大跨度變截面懸臂箱梁施工線形控制技術(shù)

周黨偉

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南鄭州 410052)

大跨度變截面懸臂箱梁施工線形控制技術(shù)

周黨偉

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南鄭州 410052)

結(jié)合85 m+160 m+85 m變截面懸臂現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)箱梁模板高程計(jì)算方法，介紹了梁塊自重、預(yù)加應(yīng)力、施工荷載引起的撓度，以及溫度、混凝土收縮徐變等影響梁體線形的主要因素及計(jì)算方法，闡述了連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)線形的施工控制技術(shù)。

變截面箱梁 懸臂施工 線形控制

隨著國內(nèi)橋梁施工水平的不斷提高，對(duì)連續(xù)梁在外觀線形方面的要求也隨之提高。施工中因設(shè)計(jì)參數(shù)誤差(如材料特性、徐變系數(shù)等)、施工誤差(如梁段重量、安裝誤差等)、測量誤差及結(jié)構(gòu)分析模型誤差等的存在，勢必導(dǎo)致施工過程中橋梁的實(shí)際狀態(tài)(線形)與理想目標(biāo)存在一定的偏差;這種偏差如不及時(shí)加以識(shí)別和調(diào)整控制，累積到一定程度在影響梁體線形的同時(shí)將對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)的安全帶來嚴(yán)重影響。為此，對(duì)施工過程進(jìn)行線形監(jiān)控，及時(shí)識(shí)別施工偏差，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)計(jì)算修正，確定每個(gè)懸澆節(jié)段的立模高程，就顯得非常有必要。本文結(jié)合工程實(shí)踐就懸臂法施工的混凝土梁的線形控制作一介紹。

1 工程概況

普安特大橋全長913 m，主跨為85 m+160 m+85 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，位于半徑7 035 m的圓曲線上和35 000 m半徑的豎曲線上。剛構(gòu)設(shè)計(jì)為變截面箱梁，梁高2.00～9.75 m，梁寬7 m，橋面寬12.5 m，梁底按二次拋物線設(shè)置。全梁共79節(jié)段，橋梁上部主體結(jié)構(gòu)均采用懸臂現(xiàn)澆法施工。由于梁體跨度大，節(jié)段多，對(duì)梁體線形控制有著較高的要求，如控制不好，不僅影響梁體的外觀質(zhì)量，更重要的會(huì)影響梁體的運(yùn)營。為此，在梁體施工過程中，針對(duì)大跨度混凝土連續(xù)剛構(gòu)線形控制進(jìn)行了專題研究。

2 線形控制原理及控制流程

線形監(jiān)控就是通過在施工過程中對(duì)每個(gè)梁段在立模、混凝土澆筑及施加預(yù)應(yīng)力后的平面位置、高程變化情況進(jìn)行測量，來了解結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在每一施工階段的實(shí)際變形情況。對(duì)監(jiān)測的成果在考慮預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、墩身混凝土壓縮、掛籃變形、溫度等諸多因素后，進(jìn)行分析計(jì)算以確定每個(gè)懸臂澆筑節(jié)段的立模高程。同時(shí)在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析，預(yù)測和調(diào)整后續(xù)梁段的立模高程，以確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全，確保合龍精度和體系轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行，最終使成橋后的橋面線形符合設(shè)計(jì)要求。

曲線橋梁平面內(nèi)、外側(cè)弧形的圓順，以及連續(xù)剛構(gòu)現(xiàn)澆箱梁變截面各施工段線形盡量達(dá)到或接近設(shè)計(jì)的二次拋物線，是施工線形控制的兩個(gè)方面。豎向線形控制主要依據(jù)施工預(yù)先選用的混凝土自重、施工臨時(shí)荷載、預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)計(jì)值等主要荷載，對(duì)懸臂梁產(chǎn)生正負(fù)撓度疊加值;另外還要考慮橋梁懸臂施工引起的靜定結(jié)構(gòu)短期彈性撓度和長期徐變撓度值。施工時(shí)對(duì)于靜定懸臂施工的兩端預(yù)設(shè)上拱度的具體做法是在施工高程的基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)彈性撓度和徐變撓度影響數(shù)值。

在實(shí)際施工中遵循“計(jì)算預(yù)測→施工量測→反饋分析→計(jì)算調(diào)整→施工量測”的次序循環(huán)進(jìn)行;在成橋后，再根據(jù)實(shí)測線形和預(yù)測線形進(jìn)行比較，對(duì)整個(gè)線形控制過程進(jìn)行分析總結(jié)。線形控制如圖1所示。

