大跨徑連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋施工監(jiān)控方法研究

■周維梢

（寧德京臺高速公路有限責(zé)任公司，古田 352200）

1 工程概況

古田溪2 號大橋位于福建省古田縣境，斜跨古田溪一級水庫，橋梁全長572m，引橋?yàn)榭鐝?0m 的連續(xù)剛構(gòu)T 梁橋，主橋?yàn)椋?6+120+66）m 連續(xù)剛構(gòu)單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，0#段梁高7.0m，跨中梁高2.8m，梁高變化按二次拋物線設(shè)計，梁面寬度12.75m，底板寬度6.5m；5＃、6＃墩為主墩，墩高70m 左右。梁體混凝土設(shè)計標(biāo)號C55。懸臂澆筑段共計15 個梁段，16#段為合龍段，施工順序?yàn)橄冗吙绾淆?，再中跨合龍，最后全面完成主梁施工?/p>

2 施工控制原理與方法

從上世紀(jì)80 年代起，我國開始大跨度連續(xù)橋梁施工監(jiān)控理論研究，先后出現(xiàn)了最優(yōu)施工控制原理、灰色理論原理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)用等指導(dǎo)橋梁施工，均取得較好效果。本項(xiàng)目與中工武大設(shè)計研究有限公司合作采用GQJS 橋梁專業(yè)計算軟件進(jìn)行施工監(jiān)控，并為古田溪2 號大橋主橋建立了仿真分析模型，選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識別，充分考慮各種影響因素，再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過比對總結(jié)得出其變化規(guī)律和趨勢。經(jīng)計算、預(yù)測，實(shí)現(xiàn)橋梁線形不斷調(diào)整糾偏，最后達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。同時在施工過程中，適時監(jiān)控結(jié)構(gòu)各主要受力部位的應(yīng)力保持在預(yù)想和容許范圍內(nèi)，以確保在施工期間結(jié)構(gòu)安全。本次橋梁施工監(jiān)控主要工作內(nèi)容有兩項(xiàng)：一是線形控制；二是應(yīng)力監(jiān)控。

為確保古田溪2 號大橋懸澆梁施工質(zhì)量受控，最終產(chǎn)品達(dá)到設(shè)想目標(biāo)，按要求為大橋的施工監(jiān)控制定了一套科學(xué)、系統(tǒng)的工作流程，以協(xié)調(diào)各部門工作，指導(dǎo)施工監(jiān)控有序開展，施工監(jiān)控工作流程圖見圖1。

圖1 施工監(jiān)控工作流程圖

3 施工監(jiān)控內(nèi)容

3.1 GQJS 模型建立

利用橋梁專業(yè)軟件GQJS 對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立施工監(jiān)控橋梁結(jié)構(gòu)有限元計算模型。橋梁建模大致分以下六步：輸入數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)檢驗(yàn)→結(jié)構(gòu)計算→結(jié)構(gòu)預(yù)覽→重新計算→結(jié)果輸出及繪圖。

古田溪2 號大橋主橋模型離散為118 個節(jié)點(diǎn)，117個單元，其中主梁70 個單元，主墩47 個單元，全橋共劃分為57 個施工階段。在結(jié)構(gòu)受力分析時，整個主梁為一個靜定結(jié)構(gòu)，2 個主墩與主梁設(shè)為固結(jié)，邊墩與主梁設(shè)為鉸結(jié)。古田溪2 號大橋的基本數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)尺寸、混凝土設(shè)計標(biāo)號等參數(shù)，按設(shè)計圖紙錄入；混凝土容重、彈模等材料特性參數(shù)，嚴(yán)格按試驗(yàn)結(jié)果錄入，最大限度地與實(shí)際吻合。

3.2 高程及平面測點(diǎn)布置

古田溪2 號大橋施工監(jiān)控的目的就是在懸臂施工過程中，通過監(jiān)測主墩和主梁在各個施工階段

的應(yīng)力與變形，及時掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。監(jiān)測內(nèi)容包括：線形、應(yīng)力、溫度等，根據(jù)大橋?qū)嶋H情況相應(yīng)布設(shè)線形、應(yīng)力及溫度測點(diǎn)。

3.2.1 高程測點(diǎn)布置

在0#段梁面的正中心位置建立高程基準(zhǔn)點(diǎn)，采用Φ20mm 帶肋短鋼筋垂直預(yù)埋在頂板上，并與頂板的上下層鋼筋點(diǎn)焊牢固，基準(zhǔn)點(diǎn)鋼筋露出箱梁混凝土面1～2cm，測點(diǎn)磨平并用紅油漆標(biāo)記，與橋梁其他高程基準(zhǔn)點(diǎn)形成控制網(wǎng)，并每月聯(lián)測一次。

