钢结构主桁架施工完成后, 在结构恒荷载及活荷载作用下, 主桁架会发生下挠变形。若在主桁架卸载前或其变形基本稳定前过早施工后续幕墙及桥面石材铺装, 会因主桁架不同部位下挠变形差导致桥梁底部吊顶铝板标高不一、出现错台, 甚至无法安装, 也会造成立面幕墙预埋件偏位、竖向龙骨无法安装, 混凝土垫层及石材面层开裂;若不经变形观测分析、盲目等待直至主桁架变形最终稳定, 过晚施工将造成工期拖后, 管理成本增加。本文通过对不同施工阶段的模拟计算分析及变形观测, 最终得出主桁架变形基本稳定的时间, 既保证了后续工程施工的精度、质量, 又实现了工期目标。

青岛蓝色硅谷核心区跨越滨海大道天桥项目位于青岛蓝色硅谷核心区G228滨海公路K42+420处, 该桥为双层双向天桥, 主体结构采用钢桁架, 用钢量达1 650t, 主桁架高8m, 长90m, 宽28m, 中跨75m钢桁架横跨G228滨海公路, 东西两侧分别悬挑7.12m及7.88m。桥底采用3mm厚铝单板吊顶, 设计标高4.700m, 外幕墙采用穿孔铝单板单元式幕墙结构体系, 采用预埋件与主体钢结构连接。该桥建成后将硅谷大厦东西两侧连成整体, 方便东西两侧工作人员及行人通行, 并将作为该区域地标性建筑屹立于滨海大道之上。

设计内容为钢桁梁连廊主体及其配套梯道, 廊内装饰、外围装饰幕墙、桥上内部装饰、景观等。

1) 天桥主桁架由上弦杆、下弦杆、腹杆、横梁、纵梁、桥面板等组件拼装而成, 各组件均在工厂统一加工。弦杆、腹杆、横梁、纵梁采用焊接箱形钢梁, 桥面钢纵梁及斜撑杆采用热轧H型钢, 斜撑置于横梁底钢板上, 与横梁及弦杆连接处采用高强螺栓连接。

2) 外幕墙采用单元式幕墙结构体系, 面材采用3mm厚穿孔铝单板, 双面采用氟碳喷涂 (三涂) , 主次龙骨均采用140mm×40mm铝合金矩形管, 主龙骨壁厚为3mm, 次龙骨壁厚为2mm;主次龙骨采用焊接。

3) 桥面做法主要包括5cm厚细石混凝土找坡层、3cm厚1∶3水泥砂浆黏结层、2cm厚花岗岩。

1) 天桥设计考虑结构恒荷载、外围附属荷载、桥面绿化荷载、人群荷载及横向风荷载的作用。

2) 天桥主桁架采用1%人字坡跨中最高, 中跨跨中尚应设置预拱度按+80mm设置, 支点至跨中预拱度值按二次抛物线过渡。

取单幅桥主桁架作为计算单元, 采用Midas-civil有限元软件建立计算模型如图1所示, 支座采用一般支承模拟。

经计算, 主桁架跨中最不利竖向位移107mm<容许值=L/500=150mm, 梁端与建筑连接处最不利竖向位移12.5mm<容许值=L/300=250mm, 安全。

1) 主体钢桁架安装完成, 与桁架相连外脚手架拉结点拆除完成。

2) 所有焊缝焊接完成且经有资质的第三方检测合格。

3) 所有螺栓连接节点已经完成且验收合格。

4) 卸载所需千斤顶、气割等设备准备齐全、就位。

5) 现场质量、安全保证措施到位且经施工单位自检及监理单位验收合格。

6) 主体钢桁架施工质量及外观经设计、监理及建设单位验收合格。

卸载点布置要根据实际情况并结合挠度位移曲线及受力图分析, 遵循对称布置、受力合理、局部加强、留有余地的原则。卸载点布置在临时支墩上, 同一榀桁架每个支墩布置4个40t千斤顶, 共计64个, 具体布置如图2, 3所示 (以1号支墩为例) 。

卸载遵循事先模拟、对称卸载、同步协调、密切观测的原则, 卸载过程由专人指挥协调, 务必保证卸载的同步性。

1) 卸载点分组所有卸载点分为4组, 主桁架同一横断面上的卸载点为一组, 即1, 2, 3, 4号点为1组, 5, 6, 7, 8号点为2组, 9, 10, 11, 12号为3组, 13, 14, 15, 16号为4组, 每个点4个40t千斤顶。

