連續(xù)梁—剛構(gòu)組合梁橋施工監(jiān)測與仿真分析

姚敏紅，張俊光

(1.西安公路研究院 橋梁所，西安 710054;2.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064)

連續(xù)梁—剛構(gòu)組合梁橋是連續(xù)梁橋與連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)合體，兼顧了兩者的諸多優(yōu)點(diǎn)，如橋面連續(xù)、減少了大噸位支座、施工方便、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少、有利于高速行車等;又摒除了兩者的不足，既增大聯(lián)長又突破了矮墩的限制等。［1-2］

本文針對連續(xù)梁—剛構(gòu)組合梁橋的特點(diǎn)，以西部開發(fā)省際公路通道銀川至武漢線封侯溝特大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，探討預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁—剛構(gòu)組合梁橋的施工實(shí)測監(jiān)控與仿真分析。通過把大跨度橋梁施工控制的理論和方法應(yīng)用于實(shí)際施工過程，為本橋的順利建成提供了有力的技術(shù)支持，且對結(jié)構(gòu)形似橋梁的施工控制有很好的參考價值。

1 施工控制的方法及理論

1.1 前進(jìn)分析法

前進(jìn)分析法的目的在于確定成橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。這種計算的特點(diǎn)是:隨著施工階段的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)形式、邊界約束、荷載形式在不斷改變，前期結(jié)構(gòu)發(fā)生徐變和幾何位置的改變。因而，前一階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)將是本次施工階段結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。將這種按施工階段進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析，稱為前進(jìn)分析法。

前進(jìn)分析按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序分析結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，它能較好地擬合橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工歷程，能得到橋梁結(jié)構(gòu)在各個施工階段的位移和受力狀態(tài)。不僅可以用來指導(dǎo)橋梁的設(shè)計和施工，而且為橋梁的施工控制提供了依據(jù)。

1.2 倒退分析法

倒退分析系統(tǒng)的基本思想是，假定t=t0時刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布滿足前進(jìn)分析t0時刻的結(jié)果，線形滿足設(shè)計軸線。在此初始狀態(tài)下，按照前進(jìn)分析的逆過程，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒拆，分析每次拆除一個施工段對剩余結(jié)構(gòu)的影響。在一個階段內(nèi)分析得到的結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力便是理想施工狀態(tài)。按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序的逆過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，通過分析可以得到橋梁結(jié)構(gòu)在各個施工階段的高程和理想受力狀態(tài)。

1.3 自適應(yīng)分析法

根據(jù)施工過程中識別出來的設(shè)計參數(shù)實(shí)際值不斷地修正計算模型中的相應(yīng)參數(shù)，使計算模型與實(shí)際模型磨合一段時間后，自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律。該控制系統(tǒng)中必須具備一個有效的參數(shù)識別系統(tǒng)。這些參數(shù)主要為:結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)、截面特征參數(shù)、節(jié)段自重、混凝土彈性模量、混凝土收縮徐變參數(shù)、溫度、混凝土強(qiáng)度、施工臨時荷載等。在箱梁的前幾個節(jié)段施工中，結(jié)構(gòu)剛度較大，變形較小。因此，在控制初期參數(shù)誤差對箱梁高程的影響較小，這對于自適應(yīng)控制方法的應(yīng)用是非常有利的。經(jīng)過幾個梁段的施工后，計算參數(shù)已得到修正，為后續(xù)變形較大的節(jié)段的施工控制創(chuàng)造了良好的條件。

文獻(xiàn)［1］表明，單獨(dú)的正算法無論是理論上還是計算量上都明顯優(yōu)于倒算法。

2 工程實(shí)例

封侯溝大橋位于陜西省永壽縣城東約2 km處，是西部開發(fā)省際公路通道銀川至武漢線，陜西境陜甘界至永壽公路上的控制工程之一，橋梁全長570 m，主橋立面見圖1。

圖1 封侯溝大橋立面布置(單位:cm)

大橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁—剛構(gòu)組合橋，跨徑組成為(75+3×140+75)m。主橋上部采用直腹板的單箱單室結(jié)構(gòu)，箱梁頂面寬度12.75 m，箱體寬度6.5 m，翼緣板懸臂長為3.125 m?？缰邢淞毫焊?.0 m，箱梁根部梁高8.0 m，箱梁底曲線按二次拋物線變化。13#、16#橋墩采用薄壁空心橋墩，墩梁分離;14#、15#橋墩采用雙薄壁空心橋墩，墩梁固結(jié)。主橋兩幅連續(xù)剛構(gòu)箱梁均采用掛籃懸臂澆筑法施工，合龍順序?yàn)橄冗吙?，再合龍中孔，最后合龍次中孔?/p>

