大跨度連續(xù)梁橋懸臂施工線(xiàn)形與應(yīng)力測(cè)控研究

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，成都，610091)

1 目的及意義

大跨度橋梁的施工能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師的初衷，不僅關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的成橋質(zhì)量，更關(guān)系到成橋后結(jié)構(gòu)能否滿(mǎn)足安全運(yùn)營(yíng)。為保證大跨度結(jié)構(gòu)橋梁施工的安全性、穩(wěn)定性，為今后同類(lèi)結(jié)構(gòu)體系橋梁的設(shè)計(jì)、施工提供進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)的數(shù)據(jù)依據(jù)，開(kāi)展大跨度連續(xù)梁施工線(xiàn)形及應(yīng)力測(cè)控研究有著重要的意義。

施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力及穩(wěn)定性的控制是施工控制的核心。跟隨施工過(guò)程，對(duì)各關(guān)鍵工況的應(yīng)力、標(biāo)高及溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以掌握各工況下結(jié)構(gòu)的實(shí)際反應(yīng)，并同理論預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的誤差進(jìn)行認(rèn)真分析，找到誤差原因，提出處理措施。使以后各節(jié)段采用的施工參數(shù)更加合理，預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)更加符合實(shí)際情況，最終使預(yù)測(cè)同實(shí)測(cè)相一致，從而達(dá)到控制的目的。

2 大跨度連續(xù)梁橋監(jiān)控重點(diǎn)

基于目前的技術(shù)水平及大跨度連續(xù)梁橋工程的具體情況，施工中重點(diǎn)控制混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的線(xiàn)形和應(yīng)力。對(duì)掛籃懸臂澆注施工的連續(xù)體系混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的基礎(chǔ)性分析計(jì)算：

(1)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算；

(2)成橋正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形驗(yàn)算；

(3)成橋極限承載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算；

(4)施工過(guò)程橋梁變形分析，以確定恒載設(shè)計(jì)預(yù)拱度；

(5)列車(chē)活載作用下的撓度，以確定活載設(shè)計(jì)預(yù)拱度。

3 混凝土橋梁線(xiàn)形監(jiān)控

3.1 預(yù)拱度的設(shè)置

3.1.1 預(yù)拱度的組成

對(duì)于掛籃懸澆混凝土主梁預(yù)拱度的設(shè)置，重點(diǎn)考慮：①設(shè)計(jì)預(yù)拱度；②懸澆掛籃主體結(jié)構(gòu)變形；③懸澆掛籃外模板變形；④懸澆掛籃內(nèi)模系統(tǒng)變形；⑤溫度效應(yīng)引起的掛籃變形。則：

梁底預(yù)拱度=①-②-③-⑤；

梁頂預(yù)拱度=①-②-③-④-⑤。

對(duì)于設(shè)計(jì)預(yù)拱度，按設(shè)計(jì)要求取(成橋累計(jì)位移+1/2活載撓度)的反值。

3.1.2 預(yù)拱度的取值

由于理論分析模型、計(jì)算參數(shù)取值等與實(shí)際情況存在一定差異，因此，掛籃變形的理論計(jì)算值存在誤差。在實(shí)際立模時(shí)掛籃變形預(yù)拱度需要根據(jù)理論計(jì)算和靜載試驗(yàn)結(jié)果綜合確定。預(yù)拱度的合理取值還須通過(guò)多個(gè)梁段施工的監(jiān)測(cè)，不斷積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，才能真正取得。

3.1.3 影響主梁線(xiàn)形的關(guān)鍵因素

從預(yù)拱度的組成，就可以看出主梁線(xiàn)形的影響因素。從以往掛籃的分析及試驗(yàn)結(jié)果、設(shè)計(jì)提供橋梁的位移量以及施工監(jiān)控的目前分析結(jié)果來(lái)看，在眾多的影響因素中，掛籃體系變形是最主要的，尤其是在懸臂長(zhǎng)度較小時(shí)。因此，要控制好主梁的線(xiàn)形，必須做好兩方面工作：