2) 为减小应力重分布和保证卸载的安全性, 卸载过程中千斤顶回程按照等比例微量下降的原则, 此次卸载分3次循环, 每次回程不超过10mm。

3) 卸载过程所有千斤顶进程至箱梁底标高, 此时用气割横切支墩顶部垫梁, 稳定静置2h后, 将垫梁上部移除, 同时操作16个卸载点, 其中3组、4组各点设置回程10mm, 1组、4组各点设置回程5mm, 卸载过程中保证16个卸载点同步进行, 当天卸载完成后静置。次日重复第1次卸载, 直至所有千斤顶脱离箱梁, 卸载完成。该项目于2018年3月15日8点开始进行主体钢结构卸载工作, 3月16日17点顺利完成卸载工作, 并于3月20日开始桥底吊顶及立面幕墙的龙骨施工, 4月3日开始施工桥面, 于5月25日完成外幕墙、吊顶及桥面施工, 经参建各单位联合验收, 观感美观、质量优良。

1) 卸载时要统一指挥, 保证同步, 且严格按方案确定分批和分级大小进行。

2) 卸载前先计算好支撑点的千斤顶行程, 并用钢尺进行校核保证行程等比例。

3) 卸载时要进行实时跟踪测量和监控。

4) 卸载过程中, 天桥上不得进行其他作业。

卸载后的变形稳定是结构安全的重要特征, 必须加强卸载后钢桁架的变形观测, 做好数据记录、分析, 若发现异常突变, 应认真分析并及时采取应对措施。根据结构的位移挠度曲线并结合现场实际情况, 以位置便于观测、代表性强的原则选择位移观测点如图4所示。

以卸载前箱梁顶标高作为观测点的基准标高, 卸载开始前进行初始观测, 卸载过程中及完成后每日定时定点观测, 遇到温度异常、荷载增加时增加观测频率, 变形稳定前不得进行后续工程施工, 待结构内力重分布完成后, 变形观测数值连续3d稳定无异常突变后, 方可进行后续施工。对观测数据记录分析汇总, 得出其位移时间曲线如图5所示, 分析其数值波动的影响因素, 并总结变形规律及变形稳定时间。

从图5中数据可知, 支座处钢桁架在卸载后基本无变形, 变形受温度及荷载影响很小, 位移变形基本在±5mm内, 不会对后续施工工序产生影响;两侧悬挑端会因卸荷而上挠, 其变形受温度及荷载影响大, 位移-时间曲线小幅度波动明显, 短期内未见其稳定, 位移变形在-12～6mm内, 不会对后续施工工序产生影响;跨中变形最大, 其变形受温度及荷载影响较大, 卸载后前3d变形快、变形量大, 卸载后第4d起变形量变小且逐渐趋于稳定, 可进行后续施工。

施工过程中, 钢桁架变形受温度影响, 当温度骤升, 钢梁上挠, 变形负增加, 跨中及悬挑端受温度影响较大。3月26日至3月28日温度上升, 以北侧通道跨中点为例, 得出其位移-时间曲线如图6所示。可见随着温度骤升, 钢梁上挠, 变形负增加。

天桥南北两侧通道铝单板吊顶、地面存在交叉施工, 为减少相互干扰、加强成品保护, 将南北两侧分为2个施工段, 先施工南侧通道5cm混凝土基层, 再施工北侧通道, 基层混凝土达到强度后再依次施工南北侧通道吊顶铝板, 故南北两侧荷载增加存在时间差, 取南侧通道跨中点和北侧通道跨中点, 得出其位移-时间曲线 (见图7) , 从图7可明显看出, 两者变形有时间差, 跟突增荷载施加的先后顺序一致, 但后期吊顶施工时间相对较长, 荷载缓增, 变形没有明显突变。4月3浇筑南侧一层商混凝土, 4月4日浇筑北侧一层商混凝土, 从位移-时间曲线可看出, 北侧位移-时间曲线出现拐点的时间滞后于南侧1d。但4月10日起开始施工吊顶, 因吊顶施工周期长、荷载是逐渐增加, 所以位移-时间曲线变化平稳。即:突增荷载, 下挠变形激增, 位移-时间曲线出现拐点;缓增荷载, 下挠变形递增, 位移-时间曲线变化平稳。

卸载后桥梁实际下挠变形情况与模拟计算情况基本吻合, 数值基本一致, 实践证明, 在卸载后4d内下挠变形基本稳定, 累计下挠变形达50mm, 在设计预拱度+80mm内, 结构稳定安全, 可进行后续幕墙、铺装等工程施工;随着幕墙、防水、桥面各道工序的施工, 桥梁变形累积, 但每日变形幅度较前期变化小, 90d内累积变形量为73mm, 未超过模拟计算得出最不利位移107mm, 施工阶段安全。