大跨連續(xù)剛構橋施工監(jiān)控分析

(寧德沙埕灣跨海高速公路有限責任公司，寧德352100)

大跨連續(xù)剛構橋施工監(jiān)控分析

■陳明友

(寧德沙埕灣跨海高速公路有限責任公司，寧德352100)

為了保證大跨連續(xù)剛構橋順利施工以及成橋后結(jié)構的線形和應力狀態(tài)滿足設計要求，對橋梁實施施工監(jiān)控非常有必要。本文以交溪特大橋三跨預應力混凝土連續(xù)剛構橋為工程背景，研究了大跨連續(xù)剛構橋的施工控制目的與工作內(nèi)容，利用橋梁專用有限元分析軟件——橋梁博士建立了施工監(jiān)控計算模型，分析了各施工階段的結(jié)構狀態(tài)，對主梁線形和應力進行了有效控制。通過各施工階段的高程和應力理論值與實測值的對比分析，驗證了現(xiàn)場控制實施的效果。

連續(xù)剛構橋施工監(jiān)控線形應力

1 工程概況

交溪特大橋地處福安白塔村方向，橫跨104國道、交溪河流，其橋型采用預應力混凝土連續(xù)剛構橋，跨徑布置為85m+155m+85m，設計采用雙向四車道，設計荷載為公路I級。上部結(jié)構為單箱單室變截面箱梁，中線處梁高隨梁長呈拋物線狀態(tài)變化，箱梁頂板寬度12.25m，兩翼緣懸臂長3.0m，箱體底板寬6.25m。主墩采用單柱式箱型截面空心墩，兩主墩高分別為81.5m和87.7m，墩身混凝土采用兩種不同標號，即墩頂下5.5m范圍內(nèi)為C55標號，其余均為C40標號。

采用對稱懸臂現(xiàn)澆施工，箱梁縱向劃分為墩頂0號梁段、20個懸澆梁段、邊跨支架現(xiàn)澆段、邊跨合龍段、中跨合龍段。墩頂0號梁段長12m，懸澆梁段數(shù)及梁段長度從梁根部至跨中布置分別為：5×3m、9×3.5m、6×4m。邊跨現(xiàn)澆段長8.5m，邊跨合龍段、中跨合龍段長均為2m。懸臂澆筑梁段最大控制重量為180.1t，最大懸臂長度為73.5m。

圖1 交溪特大橋主橋立面圖

2 橋梁施工監(jiān)控的目的和內(nèi)容

2.1 施工監(jiān)測目的

本橋主橋施工監(jiān)控的目的是把預應力混凝土連續(xù)剛構橋施工監(jiān)控的理論和方法應用于該連續(xù)剛構橋?qū)嶋H施工過程，對該橋施工期間的結(jié)構內(nèi)力和變形狀態(tài)進行有力的控制和調(diào)整[1-2]，即根據(jù)箱梁施工過程中實際發(fā)生的各項影響橋梁線形的參數(shù)，結(jié)合施工過程中監(jiān)測的混凝土箱梁坐標和應力，跟蹤分析各施工階段中主梁內(nèi)力和變形與設計預測值的差異并找出原因，提出修正對策，以協(xié)助施工單位安全、優(yōu)質(zhì)、高效地進行施工，并確保在橋梁建成以后的內(nèi)力狀態(tài)與外形曲線與設計相符、且滿足相關規(guī)范要求[3]。

2.2 橋梁施工監(jiān)控的工作內(nèi)容

連續(xù)剛構橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容是對結(jié)構線形、內(nèi)力和結(jié)構溫度進行監(jiān)測和控制。線形是保證大橋達到設計目標的關鍵，采取科學的措施對箱梁的撓度實施監(jiān)測、預測分析和實時調(diào)整，以使大橋?qū)嶋H線形盡可能地與設計線形吻合。內(nèi)力控制主要是在主墩和箱梁的關鍵部位埋設應力傳感器，以監(jiān)測結(jié)構在施工過程的內(nèi)力變化情況。環(huán)境溫度變化對于懸澆梁段的線形影響較大，因此，為了確保在施工過程中對結(jié)構變形的準確控制，結(jié)構的溫度場也是監(jiān)控的工作內(nèi)容之一[4]。

3 結(jié)構計算分析

3.1 計算模型

按照施工和設計所確定的施工工序和計算參數(shù)對交溪特大橋進行施工過程計算，應用橋梁博士計算分析軟件，采用平面該系單元模型，主梁劃分為107個單元，橋墩劃分為87個單元。從主墩施工開始，全橋共劃分74個施工階段，邊界條件采用主墩底固結(jié)，過渡墩采用僅豎向支撐的鉸支座。有限元計算模型見圖2。