(1)要嚴(yán)格按實(shí)際施工情況及實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程模擬，確保理論計(jì)算的準(zhǔn)確性；

(2)要通過(guò)理論分析和經(jīng)驗(yàn)積累來(lái)取得掛籃結(jié)構(gòu)各部分變形的客觀(guān)值。對(duì)掛籃變形的準(zhǔn)確測(cè)量將是影響線(xiàn)形控制的關(guān)鍵因素之一。

3.2 線(xiàn)形監(jiān)控

3.2.1 線(xiàn)形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

為達(dá)到上述線(xiàn)形監(jiān)測(cè)的目的，需進(jìn)行以下項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)工作：①掛籃結(jié)構(gòu)；②混凝土主梁標(biāo)高；③混凝土主梁中線(xiàn)。

3.2.2 線(xiàn)形監(jiān)測(cè)方法

3.2.2.1 懸澆掛籃變形測(cè)量

采用幾何水準(zhǔn)方法(水準(zhǔn)儀+水準(zhǔn)尺)對(duì)懸澆掛籃變形進(jìn)行測(cè)量。但在采用本方法進(jìn)行掛籃變形測(cè)量時(shí)，所測(cè)得的結(jié)果直接反映的是掛籃絕對(duì)位置的變化，其中包含有混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的變形。為較準(zhǔn)確地求得掛籃自身的變形量，需要進(jìn)行如下項(xiàng)目的測(cè)量：

(1)懸澆掛籃底籃懸臂前端的合適位置(靠近前吊桿下錨固點(diǎn))；

(2)懸澆掛籃主桁前端的合適位置(靠近前吊桿錨固點(diǎn))；

(3)懸澆掛籃行走滑道的前、中、后位置。

根據(jù)上述的測(cè)量結(jié)果，將混凝土變形量扣除，即可求得掛籃自身的彈性變形。

3.2.2.2 混凝土主梁標(biāo)高

對(duì)混凝土主梁，橫向沿橋面兩側(cè)和中間、縱向在各施工塊的懸臂前端布置系列觀(guān)測(cè)點(diǎn)，用幾何水準(zhǔn)法進(jìn)行主梁標(biāo)高的測(cè)量，根據(jù)主梁標(biāo)高的變化情況，求得混凝土主梁的變形。

3.2.2.3 混凝土主梁中線(xiàn)

對(duì)于混凝土主梁，橫向沿橋面兩側(cè)和中間、縱向在各施工塊的懸臂前端布置系列觀(guān)測(cè)點(diǎn)，用全站儀對(duì)混凝土主梁中線(xiàn)及兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量。

3.2.3 線(xiàn)形測(cè)點(diǎn)布置

3.2.3.1 懸澆掛籃

懸澆掛籃的變形是影響混凝土橋梁線(xiàn)形的最主要因素，對(duì)此必須要估計(jì)準(zhǔn)確。

為了進(jìn)行懸澆掛籃在混凝土自重作用下的變形測(cè)量，需要對(duì)主桁、底籃及行走滑道的標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量。在主桁前吊帶上錨固位置、底籃前吊帶下錨固位置及行走滑道的前、中、后位置布置變形測(cè)點(diǎn)，橫向與兩主桁的位置相對(duì)應(yīng)。

3.2.3.2 混凝土主梁線(xiàn)形

對(duì)混凝土主梁線(xiàn)形進(jìn)行測(cè)量的目的一方面在于檢查梁的實(shí)際標(biāo)高是否同設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)相一致；另一方面還在于通過(guò)不同測(cè)量工況下主梁標(biāo)高的變化量來(lái)分析主梁的變形情況，以評(píng)價(jià)理論分析與預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)主梁線(xiàn)形的施工監(jiān)控工作積累經(jīng)驗(yàn)。