3 影響梁體線形主要因素分析及計(jì)算

3.1 主要影響因素

施工過程的撓度計(jì)算不僅與力學(xué)計(jì)算模型的選取有關(guān)，而且更重要的是與許多影響撓度的因素相關(guān)，這些主要因素包括:

1)施工階段的一期恒載(梁自身靜載)和預(yù)加應(yīng)力;

2)施工臨時(shí)荷載，即懸澆的掛籃、施工荷載等;

3)其他因素，即溫度變化、混凝土收縮徐變等。

圖1 線形控制流程

除此以外，還有許多隨機(jī)變化的待定因素，如混凝土自身的彈塑性性能，各節(jié)段施工周期隨季節(jié)變化的不定性，預(yù)應(yīng)力損失的隨機(jī)性，日照使結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)外溫度變化的不均衡性等。

3.2 主要影響因素的計(jì)算方法

1)施工靜載引起的撓度(如圖2所示)

施工靜載包括一期恒載和施工臨時(shí)荷載，各節(jié)段的混凝土自重屬一期恒載，掛籃設(shè)備以及機(jī)具人員等屬于施工臨時(shí)荷載?；炷磷灾禺a(chǎn)生的撓度通過懸臂梁的自重?fù)隙裙竭M(jìn)行計(jì)算，在此不贅述，僅說明各節(jié)段對(duì)各點(diǎn)撓度的疊加公式。

由于各個(gè)節(jié)段對(duì)其前面的節(jié)段均會(huì)產(chǎn)生撓度，故而計(jì)算各節(jié)段的自重?fù)隙戎禃r(shí)必須進(jìn)行疊加計(jì)算，具體計(jì)算公式為

式中 δij——j節(jié)段自重及預(yù)應(yīng)力束在i節(jié)段端頭產(chǎn)生的撓度;

δi——由各梁段自重在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;

∑δij——由張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;

圖2 施工自重產(chǎn)生的撓度疊加圖式

由于掛籃設(shè)備的重心距懸臂梁的根部力臂較大，造成已完成梁段的變形，從而使待澆筑梁段模板下垂;這種變形屬于彈性變形，將隨著掛籃的拆除而消失，因此在設(shè)置預(yù)拱度時(shí)，要預(yù)先考慮施工臨時(shí)荷載δ4i的影響。即施工臨時(shí)荷載屬于在施工中移動(dòng)的臨時(shí)靜載，是靜載計(jì)算的一個(gè)特例，且該施工靜載隨著節(jié)段的前移使撓度不斷增大，但隨著節(jié)段的完成最后在合龍時(shí)拆除而歸于0，故在高程計(jì)算過程中要予以扣除。

掛籃自重及臨時(shí)荷載引起的撓度計(jì)算，實(shí)際就是n節(jié)段重量等于掛籃及臨時(shí)荷載重量引起的撓度δin的計(jì)算。且該撓度按照負(fù)值計(jì)算(在合龍后撓度消失，梁體在最后統(tǒng)一產(chǎn)生負(fù)撓度，故在前期計(jì)算按照負(fù)撓度疊加)。

2)預(yù)應(yīng)力引起的撓度

由于懸臂結(jié)構(gòu)施工時(shí)的預(yù)應(yīng)力束均在梁體的上部，所以各節(jié)段預(yù)應(yīng)力引起的撓度一般為負(fù)值。根據(jù)預(yù)應(yīng)力引起的撓度計(jì)算公式計(jì)算疊加而得出各節(jié)段的預(yù)應(yīng)力撓度值δj，具體疊加辦法同梁體自重產(chǎn)生的撓度疊加辦法相同。

3)掛籃變形引起的撓度

由于懸臂結(jié)構(gòu)各節(jié)段的自重達(dá)到1 000 kN以上(項(xiàng)目的懸臂結(jié)構(gòu)最重的節(jié)段已達(dá)到2 500 kN)，所以掛籃的變形值也必須予以考慮。其中掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗(yàn)(掛籃加載試驗(yàn)是在掛籃安裝完畢后，按照懸臂澆筑最重節(jié)段的120%進(jìn)行加載通過測量得來)的各項(xiàng)綜合測試結(jié)果，繪出掛籃荷載—撓度曲線，然后進(jìn)行內(nèi)插而得掛籃變形撓度值δig。

