高墩大跨度鐵路橋梁懸臂澆筑施工監(jiān)控

寧 宇 吳 吉

(1.成都市實驗外國語學校，四川成都 610031;2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

近年來，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁憑借其外形優(yōu)美、結(jié)構(gòu)尺寸小、受力明確、橋下凈空大等優(yōu)點，在橋梁建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。尤其是我國西南、西北山區(qū)跨越深溝峽谷或大江大河的公路和鐵路上往往采用高墩大跨度橋梁跨越。目前已修建了多座高墩大跨度的鐵路橋梁。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是橋梁設(shè)計者提倡和推薦的橋型之一，但其在施工中或成橋后運營階段也可能會出現(xiàn)一些問題，如虎門大橋在施工過程中將主梁拉裂，黃石長江大橋在運營階段出現(xiàn)主梁下?lián)线^大等問題，為了確保橋梁能夠安全施工和運營，大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋的施工監(jiān)控就顯得尤為重要［1，2］。事實上，任何橋梁施工特別是大跨徑橋梁的施工，都是一個系統(tǒng)工程。為實現(xiàn)設(shè)計目標而必須經(jīng)歷的施工過程中，將受到許許多多確定和不確定因素(誤差)的影響，包括材料的性能、施工荷載、預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變、溫度等的影響，造成橋梁結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)與理想狀態(tài)之間存在差異，因此如何從各種失真的結(jié)構(gòu)參數(shù)中找出相對真實值，對施工狀態(tài)進行實時識別(監(jiān)測)、調(diào)整(糾偏)、預(yù)測，使施工系統(tǒng)處于控制之中，這對設(shè)計目標安全、順利實現(xiàn)是至關(guān)重要的［3，4］。因此在橋梁施工過程中有必要對橋梁的實際反應(yīng)(高程、線形、應(yīng)力等)實施嚴格的全過程施工控制，以保證橋梁建造質(zhì)量，確保施工過程的安全，以及成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形等符合規(guī)范及設(shè)計要求［5］。新建鐵路貴陽至開陽南江雙線特大橋是一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁橋，大橋主跨采用掛籃懸澆逐段施工，其施工過程將經(jīng)歷復(fù)雜的施工順序。施工過程中不可避免的各種誤差必將干擾成橋目標的實現(xiàn)，導致橋梁合龍困難，使成橋線形和內(nèi)力狀態(tài)偏離設(shè)計要求。因此，為確保施工安全，成橋線形和內(nèi)力狀態(tài)符合最終目標期望值，在施工過程中必須進行有效的施工控制。

1 工程背景及有限元分析計算

該橋位于新建鐵路貴陽到開陽線上，是主跨為92 m+176 m+92 m的三跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。該橋墩號為8號～11號，其中9號墩高81 m，10號墩高83 m，中心里程為DK43+830，本橋為直線橋，縱坡為－3%，按無縫線路設(shè)計，橋上為有砟軌道，采用60 kg重型鋼軌。梁體為單箱單室直腹板截面，中支點處梁高為12.8 m，邊支點及跨中處梁高為6.6 m，邊支座中心線至梁端0.95 m。立面布置圖如圖1所示。主梁采用C55混凝土，三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向、橫向預(yù)應(yīng)力采用低松弛高強度的鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋。南江雙線特大橋跨南江大峽谷，地震動峰值加速度小于0.05g，采用掛籃懸臂澆筑法施工。

圖1 南江特大橋立面布置圖（單位：mm）

有限元模型分析。結(jié)合該橋施工監(jiān)控的需要，建立該橋有限元模型，采用通用有限元軟件計算分析施工過程?；炷恋氖湛s、徐變、溫度變化等因素的影響，將使橋梁結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律十分復(fù)雜。各施工節(jié)段離散為梁單元，2個主墩分別與梁固結(jié)，兩邊跨端視為活動鉸支座。其中總節(jié)點數(shù)為171個，最大鋼束號為130，梁單元個數(shù)為164個，施工階段總數(shù)為110。主橋合龍前后結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生轉(zhuǎn)變，即由對稱的單“Ⅰ”靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的超靜定結(jié)構(gòu)。

2 施工監(jiān)控方案及數(shù)據(jù)分析

在各施工階段中，根據(jù)狀態(tài)變量(控制點位移、控制截面應(yīng)力)的實測值與相應(yīng)理論值的差值對影響參數(shù)進行誤差識別;根據(jù)已施工梁段的影響參數(shù)識別結(jié)果，對未施工節(jié)段的相應(yīng)參數(shù)進行誤差預(yù)測;計算影響參數(shù)的誤差對成橋標高的影響，求出各節(jié)段標高的調(diào)整值。

