高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制分析

羅余良

摘要：在現(xiàn)今橋梁建設(shè)中，逐漸向著規(guī)模更大的方向發(fā)展。其中，連續(xù)剛構(gòu)橋具有著行車舒適、溫度適應(yīng)性好、地震影響低、無需轉(zhuǎn)換施工體系以及跨越能力大等特點(diǎn)，非常適合建設(shè)在大河以及高山峽谷環(huán)境中。在我國交通事業(yè)蓬勃發(fā)展的情況下，該類型橋梁也在我國的多個(gè)地區(qū)中成功建設(shè)，為當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展帶來了十分積極的意義。為了能夠更好的掌握該類型橋梁建設(shè)特點(diǎn)，在本文中，將就高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制進(jìn)行一定的研究與分析。

Abstract： Today's bridge construction is gradually in the direction of the larger development. Among them， the continuous rigid frame bridge has the characteristics of comfortable driving， good temperature adaptability， low earthquake effect， simple construction system and great spanning capacity， it is very suitable for the construction in the river and mountain valley. In the case of the explosion of transport enterprise in China， this type of bridge is successfully constructed in many areas， it brought very positive significance for the local development. In order to be able to better grasp the construction characteristics of this type bridge， this paper researches and analyzes the construction control of the high piers of large-span continuous rigid frame bridge.

關(guān)鍵詞：高墩大跨；連續(xù)剛構(gòu)橋；施工控制

Key words： high piers of large-span bridge；continuous rigid frame bridge；construction control

中圖分類號(hào)：U448.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）05-0137-03

0 引言

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋是將墩身與連續(xù)主梁固結(jié)而成的一種橋梁，它是在連續(xù)梁橋和T型剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大跨徑橋梁最常用形式之一，具有跨越能力大、伸縮縫少、平順度好、行車舒適、施工無體系轉(zhuǎn)換、無需大型支座、順橋向抗彎、橫橋向抗扭剛度大等特點(diǎn)，能充分適應(yīng)溫度、混凝土收縮徐變、地震等運(yùn)行環(huán)境。

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在施工中，受溫度荷載影響，橋體的彎矩、預(yù)拱度、線形、應(yīng)力變化等節(jié)點(diǎn)不易控制。由于每個(gè)工程的特點(diǎn)和施工要求不同，目前這類橋梁的施工控制工作尚且缺少一套統(tǒng)一的、可供參考的方法或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是在施工控制中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——預(yù)拱度計(jì)算，是否應(yīng)該考慮樁基礎(chǔ)，目前也尚無定論。因此，大多數(shù)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制都是盲目進(jìn)行，既浪費(fèi)工期，還可能增加施工成本。

本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，結(jié)合我國南部某高墩大跨連續(xù)鋼構(gòu)橋工程施工特點(diǎn)和施工要求，針對(duì)溫度和在一定條件下梁體的彎矩、預(yù)拱度提出考慮樁基礎(chǔ)與不考慮樁基礎(chǔ)兩套施工控制模型，通過對(duì)該橋梁預(yù)拱度以及內(nèi)力的分析、比較，總結(jié)出一套準(zhǔn)確客觀的施工控制方案，以填補(bǔ)施工控制這一技術(shù)空白。

1 工程概況

我國南部某橋梁，為特大型橋梁。主橋分左右兩幅，其上部構(gòu)造如圖1所示。

主梁材料方面，為C55混凝土，跨中梁高3.5m，箱梁根部梁高度為12m。整個(gè)橋梁墩身，其使用C50混凝土作為墩身材料，結(jié)構(gòu)類型為雙肢變截面矩形空心墩，縱向每墩雙肢外側(cè)按照100：1比例進(jìn)行放坡。橫向方面，其根據(jù)墩高以分段的方式進(jìn)行放坡，從下到上分別為40：1、60：1以及100：1的坡率?；鶚兑约俺信_(tái)方面，使用的材料為C30混凝土，基樁為直徑2.4m鉆孔灌注樁，最大樁長65m，承臺(tái)厚度為4m。持力層方面，為弱風(fēng)化頁巖。