3 有限元模型

對封侯溝大橋進(jìn)行分析計算時，將其按照空間實(shí)用理論簡化為三維空間結(jié)構(gòu)，采用大型橋梁專用程序Madis/Civil進(jìn)行建模，各懸臂施工梁段用空間梁單元來模擬。將全橋離散為236個單元，其中橋面系190個單元，橋墩、基礎(chǔ)46個單元。13#～16#墩為主橋橋墩，12#為過渡墩、17#為橋臺。13#、16#墩頂設(shè)活動支座，12#、17#直接將活動支座約束加在主梁上，14#、15#橋墩墩梁固結(jié)。每個節(jié)段的懸澆過程分為:掛籃就位與立模、混凝土澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力筋與拆模、掛籃前移四個受力階段。整個結(jié)構(gòu)形成過程共分為56個施工階段和1個運(yùn)營階段，整個施工過程中出現(xiàn)的荷載、邊界條件、計算圖式的改變在分析模型中得到準(zhǔn)確的體現(xiàn)。

對于大跨度連續(xù)梁—剛構(gòu)橋，施工時結(jié)構(gòu)的彈性模量、自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃變形、混凝土收縮徐變、施工臨時荷載、溫度等對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形存在隨機(jī)影響，橋梁的線形、應(yīng)力測量也存在誤差。一般情況下，采用規(guī)范設(shè)計參數(shù)計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移均較實(shí)測值大，這對設(shè)計來講是偏于安全的。但對于施工控制來說，這可能會導(dǎo)致不容忽視的誤差，它將直接影響到橋梁的成橋線形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力是否滿足設(shè)計要求。因此，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工控制分析研究時，需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的取值進(jìn)行修正。本文采用前進(jìn)分析和自適應(yīng)分析相結(jié)合的方法對有限元模型進(jìn)行修正。首先在前進(jìn)分析中，對應(yīng)于每個施工階段修改相應(yīng)的參數(shù)值，計算出該參數(shù)對狀態(tài)變量的影響矩陣。再將各個施工狀況下變量理論值與實(shí)際值進(jìn)行對比分析，采用帶權(quán)值的最小二乘法來識別各參數(shù)的誤差值。以此為依據(jù)預(yù)測下一施工階段相應(yīng)狀態(tài)變量參數(shù)的理論值。由以上兩種分析方法可以得到各個施工狀態(tài)下，以及成橋后狀態(tài)變量的理論數(shù)據(jù)，包括主梁的高程、控制截面應(yīng)力。除此之外，還有施工控制數(shù)據(jù)的理論值和立模高程值。

4 主橋施工監(jiān)控

4.1 高程測點(diǎn)的布置

連續(xù)梁橋在懸臂澆筑時，首先將梁與墩臨時固結(jié)，而對于連續(xù)剛構(gòu)橋則不需要臨時固結(jié)措施。在主梁0#塊澆筑完之后，即在頂面上設(shè)置5個基準(zhǔn)點(diǎn)(見圖2)。主梁其它節(jié)段開始澆筑后，在主梁腹板外側(cè)及中點(diǎn)布置高程觀測點(diǎn)，主梁梁頂設(shè)3個高程觀測點(diǎn)。

圖2 0#塊變形及高程測點(diǎn)布置(單位:cm)

4.2 立模高程的確定

對于懸臂施工的橋梁結(jié)構(gòu)來說，施工控制的主要任務(wù)之一就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值，進(jìn)行施工階段的仿真分析，確定出每個懸臂澆筑階段的立模高程。并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果，對誤差進(jìn)行分析、預(yù)測，對下一立模高程進(jìn)行調(diào)整。以此來保證成橋后橋面線形、合龍段兩懸臂端高程的相對偏差不大于規(guī)定值，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

立模高程H=設(shè)計高程H1-鋪裝層厚h1-截面高h(yuǎn)2+掛藍(lán)變形h3+活載預(yù)拱度h4/2+恒載預(yù)拱度h5。

4.3 應(yīng)力測點(diǎn)的布置

施工監(jiān)控中主要是監(jiān)測箱梁的縱橋向正應(yīng)力，因此應(yīng)力計在箱梁上都是沿縱橋向布置在底、頂板內(nèi)。梁段的應(yīng)力監(jiān)測通常需要在主梁控制斷面處埋設(shè)應(yīng)力測試元件，用以測定各施工階段主梁混凝土的應(yīng)力。將梁段應(yīng)力監(jiān)測的結(jié)果與施工控制中其他監(jiān)測結(jié)果相結(jié)合，能全面地判斷施工過程中的全橋內(nèi)力狀態(tài)，從而安全可靠地保障橋梁施工。