2.1 應(yīng)變觀測

由于該橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工過程中不定因素較多，考慮到應(yīng)變數(shù)據(jù)測試的長期穩(wěn)定性，監(jiān)控組采用振弦式應(yīng)變計，并使用手持式采集儀讀數(shù)。主要測試南江特大橋箱梁控制截面的應(yīng)力。主梁測點布置在懸臂根部和各懸澆節(jié)段端截面等關(guān)鍵截面上，測試儀器采用精度較高的、能滿足施工監(jiān)控要求的混凝土應(yīng)變計、鋼筋應(yīng)變計。其他截面測點布置如圖2所示，每個截面布置4個應(yīng)變計，2個鋼筋應(yīng)變計，共6個測點?？傆?個截面，合計54個測點。按照施工監(jiān)控流程，及時觀測了各節(jié)段工況下的應(yīng)變值，并對實測值和理論值進行了比較分析，從目前所采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)分析來看，各控制截面有一定的應(yīng)力儲備(理論值與實測值的差別影響因素與多種因素有關(guān):溫度、材料特性、張拉工藝、臨時荷載堆放位置等)。各節(jié)段在不同施工節(jié)段的理論計算應(yīng)力與實測換算得到的應(yīng)力對比圖如圖3～圖6所示。由圖3～圖6可知，各控制截面實測應(yīng)力與理論計算應(yīng)力比較吻合;全截面受壓，遠小于施工狀態(tài)壓應(yīng)力限值，表明施工過程中結(jié)構(gòu)是安全的，滿足設(shè)計要求。

圖2 南江特大橋應(yīng)變測點縱向布置圖

圖3 立模后各節(jié)段底板應(yīng)力值對比

圖4 立模后各節(jié)段頂板應(yīng)力值對比

圖5 澆筑后各節(jié)段頂板應(yīng)力值對比

圖6 澆筑后各節(jié)段底板應(yīng)力值對比

2.2 撓度觀測

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標高的合理確定，是關(guān)系到主梁的線形是否平順、是否符合設(shè)計的一個重要問題。如果在確定立模標高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確的控制，則最終橋面線形較為良好;如果考慮的因素和實際情況不符合，控制不力，則最終橋面線形會與設(shè)計線形有較大的偏差。

眾所周知，立模標高并不等于設(shè)計中橋梁建成后的標高，總要設(shè)一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形(撓度)。其計算公式如下:

其中，Hlmi為i節(jié)段立模標高(節(jié)段上某確定位置);Hsji為i節(jié)段設(shè)計標高為由各梁段自重在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;為由張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;f3i為混凝土收縮、徐變在i節(jié)段引起的撓度;f4i為施工臨時荷載在i節(jié)段引起的撓度;f5i為使用荷載在i節(jié)段引起的撓度;fgl為掛籃變形值［6，7］。

連續(xù)梁橋掛籃懸臂澆筑每一個箱梁節(jié)段分三個階段，在掛籃前移后、澆筑混凝土后和張拉預(yù)應(yīng)力后，均需對已施工箱梁上的監(jiān)測點進行觀測，該觀測程序，稱為三階段撓度觀測法，截面高程測點布置如圖7所示。圖8為立?？刂茰y點示意圖。按照施工進展情況，根據(jù)對該橋的理論分析結(jié)果和現(xiàn)場掛籃預(yù)壓及各節(jié)段混凝土澆筑后掛籃變形結(jié)果，計算立模標高，同時對混凝土澆筑后和預(yù)應(yīng)力張拉后以及模板的撓度變形進行了觀測，并將施工實際狀態(tài)及結(jié)果與理論值進行了對比分析。

圖7 南江特大橋高程測點截面布置圖

圖8 立?？刂茰y點示意圖

限于篇幅原因，本文只給出9號墩大里程、小里程的8個節(jié)段以及10號墩兩個節(jié)段在各個施工階段的實測撓度與理論計算撓度的比較分析，如圖9～圖11所示。圖中“9-2小”表示9號墩2號塊小里程;“10-1小”表示10號墩1號塊小里程。從圖9～圖11看出，各梁段高程偏差都控制在15 mm范圍內(nèi)，最大誤差為8 mm，說明線形得到了很好的控制。

圖9 各節(jié)段A測點立模標高對比圖

圖10 各節(jié)段A測點混凝土澆筑后高程對比圖

圖11 各節(jié)段A測點張拉后撓度對比圖

3 結(jié)語

使用有限元分析軟件對該高墩大跨度鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋進行全過程分析，將所得到的計算結(jié)果和施工中的實測數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明該連續(xù)剛構(gòu)特大橋目前施工階段受力性能良好，線形和應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

通過對南江特大橋施工線形和應(yīng)力的監(jiān)控，有效地保證了橋梁的施工質(zhì)量與安全，為同類型高墩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋梁的施工監(jiān)控積累了經(jīng)驗，提供了可參考的依據(jù)。

致謝:感謝湖南鐵院土木工程檢測有限公司給作者提供一個寶貴的實習機會;同時感謝該公司駐南江特大橋現(xiàn)場監(jiān)控人員給予的現(xiàn)場實踐以及理論分析的指導。

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