2 施工控制原則和技術(shù)要求

2.1 控制原則 施工控制的目的是要對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行有效控制，修正施工中各種可能影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差，確保成橋后橋面線形、合龍段兩懸臂端標(biāo)高的相對(duì)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(jì)要求。

2.2 受力要求 反映受力的因素是主梁的截面內(nèi)應(yīng)力。通常起控制作用的是主梁的上下緣正應(yīng)力，成橋后截面應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該接近設(shè)計(jì)值。

2.3 線形要求 線形主要是主梁的標(biāo)高。成橋后（通常是長期變形穩(wěn)定后）主梁的標(biāo)高要滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合以上控制原則和技術(shù)要求，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)施工參數(shù)，筆者建立起兩套模型加以對(duì)比分析，從中確定最佳控制方案。

3 分析模型建立

在懸澆連續(xù)鋼構(gòu)橋施工中，其施工流程為：第一，對(duì)橋墩進(jìn)行施工，進(jìn)行懸臂澆筑；第二，進(jìn)行中跨、邊中跨以及邊跨合龍；第三，對(duì)橋面進(jìn)行施工。根據(jù)此流程，則可以逐階段的對(duì)結(jié)構(gòu)不同截面的應(yīng)力、內(nèi)力以及位移進(jìn)行計(jì)算，在每個(gè)懸臂中，則包括有梁段澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力以及移掛籃這幾個(gè)工序。而在實(shí)際對(duì)該橋梁不同施工階段開展仿真計(jì)算過程中，則可以將其視為平面結(jié)構(gòu)，按照平面桿有限元程序的方式將其作為兩個(gè)不同的模型進(jìn)行計(jì)算與分析。

3.1 基樁模擬 由于土與基樁間的相互作用，剛性支撐已經(jīng)不是橋梁結(jié)構(gòu)模型的邊界條件，彈性支撐則成為了新的邊界條件。在本文中，以二維梁?jiǎn)卧?、樁?cè)設(shè)置彈性支撐作為有限元模型，并在樁底進(jìn)行固結(jié)。其中，樁側(cè)水平彈簧剛度的計(jì)算公式為：

在上式中，λ為相鄰彈簧間距離，khi為第i個(gè)彈簧的水平方向剛度，b1為樁基礎(chǔ)計(jì)算寬度，j為第j個(gè)彈簧的對(duì)應(yīng)位置，z為土層厚度，mj地基土比例系數(shù)。

在構(gòu)造方面，地面對(duì)于樁的豎向支撐力由樁底阻力以及樁側(cè)摩阻力組成，當(dāng)樁土間存在相對(duì)位移時(shí)，則會(huì)沿著樁身產(chǎn)生荷載傳遞，并產(chǎn)生樁側(cè)摩阻力。當(dāng)兩者間相對(duì)位置值相對(duì)不大時(shí)，樁側(cè)摩阻力則能夠得到充分的發(fā)揮達(dá)到極限值。而對(duì)于處于一般土層位置的摩擦樁，當(dāng)土層支撐反力達(dá)到一定值之后，在位移方面則需要存在比極限樁側(cè)摩阻力大的多的位移值，并使樁側(cè)摩阻力在得到充分發(fā)揮之后使樁底反力得到充分的發(fā)揮，進(jìn)而達(dá)到一個(gè)極限狀態(tài)：

在上式中，[pτ]為樁側(cè)在li范圍內(nèi)的摩阻力，li為相鄰彈簧間距離，τi為極限摩阻力，U為樁側(cè)周長。而根據(jù)地基情況以及樁基實(shí)際尺寸，我們?cè)谟缮鲜綄?duì)樁側(cè)在li范圍內(nèi)摩阻力進(jìn)行獲得的基礎(chǔ)上可以根據(jù)下式對(duì)樁側(cè)豎向彈性lvi值進(jìn)行求出：