4)混凝土收縮徐變的影響

當(dāng)施工階段變形的理論計(jì)算值與實(shí)測值符合較好的情況下，可以通過累計(jì)變形分析來調(diào)整混凝土的收縮徐變系數(shù)。即在理論模型中首先將混凝土重度、梁體尺寸、鋼絞線張拉應(yīng)力、鋼絞線摩擦系數(shù)等參數(shù)調(diào)整準(zhǔn)確，保證理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的“初步”吻合，進(jìn)而由累計(jì)變形理論計(jì)算值與實(shí)測值的差異來調(diào)整理論模型中混凝土收縮徐變系數(shù)，使累積變形的理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的變形相吻合。

鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計(jì)算必須考慮混凝土收縮徐變的影響。影響收縮徐變的主要因素有:水泥品種、集料性質(zhì)、混凝土配合比、外加劑和其它成分、加載齡期、環(huán)境溫度、構(gòu)件尺寸、應(yīng)力大小及應(yīng)力持續(xù)時(shí)間等?；炷恋氖湛s徐變不僅影響結(jié)構(gòu)在施工期間的變形，而且對(duì)結(jié)構(gòu)在成橋竣工后的變形也有較大影響。在建立理論計(jì)算模型時(shí)，混凝土收縮徐變產(chǎn)生撓度一般按照混凝土隨齡期增長的收縮徐變系數(shù)對(duì)整體預(yù)拱度予以調(diào)整，即

式中 δix——混凝土收縮、徐變?cè)趇節(jié)段引起的撓度;

φt，τ——混凝土收縮徐變系數(shù)(通常首先根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料進(jìn)行綜合分析賦初值);

δj——由張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;

δ4i——施工臨時(shí)荷載在i節(jié)段引起的撓度;

δig——掛籃對(duì)i節(jié)段引起的撓度。

3.3 豎向線形指標(biāo)計(jì)算

在計(jì)算出以上各個(gè)技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)節(jié)段的立模高程進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。在各節(jié)段施工前就要預(yù)先確定該段的立模高程，每節(jié)段立模高程的計(jì)算采用下面的立模高程計(jì)算公式

式中 Hlmi——i節(jié)段立模高程;

Hsji——i節(jié)段設(shè)計(jì)高程;

通過以上的計(jì)算，就可以準(zhǔn)確地預(yù)先計(jì)算出各個(gè)節(jié)段的施工立模高程，再根據(jù)提供的立模高程進(jìn)行施工前后的監(jiān)測分析，以確定后續(xù)高程的計(jì)算。

4 線形監(jiān)控實(shí)施

在懸臂箱梁開始施工前，為了測量工作的方便，通過設(shè)計(jì)單位提供的施工區(qū)平面導(dǎo)線點(diǎn)，在0號(hào)塊現(xiàn)澆梁墩頂選擇可靠點(diǎn)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，并以多邊形導(dǎo)線網(wǎng)的技術(shù)要求和精度指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測復(fù)核。

在施工過程中，每個(gè)節(jié)段均需進(jìn)行數(shù)次觀測(即澆筑混凝土前、澆筑混凝土后張拉前、張拉完成后、掛籃移出后均須進(jìn)行高程觀測)，觀察各控制測點(diǎn)的撓度、主梁合龍精度及橋面的線形。鑒于日照溫差的復(fù)雜性，為了提高測量精度，觀測的時(shí)間宜安排在早晨太陽出來之前進(jìn)行。根據(jù)測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定是否需要進(jìn)行調(diào)整或參數(shù)修正。

首先通過選取2個(gè)節(jié)段的監(jiān)控對(duì)比和施工影響系數(shù)調(diào)整，并據(jù)此預(yù)設(shè)反拱數(shù)值滿足線形監(jiān)控的需要。然后根據(jù)該組參數(shù)對(duì)后續(xù)節(jié)段繼續(xù)進(jìn)行理想高程的調(diào)整，以達(dá)到最終的理想線形。在后續(xù)的施工監(jiān)測中，因該參數(shù)一直得到應(yīng)用，故滿足了施工監(jiān)控的要求。通過有效的自適應(yīng)控制分析和線形控制，剛構(gòu)橋梁的線形得到了有效的控制，完全滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

對(duì)普安特大橋主橋85 m+160 m+85 m連續(xù)剛構(gòu)，在梁體施工過程中，采用上述方法進(jìn)行了線形控制和監(jiān)測調(diào)整，最終使梁體得到良好的線形。此監(jiān)控方法可為同類橋梁施工線形監(jiān)控提供參考借鑒。

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U445.466

A

1003-1995(2012)06-0016-03

2012-01-20;

2012-02-22

周黨偉(1971— )，男，陜西興平人，工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)