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钢箱梁顶推施工过程导梁的计算分析与监测
2024-06-20
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上传者：管理员
摘要：钢箱梁顶推施工是桥梁建设中常见的施工方法。通过对钢箱梁顶推施工全过程进行计算，分析钢导梁在整个施工过程中的应力及位移变化，通过实际监测结果与理论计算分析值进行对比，结合应力自动化监测结果，实时了解结构的受力状态，为顶推施工提供技术支持。
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钢箱梁顶推施工是桥梁建设中的一项重要技术，具有施工速度快、对交通影响小等优点。然而，由于其施工过程的复杂性和不可预见性，施工监测显得尤为重要。通过有效的施工监测，可以验证设计参数、预测结构变形、优化施工流程、确保施工安全控制施工质量、降低经济风险以及提高施工效率。
钢导梁作为钢箱梁顶推施工中的重要组成部分，它起到明引导、支撑和传递力的作用。目前，针对钢箱梁桥顶推中导梁施工监测的研究主要集中在以下几个方面。
(1)结构变形的监测：钢箱梁桥顶推施工过程中，导梁的变形是不可避免的。为了掌握结构的变形情况，需要对关键部位进行变形监测。常用的监测方法包括位移传感器、全站仪等，通过对监测数据的分析，可以及时发现结构的变形趋势，为施工调整提供依据。
(2)应力的监测：钢箱梁桥顶推施工过程中，导梁的应力状态是评估桥梁安全性的重要指标。因此，需要对关键部位的应力和应变进行实时监测。常用的监测方法包括应变计、应力计等，通过对监测数据的分析，可以了解结构的受力状态，为施工调整和安全评估提供依据。
尽管施工监测技术在钢箱梁桥顶推施工中已经取得了显著的应用成效，但仍存在一些问题。例如，部分监测设备存在精度不高、稳定性差等问题；实时监测数据的传输和处理速度有待提高；施工环境监测和施工人员行为监测等方面的研究还不够深入等。这些问题限制了施工监测技术的进一步发展和应用。
本文以万家丽快速化改造北延线段上跨星沙联络线钢箱梁为例，对钢箱梁顶推法施工的钢导梁进行了计算分析与监测。
1、工况概况
万家丽快速化改造北延线段上跨星沙联络线钢箱梁，跨径为ZX101-ZX102，采用三箱室断面，单箱最大高度为3m。钢箱梁总长度62m，总重量约为921t。
钢箱梁顶推最大跨度为45m，钢箱梁滑移时用一副钢导梁。在顶推过程中，为了满足钢箱梁强度和刚度的要求，以及保证临时支墩受力的合理性，需在顶推方向的前端设置钢导梁。钢导梁分成3段，采用变截面工字钢型，材质为Q355B。
钢导梁长度为30m。截面前段选用H3074×600×16×16焊接H型钢，中段选用H2400×600×16×16焊接H型钢，后段选用H1800×600×16×16焊接H型钢。（图1)
2、测点布设及仪器设备
2.1挠度监测
在钢箱梁顶推施工过程中，导梁的变形是首要的监测对象。为此，需要在关键位置设置变形监测点，采用激光测距仪或全站仪等设备进行实时监测。监测点应布置在导梁前端。详见图2所示。
2.2应力监测
应力监测是评估钢导梁受力状态的重要手段。在布设测点时，应考虑结构受力的特点，选择在受力较大或应力集中区域设置应变计或应力计。根据计算结果，钢导梁应力测点布置在导梁根部，详见图3所示。
2.3监测系统
钢箱梁的顶推采用步履式液压同步顶推，该设备利用“顶”、“推”、“降”、“缩”的四个步骤交替进行。先将钢箱梁整体顶升托起；然后顶推平移油缸向前推送一个行程；之后将钢箱梁整体下降置于临时支撑上；顶推平移油缸再缩缸到底，完成一个行程的顶推。钢导梁在一个顶推行程中应力处于不断变化的状态。