1#～15#每個懸澆梁段頂面設(shè)置3 個測點(diǎn)。測點(diǎn)設(shè)置在距離懸澆梁段前端20cm 處（縱向），沿橫向設(shè)置在梁面中間位置和兩側(cè)翼緣板中間位置，采用與0#段相同的方法預(yù)埋，根據(jù)在每個懸澆梁段翼緣板上布置的2 個對稱高程觀測點(diǎn)，不僅可以測量箱梁的撓度，同時可以觀測箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，詳見圖2。

圖2 測點(diǎn)布置斷面圖 （單位：cm）

3.2.2 平面測點(diǎn)布置

0#段上的高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)，即可作平面控制導(dǎo)線點(diǎn)，頂部十字交點(diǎn)為坐標(biāo)點(diǎn)。2 個0#段上的平面控制導(dǎo)線點(diǎn)與已有的橋梁導(dǎo)線點(diǎn)共同組成平面控制網(wǎng)，每月聯(lián)測一次。

3.3 施工線形監(jiān)控

3.3.1 立模高程確定

大橋懸臂施工中，最困難的任務(wù)之一就是施工撓度的計算和控制，合理確定每一待澆節(jié)段的預(yù)拱度是至關(guān)重要的。它是保證主梁線形順暢的先決條件，因此在主梁懸臂澆筑階段應(yīng)以標(biāo)高控制為主。

然后，將結(jié)構(gòu)倒拆以確定各節(jié)段節(jié)點(diǎn)在懸臂澆筑時產(chǎn)生的累積變形,比如要計算3#塊末端（i+1）的變形值，就從合龍段開始拆，一直拆到4#塊（4#塊板也要拆），查看3#塊末端的變形，同時在計算時，將懸臂澆筑塊的施工階段分為掛籃前移、掛籃加載（澆筑混凝土）前、混凝土澆筑后和預(yù)應(yīng)力張拉四個工況，分別計算各因素對該施工節(jié)段撓度的影響（如：掛籃自重產(chǎn)生的變形砼澆筑產(chǎn)生的變形預(yù)應(yīng)力鋼束張拉產(chǎn)生的變形和徐變變形見公式（2）：

式中，Hi——i 號段理論成橋標(biāo)高；

總之立模高程就是由四部分相加組成，即：①設(shè)計高程、②施工各階段的撓度影響值、③掛籃變形值、④1/2 活載產(chǎn)生的撓度；其中，施工各階段的撓度影響值包括：恒載（一期恒載、二期恒載）、移動荷載、混凝土收縮徐變、施加預(yù)應(yīng)力等。掛籃變形值由加載試驗(yàn)提供，根據(jù)各施工階段的監(jiān)控數(shù)據(jù)，結(jié)合施工控制分析結(jié)果，適時調(diào)整立模高。

3.3.2 參數(shù)識別與誤差調(diào)整

利用計算機(jī)程序?qū)蛄簲?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理所得到的理論預(yù)拱度，往往與實(shí)際有一定出入，主要是因?yàn)槔碚撚嬎阒胁捎玫臉?gòu)件截面尺寸、預(yù)應(yīng)力索張拉力、材料彈性模量、容重、收縮和徐變系數(shù)等參數(shù)與施工實(shí)際情況存在不可避免的誤差，同時環(huán)境溫度、臨時荷載、風(fēng)荷載等也常常變化，使得大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中每一個工況的受力狀態(tài)與位移達(dá)不到設(shè)計所確定的理想目標(biāo)。而且這種誤差將隨著施工過程逐漸積累，如不進(jìn)行及時合理修正，最終導(dǎo)致合龍困難，影響成橋后的線形。因此，根據(jù)古田溪2 號大橋的實(shí)際情況確定的監(jiān)控思路是：采用設(shè)計參數(shù)建立施工控制分析程序，通過施工過程反饋的測量數(shù)據(jù)不斷更正施工控制跟蹤分析程序中的主要控制參數(shù)，以計算分析程序指導(dǎo)后續(xù)施工，實(shí)現(xiàn)以線性控制為主，內(nèi)力為輔的雙控目的。

古田溪2 號特大橋的施工監(jiān)控是一個施工→測量→識別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程。

3.3.3 線形監(jiān)控結(jié)果

古田溪2 號大橋于2015 年1 月份全橋順利合龍，測量人員對全橋高程進(jìn)行全面量測，結(jié)果顯示各節(jié)段高程值誤差均在20mm 之內(nèi)；全橋共6 處合龍段，合龍梁段兩側(cè)最大誤差16mm，最小僅8mm，小于規(guī)范允許值20mm，整體線形平順流暢，達(dá)到預(yù)期目的。

