大跨度长联公铁两用钢桁梁桥监控研究

刘国飞

1.铁正检测科技有限公司，济南 250014；2.中铁十四局集团有限公司，济南 250014

钢桁梁桥具有受力好、重量轻、抗弯剪扭刚度大、适应性强、安装架设技术成熟、质量容易控制等优点，越来越多的连续梁钢桁梁被应用到实际工程中［1］。随着高速铁路建设的发展，高速列车对大桥的舒适性和安全性提出了更高要求。因此，应保证大跨度钢桁梁的桥面线形尽可能与线路设计线形一致，提高线路的运行质量。连续钢桁梁为多次超静定的结构体系，桥梁存在多次体系转换，受力状态复杂，具有较强的空间效应。施工工艺、环境温度等都会直接影响钢桁梁线形、应力水平，桥梁成桥线形很难达到设计的理想线形，施工监控难度大［2］。

本文以郑州黄河特大桥（112 + 6 × 168 + 112）m连续钢桁梁桥施工为研究对象，通过数值仿真分析和现场施工控制相结合的方法，开展悬臂拼装钢桁梁监控研究，为现场钢桁梁架设施工提供指导，为同类型桥梁监控提供借鉴。

1 工程背景

郑州黄河特大桥位于郑州市郑东新区马渡河段，大桥为上下层设计，上层为双线六车道快速公路，设计速度为100 km/h；下层为四线铁路，其中两线为郑济高速铁路，两线为郑新城际铁路，设计速度分别为350、160 km/h。该桥于2017 年8 月开工建设，2021 年11月施工完成，具备通车条件。

主桥采用华伦式桁架，横向布置为三片桁结构，桁间距（13.4+13.4）m。112 m 边跨的等高段钢桁梁节间距为10.5 m，共6个节间，变高段节间距为12.0 m，共4个节间；168 m跨的变高段和等高段钢桁梁节间距均为12.0 m。主梁中跨标准断面处，左右边桁中心桁高15.05 m，中桁中心桁高15.24 m，墩顶处中心桁高15.24+15.00=30.24 m。铁路桥面系采用正交异型钢桥面板，钢桥面板上防护墙内侧铺设15 cm 厚混凝土桥面板，桥面板与无砟轨道底座板连接。公路混凝土桥面板全宽32.5 m，支撑于钢梁上弦，混凝土桥面板与钢桁梁上弦通过剪力钉结合后共同受力。钢桁梁横断面见图1。

图1 钢桁梁横断面（单位：m）

2 施工架设方案

主桥大部分工程位于宽阔的黄河河面及岸边、浅滩地带，黄河为游荡性河流，冲刷剧烈，主河槽位置摆动较大，现场施工作业面有限。综合考虑环境、环保、结构特点等因素，选择跨线龙门吊悬臂架设方案，即在桥梁上下游方向主河槽设置临时栈桥，滩地部分填筑便道，分别作为门吊走道及施工通道。

连续钢桁梁共计8 孔104 个节间，连续钢桁梁架设共设置3 个架梁起始点，分别为378#、382#、386#墩。其中378#墩和386#墩为边墩，设置拼装支架；382#墩设置双侧墩旁托架。首先利用85 t履带吊安装382#墩旁托架，378#、386#墩拼装支架。在382#墩位处分别使用跨度为41、58 m 的龙门吊机对称悬臂架设钢桁梁；在378#墩位处使用41 m 龙门吊机拼装连续钢桁梁起始节间，在386#墩位处使用58 m 龙门吊机拼装连续钢桁梁起始节间。全桥共设置2 处合龙口，分别位于380#—381#墩和383#—384#墩跨中。钢桁梁合龙后，利用墩顶千斤顶对称起顶200 mm，利用80 t龙门吊安装相应墩顶5 个节间公路桥面板，浇筑湿接缝，张拉预应力；安装剩余部分公路桥面板，浇筑湿接缝，张拉预应力。最后施工铁路现浇面板、桥面附属工程。钢桁梁主要工况架设施工顺序见图2。以382#墩为中心，378#墩与386#墩左右完全对称。杆件编号：378#—382#墩上弦杆A0—A52，下弦杆E0—E52；382#—386#墩上弦杆A51'—A0'，下弦杆E51'—E0'；边桁用S表示，中桁用M表示。

图2 钢桁梁主要工况架设施工顺序

3 数值仿真分析

3.1 计算模型

利用有限元软件MIDAS/Civil 2019 建立钢桁梁桥空间有限元模型，主桁和公路桥面板采用梁单元模拟，联结系（包括上平联、桥门架、平行弦中间横联、加劲弦横联、加劲弦平联）采用桁架单元模拟，铁路正交异性板采用带肋板单元模拟。