在上式中，Δ為i點(diǎn)相對(duì)位移，kvi為樁側(cè)i個(gè)彈簧在垂直方向上的剛度，在本文中相對(duì)位移值取為6mm。

3.2 結(jié)構(gòu)離散圖

在圖2所示的模型1中，對(duì)箱梁、橋墩、樁基礎(chǔ)以及樁基等離散單元進(jìn)行了考慮，在邊界條件方面，則為樁底固結(jié)以及彈性支撐，在兩邊端部具有活動(dòng)鉸支座。縱向預(yù)應(yīng)力筋方面，則通過等效荷載法對(duì)其進(jìn)行了模擬。在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)中，一共具有564個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括上、下部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)t共有571個(gè)，其中，樁側(cè)彈簧支撐數(shù)量為128，上部主梁結(jié)構(gòu)為230。

在圖3所示的模型2中，沒有對(duì)墩底固結(jié)、橋墩離散兩單元、樁基以及箱梁等進(jìn)行考慮，兩邊端部為活動(dòng)鉸支座。在縱向預(yù)應(yīng)力筋方面，其按照等效荷載法進(jìn)行了模擬，在整個(gè)橋梁中，其一共具有391個(gè)節(jié)點(diǎn)，上部主梁?jiǎn)卧獢?shù)量為230個(gè)。

在計(jì)算參數(shù)方面，每個(gè)掛籃重量為104t，每個(gè)壓重水箱為350t，每個(gè)合攏吊架為50t?？v向預(yù)應(yīng)力筋以及混凝土的質(zhì)量密度、摩阻損失、彈性模量等參數(shù)都取規(guī)范值。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.1 預(yù)拱度計(jì)算 在進(jìn)行預(yù)拱度計(jì)算時(shí)，需要做好恒載作用的考慮，包括施工架設(shè)荷載、混凝土收縮徐變、橋面二期恒載、結(jié)構(gòu)自重以及預(yù)加力等。在該橋梁中，由于其規(guī)模較大，且主橋橋墩高度為178m，在這個(gè)高度情況下，如何能夠以更為全面、準(zhǔn)確的方式對(duì)橋梁墩身在具體施工中的豎向徐變位移進(jìn)行分析則成為了對(duì)預(yù)拱度進(jìn)行計(jì)算的非常關(guān)鍵的一類問題。通過上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，不僅能夠幫助我們更為準(zhǔn)確的對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工的歷程進(jìn)行良好的擬合，且能夠較好的獲得橋梁在不同施工階段所具有的受力以及位移狀態(tài)，且能夠更好地對(duì)同橋梁結(jié)構(gòu)形成歷程有關(guān)的因素進(jìn)行考慮，如混凝土收縮徐變問題。同時(shí)，由于該橋梁墩身規(guī)模較大，所具有的施工工期較長，在施工過程中，橋梁墩身在自重的影響下就已經(jīng)對(duì)先期徐變進(jìn)行了完成。而在分析墩身豎向徐變位移時(shí)，則需要對(duì)橋梁后期加載產(chǎn)生的徐變情況進(jìn)行考慮，即同時(shí)以后期加載以及先期加載的徐變理論進(jìn)行計(jì)算與分析。在兩種模型情況下，通過運(yùn)算，得到橋梁施工預(yù)拱度的變化情況（如圖4所示）。

圖4為兩種模型下預(yù)拱度的變化情況，從圖中走勢(shì)可以看出，兩種模型預(yù)拱度在具體走勢(shì)方面具有著相同的特點(diǎn)，僅僅在墩頂位置具有著較大的差別。而通過表1中數(shù)據(jù)的比較，我們可以了解到，兩種模型預(yù)拱度在墩頂位置具有著較大的差值，其中，左7墩頂所具有的差值最大，其差值為0.36cm。而在跨中方面，其數(shù)值同預(yù)拱度間則幾乎不存在差別。從上述比較情況的分析我們則可以了解到，在該橋梁建設(shè)中，樁基礎(chǔ)對(duì)于整體橋梁的預(yù)拱度所具有的影響并不大，該種情況出現(xiàn)的原因，主要是由于橋梁墩高同樁長間的比值較小引起的。