3.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)控

對橋梁結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力監(jiān)測是施工控制的主要內(nèi)容之一，它是施工過程的安全預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)界面的應(yīng)力隨著施工的推進(jìn)而不斷變化。某一施工工況結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值是否與分析值一致、是否處于安全范圍，是施工監(jiān)控最關(guān)心的問題，解決辦法就是進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力監(jiān)測，通過布設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)控制截面上的應(yīng)變傳感器觀測在施工過程中不利截面的應(yīng)力變化與分布情況，實(shí)時掌握主梁結(jié)構(gòu)受力的安全性。

影響混凝土主梁應(yīng)力的因素很復(fù)雜，除荷載作用引起的彈性應(yīng)力應(yīng)變外，還與收縮、徐變、溫度有關(guān)。目前國內(nèi)外混凝土主梁一般通過應(yīng)變測量換算應(yīng)力值，見公式（4）：

式中，σe——荷載作用下混凝土的應(yīng)力；

E——混凝土彈性模量（現(xiàn)場實(shí)測）；

εe——荷載作用下混凝土的彈性應(yīng)變。

實(shí)際測出的混凝土應(yīng)變值是包括溫度、收縮、徐變變形影響的總應(yīng)變ε，見公式（5）：

式中，εe——彈性應(yīng)變；

εc——徐變應(yīng)變；

εi——無應(yīng)力應(yīng)變，包括溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變。

為了補(bǔ)償混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)變并消除溫度、收縮影響，在布置應(yīng)力測點(diǎn)的同時埋設(shè)工作應(yīng)變計及無應(yīng)力計，分別測得混凝土總應(yīng)變ε 和無應(yīng)力應(yīng)變εi，再通過相應(yīng)分析和計算分離出徐變應(yīng)變εc，即可得到彈性應(yīng)變εe。

3.4.1 應(yīng)力監(jiān)測截面及測點(diǎn)布設(shè)

古田溪2 號大橋應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)全橋布置8 個應(yīng)力監(jiān)測截面，其中左半幅布置5 個，右半幅布置3 個應(yīng)力監(jiān)測截面，位置選取受力最不利截面，即懸臂梁根部、1/4跨及跨中，每個截面上布置4 個應(yīng)變計，全橋雙幅共32 個。應(yīng)力測點(diǎn)采用的振弦式應(yīng)變計含溫度測量模塊，因而主梁溫度測點(diǎn)布置同應(yīng)力測點(diǎn)布置，具體分布及位置見圖3。

圖3 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3.4.2 應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果

通過對梁體混凝土澆筑前后、預(yù)應(yīng)力張拉前后四個工況應(yīng)力實(shí)際監(jiān)測，并與理論計算應(yīng)力值進(jìn)行比較，有利掌握了施工過程結(jié)構(gòu)的安全性，同時也能側(cè)面反映施工質(zhì)量的優(yōu)劣。依據(jù)合作單位出具的監(jiān)測報告，古田溪2 號大橋主梁各個施工階段的四個工況不利截面的應(yīng)力相對理論值偏差均在5%～18%之間，最大誤差應(yīng)力實(shí)測值為壓應(yīng)力，其值較小，結(jié)構(gòu)受力良好安全可靠，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁的施工監(jiān)控是一門較為成熟的科學(xué)，運(yùn)用于橋梁施工中取得了良好效果，但就該橋施工監(jiān)控方面仍有進(jìn)一步完善與提高的空間：①在仿真軟件開發(fā)中可以把剪切應(yīng)力考慮進(jìn)來，以此分析結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)與翹曲的影響，使得軟件實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)空間分析；②如有條件進(jìn)一步提高監(jiān)控設(shè)備的精度和自動化程度，進(jìn)行全天候?qū)崟r監(jiān)控，以獲得更加真實(shí)有效數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工；③在對施工誤差的影響因素進(jìn)行分析中，諸多參數(shù)還處于試算水平，優(yōu)化調(diào)整方法也不能全面有效解決這些復(fù)雜因素的影響問題，這一學(xué)科還需要工程技術(shù)人員不斷研究，開發(fā)出更好施工分析軟件系統(tǒng)，更加準(zhǔn)確把握這些因素的影響程度，更好服務(wù)現(xiàn)場施工。

［1］中華人民共和國行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn).JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范.中交第一公路工程局有限公司編制，人民交通出版社出版.

［2］張喜剛,等.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋設(shè)計施工技術(shù)指南［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］張南.橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制技術(shù)與工程實(shí)例［M］.北京：中國電力出版社，2011.