為了對施工過程中梁段的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，在主梁的懸臂根部(1#塊內(nèi))，L/4截面以及 L/2截面等梁部關(guān)鍵截面處埋設(shè)弦式應(yīng)變計。將應(yīng)變計順橋向固定在主筋上，其中應(yīng)變測點(diǎn)的橫截面布置如圖3所示。

圖3 應(yīng)變測點(diǎn)布置(單位:cm)

4.4 主梁線形監(jiān)測

由于理論分析中混凝土彈性模量取值與實(shí)際值存在差異，以及測量誤差、溫度等影響，導(dǎo)致梁段懸澆施工4個受力階段懸臂梁段產(chǎn)生變形的理論值和實(shí)測值存在一定差異。本文對這些差異進(jìn)行了分析比較，其中掛籃前移使得梁段產(chǎn)生的變形很小。梁段澆筑前后、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前后產(chǎn)生的變形能反映出施工過程中主梁撓度的變化，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行施工控制分析的重要因素之一。通過對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，梁段澆筑前后的變形實(shí)測值與理論值相差不大，除個別數(shù)據(jù)外，差值均在15 cm之內(nèi)，達(dá)到了《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041—2000)［3］中允許的主梁控制誤差精度(±20 mm)，線形控制得到了比較滿意的結(jié)果。

4.5 應(yīng)力監(jiān)測

該橋應(yīng)力監(jiān)控采用階段應(yīng)力分析方法，其優(yōu)點(diǎn)是可充分反應(yīng)梁體在各個施工階段所產(chǎn)生的應(yīng)力變化情況，以便對每個階段的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析和處理。由于數(shù)據(jù)較多和限于篇幅，現(xiàn)僅取最具有代表性的支點(diǎn)控制截面實(shí)測值與理論值進(jìn)行對比分析，見表1。

由表1可知施工階段截面上、下緣均為壓應(yīng)力，箱梁基本上處于全截面受壓狀態(tài)，箱梁的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。從實(shí)測值與理論值的分析比較可知，懸臂根部截面實(shí)測值與仿真分析得到的理論值總體吻合良好。在施工過程中的實(shí)測應(yīng)力大部分大于理論值，但兩者相差不大，實(shí)測值與理論值的差值小于4 MPa。這是由于箱梁剪力滯效應(yīng)的存在，導(dǎo)致箱梁頂、底板在靠近腹板處的正應(yīng)力往往比初等梁理論計算值大。

表1 13號橋墩懸臂根部截面部分應(yīng)力比較 MPa

5 結(jié)語

1)本文結(jié)合封侯溝連續(xù)梁—剛構(gòu)組合梁橋的施工監(jiān)控實(shí)踐，闡述了橋梁施工控制的理論方法。通過采用前進(jìn)分析與自適應(yīng)控制相結(jié)合的方法對該橋進(jìn)行了仿真分析，從而有效地調(diào)整橋梁的內(nèi)力和線形，確保了橋梁建造質(zhì)量和施工安全，對類似橋梁結(jié)構(gòu)的施工控制有很好的參考價值。

2)從變形觀測結(jié)果來看，各梁段實(shí)測高程值與理論值的偏差均在15 mm之內(nèi)，符合規(guī)范要求。表明根據(jù)理論模型與實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析得出的各節(jié)段立模高程值，可用于指導(dǎo)立模施工，能有效地控制誤差。

3)在現(xiàn)場測量預(yù)應(yīng)力鋼束張拉產(chǎn)生的梁段變形時，要準(zhǔn)確把握測量時機(jī)，減小測量誤差。

4)施工控制中的變形觀測、應(yīng)力觀測對保障橋梁安全施工具有重要意義。

［1］中華人民共和國交通部.JTJ041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］徐君蘭.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］薛成鳳，白延芳，趙雷.大跨度混凝土斜拉橋施工控制正裝和倒拆仿真分析［J］.鐵道建筑，2009(8):1-4.

［4］劉俊，陳銘.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制研究［J］.中外公路，2008，28(1):109-112.