4.2 溫度荷載 溫度荷載方面，該橋梁箱梁頂板溫度提升15℃，頂板降溫8℃，合龍溫度15℃，體系降溫25℃，結(jié)構(gòu)體系升溫25℃。其中，橋梁主要節(jié)點(diǎn)在溫度荷載情況下所具有的彎矩情況如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)中可以了解到，在溫度載荷情況下，模型1墩頂以及跨中彎矩值具有降低趨勢(shì)，箱梁根部彎矩具有增大情況，這部分情況的變化，對(duì)于橋梁的整體受力具有著較為積極的影響。而在橋梁整體升溫、箱梁整體降溫的情況下，橋梁箱梁138單元位置則具有著較大的彎矩變化。同時(shí)，由于在該模型建立中對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的作用進(jìn)行了考慮，則在增大橋梁墩身柔度的同時(shí)，有效減少了橋墩自身彎矩。

5 施工控制效果

在上文中，我們通過對(duì)某橋梁實(shí)例基礎(chǔ)的模擬，分別建立起了不考慮樁基以及考慮樁基這兩個(gè)控制模型，并通過對(duì)該橋梁預(yù)拱度以及內(nèi)力的分析、比較獲得了以下結(jié)論：第一，對(duì)于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋而言，溫度荷載對(duì)其具有著較大的影響。通過兩種不同模型在溫度荷載情況下彎矩的比較數(shù)據(jù)可以了解到：樁基礎(chǔ)在橋梁縱向柔性方面具有著較強(qiáng)的增加效果，通過對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)的模擬，能夠有效降低溫度荷載條件下橋梁墩身的彎矩；第二，在橋梁施工中，預(yù)拱度計(jì)算是非常重要的一項(xiàng)工作，將對(duì)實(shí)際施工起到非常積極的指導(dǎo)作用。而通過兩種模型情況下橋梁預(yù)拱度數(shù)值的比較，則可以了解到樁基礎(chǔ)對(duì)橋梁預(yù)拱度沒有非常大的影響。

5.1 效果

5.1.1 預(yù)拱度控制效果 圖5是采用模型2進(jìn)行施工控制后所得到的橋梁線形（預(yù)拱度）控制效果。從圖中可以看出，成橋后所得到的預(yù)拱度線形均已達(dá)到目標(biāo)現(xiàn)行控制標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.2 應(yīng)力控制效果 本文對(duì)5號(hào)墩（最高墩110m）1～15號(hào)塊主梁上部進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到圖6所示監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖中看出，兩應(yīng)力大小相差不大，說明本工程對(duì)應(yīng)力的控制卓有成效。

5.2 建議 ①建議承建同類工程的施工單位成立施工控制小組，選派專職測(cè)量工程師實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)施工控制效果，每完成一個(gè)階段的施工內(nèi)容，應(yīng)及時(shí)整理出預(yù)拱度、應(yīng)力變化等數(shù)據(jù)，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)糾正誤差。②應(yīng)該深入研究施工控制理論，提高監(jiān)測(cè)精度和自動(dòng)化程度，建立起一套更完善的綜合控制系統(tǒng)。這是今后橋梁施工控制需要進(jìn)一步研究的工作。③研發(fā)橋梁工程智能監(jiān)控系統(tǒng)。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁構(gòu)造復(fù)雜，工程規(guī)模浩大，單憑人力很難對(duì)整個(gè)橋體的施工進(jìn)行全面而有效的控制，應(yīng)該借助智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助監(jiān)測(cè)，不斷提高施工控制質(zhì)量和精度。④通過效果分析，本文關(guān)于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制方法切實(shí)可行，建議在其他橋梁工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以期使之日臻完善。

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