为确保监测数据的实时可靠，监测系统采用具有高精度、高稳定性的传感器。同时，测点的布置将考虑施工环境的复杂性和监测数据的代表性，确保监测数据的准确性和有效性。
图1钢箱梁顶推施工图
图2挠度测点布置示意图
图3应力测点布置示意图
本工程中钢导梁应力监测采用表面智能数码弦式应变计，采用焊接的方式与导梁进行测点安装。采集系统采用应力自动化采集模块，实现实时采集和数据无线传输。如图4所示。
图4应力自动化数据采集和监测系统
3、计算分析
3.1模型建立
采用桥梁结构空间有限元分析软件Midas Civil进行钢箱梁顶推施工全过程的结构计算分析。钢箱梁和钢导梁均采用梁单元模拟。顶推工艺步骤详见表1，有限元模型图详见图5。
表1顶推工况一览表
图5顶推施工有限元计算模型图
3.2导梁位移及应力计算结果
在顶推过程中，导梁结构所受最大应力为74.8MPa，导梁前端最大悬挑挠度为112.00mm。导梁所采用的Q355钢材的容许弯曲应力为210MPa，各结构最大应力在许可应力范围之内，导梁强度满足要求。导梁最大悬臂长度为45m，容许挠度为45000×2/400=225mm，导梁刚度满足要求。（表2)
图7钢导梁应力监测结果
表2导梁位移及应力计算结果
3.3抗倾覆计算结果
在顶推过程中，当钢导梁达到工况四即最大悬臂为45m时，最有可能发生倾覆。为简化计算，结构的自重按单个节段的总重换算成均布荷载计算，钢箱梁均布荷载的大小14.85t/m，钢导梁均布荷载大小为1.67t/m。
抗倾覆系数计算：
抗倾覆系数满足1.3倍的抗倾覆要求，故顶推过程中梁体的抗倾覆性满足要求。
4、监测成果分析
4.1挠度监测结果
选取左侧钢导梁前端挠度进行监测分析，从实测数据来看，挠度变化呈现先增大，后减小，在增大的趋势，变化规律与理论计算值基本一致。监测结果反应导梁结构响应处于正常的状态，具体的对比分析结果如表3及图6所示。
表3钢导梁实测挠度与理论挠度对比表
4.2应力监测结果
为确保导梁结构在钢箱梁顶推过程中的安全，本桥应力监测采用自动化监测，采样间隔为2min。导梁由于在安装时标高低于理论标高，在导梁与支架接触后，导致导梁应力偏大，因此在顶推过程中的导梁最大应力为144MPa,大于最大理论计算值74.8MPa，但是小于容许应力210MPa。应力监测结果详见图7所示。
5、结论
钢箱梁顶推施工过程的监测至关重要，为确保钢导梁结构在顶推过程中的安全，通过数据采集系统实时传输数据，结合挠度测试结果，及时了解结构的应力和线形状态、变化趋势等，为结构的安全评估提供依据。
图6钢导梁实测挠度与理论挠度对比图
本文以万家丽快速化改造北延线段上跨星沙联络线钢箱梁的顶推施工为例，充分结合现场实际监测与理论分析，可得如下结论：
(1)顶推过程中钢导梁的强度及刚度满足要求，最大悬臂45m工况下梁体的抗倾覆安全系数满足要求。
(2)现场挠度实际监测值与理论计算分析基本保持一致，导梁的最大应力小于允许应力，监测结果有效反映了结构的实际受力情况，为确保顶推过程中的结构安全提供了理论支持。
(3)导梁在安装时，应提前考虑整个施工过程最大挠度情况，避免前端标高过低，导致导梁最大应力偏大。
未来，我们将继续深入研究钢箱梁顶推施工监测技术，特别针对斜弯钢箱梁的顶推过程偏位监测、应力的监测和反馈控制做一些有益的探索。
参考文献:
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文章来源:李勇.钢箱梁顶推施工过程导梁的计算分析与监测[J].价值工程,2024,43(17):138-140.
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