沿縱向，在主梁的各施工節(jié)段懸臂前端及0號(hào)塊中間、前端設(shè)置測(cè)點(diǎn)；沿橫向，在腹板頂板相交處、頂板中部設(shè)置測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)采用約30cm長(zhǎng)的短鋼筋，要求鋼筋頭露出澆注好的橋面約3cm～4cm，并要求將露出橋面的部分均用油漆涂成紅色。測(cè)試截面包含每一個(gè)梁段的前端，并且進(jìn)行一定數(shù)量的線(xiàn)形截面測(cè)試，繪制梁體標(biāo)高及中線(xiàn)曲線(xiàn)。

3.3 線(xiàn)形監(jiān)控注意要點(diǎn)

在線(xiàn)形監(jiān)控過(guò)程中，要特別注意做到以下幾點(diǎn)：

(1)在施工監(jiān)控中，對(duì)混凝土澆注前后掛籃主梁、底模以及混凝土橋面等關(guān)鍵位置標(biāo)高的測(cè)量屬于控制性測(cè)量，該項(xiàng)工作宜在早晨氣溫恒定時(shí)完成；

(2)主梁底面標(biāo)高直接由立模標(biāo)高決定，而主梁頂面標(biāo)高除受立模的影響外，還受內(nèi)模變形、主梁高度誤差、頂板厚度誤差等因素的影響，因此嚴(yán)格控制截面幾何尺寸誤差是保證主梁線(xiàn)形良好的又一個(gè)關(guān)鍵之處；

(3)為確保主梁線(xiàn)形良好，必須對(duì)底模與頂模的標(biāo)高同時(shí)進(jìn)行控制；

(4)施工測(cè)量人員與監(jiān)控人員應(yīng)多交流，共同分析線(xiàn)形誤差原因，為下一步工作積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

4 混凝土橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了掌握掛籃懸澆施工混凝土箱梁的應(yīng)力及系桿拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨施工過(guò)程的變化情況，確保混凝土箱梁和拱肋受力的安全性和合理性，有必要對(duì)掛籃懸澆施工混凝土箱梁的應(yīng)力和系桿拱橋吊桿張拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

4.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)于掛籃懸臂澆注的大跨度連續(xù)梁橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要是施工過(guò)程中受力不利截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

采用鋼弦式應(yīng)力計(jì)對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)應(yīng)變換算應(yīng)力值。對(duì)于鋼弦式應(yīng)力計(jì)，是利用傳感器內(nèi)腔中鋼弦頻率的變化來(lái)反映被測(cè)物體的應(yīng)變。鋼弦式應(yīng)力計(jì)的輸出信號(hào)為鋼弦的振動(dòng)頻率，其與應(yīng)變的關(guān)系如式(1)。

(1)

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，采用鋼弦式應(yīng)力計(jì)測(cè)得的是總應(yīng)變，其包括了非應(yīng)力應(yīng)變成分，要得到被測(cè)位置的真實(shí)應(yīng)力，必須準(zhǔn)確扣除非應(yīng)力應(yīng)變。而非應(yīng)力應(yīng)變又因測(cè)量對(duì)象及測(cè)量位置的不同而異。其應(yīng)力測(cè)量的計(jì)算公式如(2)：

σ=E·(εT-εu)

(2)

式中：σ——荷載作用下被測(cè)結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力；

E——被測(cè)結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；

εT——應(yīng)力計(jì)直接測(cè)得的應(yīng)變；

εu——各非應(yīng)力應(yīng)變成分的總和。

對(duì)于埋入混凝土中與粘貼在混凝土表面的應(yīng)力計(jì)而言，εu的組成可分別由表達(dá)式(3)、(4)給出：

εu=εc+εs+εt=εc+εs+α·△t

(3)

εu=εtα·△t

(4)