为了保障有限元模型计算精度，对结构各参数进行敏感性分析，确定主要状态参数，并根据现场实测变形及应力数据对模型进行优化，保证模型能够指导现场施工。

3.2 主要计算参数

3.2.1 结构用钢

钢结构材质主要采用Q370qE 钢，部分主桁杆件采用Q420qE 钢，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。下弦杆重度为164.8 kN/m3，加劲肋、上弦杆重度为125.6 kN/m3，腹杆重度为62.8 kN/m3，其他杆件重度为78.5 kN/m3。

3.2.2 混凝土

公路桥面板采用C60 混凝土，铁路混凝土桥面板及防护墙采用C40 混凝土。C60 混凝土弹性模量为39.8 MPa，泊松比为0.2，重度为2.61 kN/m3。C40 混凝土弹性模量为36.3 GPa，泊松比为0.2，重度为2.51 kN/m3。

3.2.3 混凝土收缩徐变

施工环境按野外一般情况计算：相对湿度70%，徐变系数终极极值2.0，徐变增长速率0.005 5，收缩速度系数为0.006 25，收缩终极系数为0.000 16。

3.3 施工关键工况理论计算分析

钢桁梁采用悬臂拼装的施工方法，在施工过程中需要经历多次体系转换，每次体系转换均会对结构的线形、应力产生影响［3］。为了保证成桥后的桥梁线形与设计线形吻合，防止累积误差过大，利用有限元软件重点分析钢桁梁施工关键工况的杆件应力、位移等参数，结果见表1。

表1 连续钢桁梁施工关键工况分析

由表1 可知，边跨最大悬臂状态杆件理论最大拉应力、最大压应力均未达到杆件容许应力260 MPa，杆件受力状况良好。中跨最大悬臂状态杆件理论最大拉应力虽未达到杆件容许应力，但杆件应力较大，应重点关注杆件应力状态。钢桁梁上墩前位移较大，须提前采用预抬措施，加强观测频率，以免钢桁梁无法上墩。钢桁梁合龙前杆件理论拉应力较大，尤其需要关注380#墩顶杆件应力状态。

合龙口影响因素较多，通过分析钢桁梁合龙口敏感性，加强温度观测，确定最佳合龙时机，实现钢桁梁精准合龙。

4 监控内容及方法

4.1 施工过程中变形监控

根据大桥实际施工情况，建立变形测量控制网作为整个大桥的控制网。对于临时墩水平位移及钢桁梁轴线偏位采用高精度全站仪进行观测，对于施工过程中临时墩沉降及钢桁梁竖向相对位移采用精密水准仪进行观测［4］。钢桁梁挠度测点布置在中桁及边桁上下弦杆前端，每个断面布置4 个测点，测点布置见图3，测点相对于中心线对称。

图3 钢桁梁挠度测点布置

4.2 应力监控

钢桁梁的杆件截面应力随拼装跨度增加而不断变化。为保证施工中结构的受力始终符合设计要求，须对其进行跟踪监控。应力监控采用单点应力采集和自动化设备采集相结合的方式，临时支墩及一般部位应力采用MAS⁃SM⁃50振弦式表面应变计监测，重点部位应力采用JMZX⁃212HAT 高精度智能型应变传感器并配套JMZX⁃256 型自动化综合测试系统，实现应力数据实时监测，及时预警［5］。钢桁梁应力观测点主要布设在关键工况杆件受力较大的上下弦杆、竖杆、斜腹杆以及墩顶加劲弦杆上下面，共计布设384 个测点。钢桁梁部分应力测点布置见图4。以382#墩为中心，378#墩与386#墩左右完全对称。

图4 钢桁梁部分应力测点布置

4.3 温度监控

连续钢桁梁在施工及运营过程中，日照温差形成的不均匀温度场会对全桥的受力性能造成影响。桥梁一般是纵向长度远远大于横向宽度和竖向高度的狭长结构物，所以温度分布在其纵向上基本不变。在太阳辐射、大气日温度变化等组合影响下，结构向阳面温度与背阳面温度随时变化，可能会产生较大温差［6］。考虑到钢桁梁对温度变化比较敏感，为保证钢桁梁顺利合龙，在381#墩上弦杆、竖杆、加劲竖杆以及下弦杆布设36 个温度测点来研究桥梁竖向和横向的温差分布特性。钢桁梁温度测点布置图5。

图5 钢桁梁温度测点布置

5 监控结果分析

5.1 预拱度偏差

对于连续钢桁梁来说，拼装顺序、合龙方式不同，成桥线形和杆件内力分配不同。因此，杆件在生产制造前，需要确定合理的施工方案，以保证实测预拱度与理论预拱度的差值在合理范围。连续钢桁梁预拱度对比见表2。由于数据较多，表中仅列出每跨最大预拱度。可知，理论预拱度与实测预拱度吻合良好，最大偏差满足技术文件要求的±10 mm，为后期轨道板铺设、线形调整预留了较大空间。

