拱架代替原来的钢筋设置,增加砼厚度,提高砼标号,通过多项措施来增加了衬砌的抗压强度,抵抗地下水的侵蚀和大变形。参考文献[1]王进华.兰新铁路第二双线甘青段工程地质条件与评—价[J].铁道勘察,2010(1):7275.[2]尹健民,罗超文,艾凯.某隧道区地应力测量与岩爆分—析[J].岩土力学,2003,24(S1):2830.[3]陈菲,何川,邓建辉.高地应力定义及其定性定量判据[J].岩土力学,2015,36(4):97l一980.[4]朱永全,宋玉香.隧道工程[M].2版.北京:中国铁道—出版社,2007:2232.[5]—中铁一局集团有限公司.7邝107532010高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版—社,201l:4243.[6]张建.引水工程隧洞施工对既有铁路隧道安全影响评—估[J].铁道建筑,2014(5):7274.[7]骆城.高铁隧道施工中安全风险控制研究[J].城市建设理论研究,2013(2):95一104.—‘——————-。。卜一卜一+-・卜-++一+一卜-+-+-++一+一+-+-++一+一+一+-+-+一+一+一卜+-+-+一+-+一+一+-+-+一+一+一+・(上接第21页)程为16・6m。从数据来看,顶推施工全过程,桥墩从监测的数据来看,在顶推施工过程中,梁体及桥始终处于安全状态。墩始终处于耋全状态:..参考文献(2)在琐推过程中,有限兀模型预测结果与买测结果趋势相同,数值较接近,说明预测截面位置[1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.选择合理,符合实际工况。此外,从数据对比来看,[2]上官兴・连续梁桥顶推工艺的新构思[J]・东北公路,兰譬皇套华琶竺蝥罂n罂墅:乒!夕耋竺里㈨裟某:豢巍施工技棚凇路姗㈩弗测值稍偏小,梁体应力最大偏差为21.8%,桥墩应”…………………’。。:?一、一力最大偏差为17・4%。[4]张哗芝,谢晓慧.铁路特大桥钢箱梁顶推过程受力分(3)若以测试作为标准,则表明有限元计算值析及改善方法[J].中国铁道科学,2009(3):2l一26.略有偏差。主要原因在于模型中虽布设了代替钢[5]肿D—622004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥筋的梁单元,但未施加预应力;导梁末端未设置滑涵设计规范[s].道高程,失去补偿应力,导致梁顶拉应力偏大;模型[6]叶翰松・大跨度竖曲线钢箱梁顶推施工技术[J]・铁道计算定性为短暂状况受力分析,未考虑温度附加力—建筑技术,2013(12):2731・和现场施工荷载蝴向。"1蓁集:j宅誓鬻嚣淼曩鬻颡黼工6结论[8]王卫峰,林俊峰,马文田・桥梁顶推施工导梁的优化分—析[J].工程力学,2007,24(2):132137.(1)采用有限元方法对桥梁顶推施工进行仿真[9]罗鹏.广渠路跨丰双铁路分离式立交桥顶推施工与监模拟,可有效确定最不利工况及最不利位置,对桥—控技术[J].铁道建筑技术,2014(11):47.梁的顺利顶进起到了很好的预测和指导作用。[10]邵斌磊.有限元在桥梁顶推施工及预应力分析中的应(2)现场监测表明,梁体最大拉应力发生在截用[D]・杭州:浙江大学,20ll・面l梁顶位置,最大值为1.1MPa,梁体最大压应力‘[111手斌鼍字力混凝土连续箱梁桥计算[D]・成都:西南发生在截面6梁底位置,最大值为1.8MPa。从测[12]磊蓑会翼嚣;应力混凝土箱梁跨铁路顶推施工技试数值可以看出,梁体在施工全过程处于安全状态。—术[J].铁道标准设计,2006(2):5657.(3)桥墩的监测数据表明,桥墩最大压应力发[13]刘芸欣,马润平.在桥梁结构分析软件中实现顶推计生在离地面4.5m处,最大值为2.09MPa,此时顶—算功能的方法[J].高速铁路技术,20lo,l(5):68.30铁道建筑技术RAlLWAYcoNsTRUCTloNTEcHNoLoGY2015191万方数据
大叔大爷
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