式中：εt——溫度變化引起的材料變形量；

α——鋼材的線(xiàn)膨脹系數(shù)；

△t——溫度變化量；

εc、εs——分別為混凝土徐變和收縮引起的非應(yīng)力應(yīng)變成分。

在采用弦式儀器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)試中，需要特別注意的是溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)傳感器而言的，溫度變化會(huì)引起弦振頻率改變，在進(jìn)行頻率應(yīng)變換算時(shí)須考慮對(duì)溫度進(jìn)行修正；二是對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，溫度變化引起結(jié)構(gòu)自由伸長(zhǎng)和縮短，當(dāng)這種自由變化受限制時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，在應(yīng)力計(jì)算時(shí)須將溫變引起的自由應(yīng)變予以扣除。因此，從溫度對(duì)弦式儀器進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試影響的角度考慮，每個(gè)弦式應(yīng)力計(jì)都必須配置一個(gè)溫度傳感器，同時(shí)，對(duì)于表面粘貼式的，還應(yīng)加蓋白色的防護(hù)罩，在保護(hù)傳感器的同時(shí)，還盡量使得溫度傳感器的測(cè)試溫度同被測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度一致。

對(duì)于采用埋入弦式應(yīng)力計(jì)進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量，其測(cè)量精度還受到混凝土徐變和收縮引起的非應(yīng)力應(yīng)變成分等的影響，須采取相應(yīng)措施對(duì)該非應(yīng)力應(yīng)變成分進(jìn)行剔除，目前通常是在應(yīng)力計(jì)附近埋置無(wú)應(yīng)力計(jì)進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償。本應(yīng)力監(jiān)測(cè)將在目前測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)增加測(cè)量次數(shù)，即在各關(guān)鍵工況前后分別測(cè)量應(yīng)變值，通過(guò)計(jì)算增量的方法減少混凝土收縮、徐變對(duì)應(yīng)力測(cè)試真值的影響。在現(xiàn)場(chǎng)條件許可的情況下，還將在與混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入式測(cè)點(diǎn)同高度的位置設(shè)置表面應(yīng)變計(jì)，進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，評(píng)價(jià)混凝土收縮徐變效應(yīng)對(duì)應(yīng)力測(cè)試精度的影響。

4.3 連續(xù)梁橋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

為了掌握橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，須對(duì)主梁的關(guān)鍵受力截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。對(duì)于主梁，一般選擇懸臂根部、1/4L、1/2L處截面作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面。其中，主梁懸臂根部截面是施工過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)截面，必不可少。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇其中的一個(gè)T構(gòu)，對(duì)懸臂根部、1/4L、1/2L處截面進(jìn)行全面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，對(duì)其它T構(gòu)關(guān)鍵截面選取應(yīng)力較大測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

4.4 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)工況

(1)在施工過(guò)程中選擇各節(jié)段混凝土澆筑完畢、預(yù)應(yīng)力張拉完畢、掛籃前移到位以及各合攏段澆筑前后、合攏段預(yù)應(yīng)力張拉后、上二期荷載前后等作為應(yīng)力測(cè)試工況；

(2)在施工過(guò)程中選擇拱肋吊裝過(guò)程中及吊裝完畢后進(jìn)行測(cè)試；

(3)同時(shí)要求每隔一段時(shí)間定期測(cè)量(半年內(nèi)每?jī)稍乱淮?，半年到一年之間3個(gè)月一次)；

(4)應(yīng)力測(cè)試工作最好在溫度較為恒定時(shí)進(jìn)行，同時(shí)須進(jìn)行溫度的測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，大跨度連續(xù)梁將普遍存在，連續(xù)梁懸臂施工也已成為最常用的施工方法，而影響大跨度連續(xù)梁施工質(zhì)量的主要因素就是如何控制大跨度連續(xù)梁的線(xiàn)形及應(yīng)力。本文闡述了大跨度連續(xù)梁懸臂施工線(xiàn)形及應(yīng)力測(cè)控，為其它類(lèi)似工程施工提供了一定的參考作用。