表2 连续钢桁梁预拱度对比

5.2 变形

钢桁梁悬臂拼装施工过程中线形是不断变化的，尤其是钢桁梁施工通过不断地起落顶来调整钢桁梁姿态，线形变化量波动更加明显［7］。钢桁梁每一个施工阶段的变形都需要及时观测，对于重点施工阶段，更需要加密观测。钢桁梁杆件部分节点高差见表3。

TB 10752—2010《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》规定两主桁梁支点相对高差为13.4 mm，梁跨中心节点相对高差为6.7 mm，中间高差数可据根据线性内查法得到［8］。由表3 可知，钢桁梁施工过程中三片桁节点高差均能够满足规范要求，个别节点高差略大，通过千斤顶微调可以保证轨道板定位精度。TB 10752—2010 规定轴线偏位为跨度的1/5 000，即33.6 mm，钢桁梁轴线偏差数据均在规范规定范围内。钢桁梁整个施工拼装过程中个别偏差较大的点，采用临时支墩起顶、链条葫芦对拉等方式进行调整，防止累积误差超出规范要求。

表3 钢桁梁杆件部分节点高差

5.3 应力

钢桁梁应力监控包括涵盖钢桁梁悬臂拼装、临时支墩抄垫和起顶、主墩抄垫和起顶、体系转换、二期铺装等全施工过程。钢桁梁竖杆、上下弦杆、墩顶上方的加劲斜杆等杆件为主要受力杆件，也是应力监控分析的重点［7］。

钢桁梁悬臂拼装施工过程中钢桁梁各杆件应力不断交替变化，部分施工阶段应力实测值与理论计算值对比见表4。可知：边跨悬臂拼装施工阶段，最大应力为195 MPa，最小应力为-122 MPa；中跨382#对称悬臂拼装施工阶段，最大应力为194 MPa，最小应力为-113 MPa。钢桁梁实测应力均未达到容许应力的80%，钢桁梁应力水平均处于安全范围。应力实测值与理论值存在误差，主要是钢桁梁杆件制造尺寸偏差、施工方法、材料性能、环境温度场、应力采集仪器本身的误差等因素造成的。

5.4 温度监控分析

连续梁钢桁梁对于温度变化比较敏感，尤其是合龙口空间坐标随温度不断变化，且桥梁所在地区季节性温差、日照温差变化较大［9］。将温度变化作用分为钢桁梁整体升降温和钢桁梁局部温差。通过数据分析确定钢桁梁最佳合龙时机。由于数据较多，只列举A（SA31）、B（MA31）、C（SE31）、D（ME31）4节点温度与空间（x、y、z）位移变化数据。其中x方向为顺桥向，y方向为横桥向，z方向为竖向。

5.4.1 钢桁梁理论整体升降温

为了更好地分析整体升降温与钢桁梁合龙口的尺寸关系，选择4 月份，钢桁梁杆件表面温度变化5～15 ℃时，测量合龙口尺寸得到合龙口位移，分别见表5、表6。

表5 整体升降温引起的合龙口x方向位移

表6 整体升降温引起的合龙口z方向位移

由表5、表6 可知：整体升降温，合龙口x方向位移敏感性强，上弦杆变化量略大于下弦杆变化量；整体降温时合龙口z方向位移敏感性强，上弦杆变化量略小于下弦杆变化量，整体升温时合龙口z方向位移敏感性较弱，可忽略。

5.4.2 钢桁梁局部温差敏感性

由于该连续钢桁梁为南北走向，杆件多，结构复杂，钢桁梁各杆件温度不均匀变化。为了更好地分析合龙口局部温差敏感性，从两方面考虑：早上、下午太阳斜射钢桁梁，左侧边桁与中桁温度差值为5 ℃；中午太阳正射钢桁梁，上弦杆与下弦杆温差为15 ℃。局部温差引起的合龙口位移见表7。

表7 局部温差引起的合龙口位移

由表7可知，太阳斜射的情况下，钢桁梁产生了较大的横向位移，合龙口y方向敏感性较强，x、z方向敏感性弱，可忽略不计；太阳正射时，钢桁梁产生较大的下挠，z方向敏感性强，上弦杆x方向敏感性强，下弦杆x方向敏感性弱。

当连续钢桁梁合龙口宽度偏差较小时，可利用温差进行调整［10］，根据钢桁梁一天内的位移变化情况，解除临时支座与钢梁顺桥向约束，实现钢梁纵移。在实际施工过程中，通过多次观测温度与合龙口尺寸变化规律，确定凌晨钢梁表面温度15 ℃是钢桁梁最佳合龙温度。

6 结论

1）钢桁梁每架设完一跨，都需要进行拱度偏差分析，保证后期无砟轨道线形有足够的调整空间。钢桁梁实测变形和应力监控数据与理论计算分析数据吻合度高，均在规范允许的偏差范围内，结构处于安全范围。

2）连续梁钢桁梁温度监控数据反映了温度与合龙口杆件空间位置变化的关系，确定了最佳合龙温度为15 ℃，保证了钢桁梁精准合龙。