圖2 計算模型圖

施工過程中，掛籃和模板等施工機具對結(jié)構的內(nèi)力和線形影響很大，所以在懸臂施工階段，考慮的施工荷載主要是掛籃荷載，根據(jù)施工方案，單個掛籃重量按90t考慮，并在及計算中模擬掛籃的安裝、拆除和前進等工況。在邊中跨合龍時，需要拆除掛籃，并安裝合龍吊架，吊架重量按照單個20t考慮。

3.2 立模標高的計算調(diào)整

在懸臂施工過程中，梁段立模標高的合理確定是關系到主梁的線形是否平順、是否符合設計的一個重要問題。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，則最終成橋線形一般是較為良好的；相反，如果考慮的因素和實際情況不符合，控制不力，則最終成橋線形會與設計線形有較大的偏差。連續(xù)剛構橋的線形控制主要是立模標高的確定。

眾所周知，立模標高并不等于設計橋梁建成后的標高，總要設一定的預拋高，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形(撓度)。其計算公式如下：

式中：Hi為當前梁段的掛籃底立模標高；H0i為該梁段設計標高；fyi為本節(jié)段的成橋預拱度；fsi為本節(jié)段的施工預拱度；fg為掛籃變形。其中掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗，綜合各項測試結(jié)果而得。

初始的幾個節(jié)段立模標高按理論值確定，當理論值與實測值基本不一致時，需根據(jù)實測值對結(jié)構計算參數(shù)進行識別，修正計算模型。修正后按調(diào)整下一梁段立模標高。

4 施工監(jiān)測與分析

4.1 高程監(jiān)測

4.1.1 測點布置

高程測量是懸臂施工橋梁控制主梁線形的主要依據(jù)。通過在每個懸臂梁段頂板上布設的2個梁頂測點和底板下緣(模板頂)布設的2個底模監(jiān)測點(見圖3)，可以同時測量箱梁的豎向撓度和扭轉(zhuǎn)變形情況。梁底測點供底板定位使用，通過澆筑前建立的上、下測點的高程差，在澆筑完成后將測點引至梁頂。頂板測點用直徑20mm的鋼筋綁在腹板的鋼筋骨架上，露出梁頂表面5cm左右，并用紅漆做好標記，在后續(xù)施工中通過測量梁頂高程可以反算梁底高程。同時在0#塊頂板出設置臨時的水準點。

4.1.2 合龍精度

以左幅橋梁為例，由邊、中跨兩懸臂端的合龍前底板測量數(shù)據(jù)表1可知：合龍的最大誤差為17mm，滿足《公路橋涵施工技術規(guī)范》[5]所規(guī)定的合龍高程差小于20mm的要求。

表1 合龍前底板高程

4.1.3 成橋高程結(jié)果

合攏成橋后(橋面鋪裝施加前)，對底板、橋面每個梁段橫斷面布置的測點觀測確定底板、橋面線形。以左幅橋梁為例，底板理論計算標高與實測標高對比如圖4所示，頂板理論計算標高與實測標高對比如圖5所示。

圖3 高程測點布置示意圖

圖4 梁底高程理論值與實測值對比圖

圖5 梁頂高程理論值與實測值對比圖

從圖中所示的梁段頂面和底板的高程理論值和實測值的對比可以看出：在全橋合龍后，鋪裝施工前，底板的高程最大誤差為17mm，梁頂面高程的最大誤差為23mm，均小于《公路橋涵施工技術規(guī)范》L/5000=31mm的允許誤差范圍，說明實測線形與成橋目標線形吻合較好，主梁的線形平順。

導致理論計算高程和實測高程偏差的原因有以下幾個方面：對于理論計算所采用的混凝土容重、彈性模量與實際值有差別，仿真計算中徐變系數(shù)和預應力摩阻損失系數(shù)均采用規(guī)范規(guī)定值，而沒進行原位檢測試驗進行修正，對高程有一定影響；施工中的立模誤差、測量誤差等也會導致高程的偏差。

4.2 應力監(jiān)測

4.2.1 測點布置

應力監(jiān)測通過在結(jié)構的控制斷面處布設應變傳感器，以觀測在施工過程中這些截面的應力變化和應力分布情況。結(jié)合施工監(jiān)控中的其它監(jiān)測結(jié)果，就能更全面地判斷全橋的內(nèi)力變形狀態(tài)，形成一個較好的預警機制，從而保障橋梁施工的安全和質(zhì)量。

圖6 應力控制斷面布置圖

考慮到長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的方便程度，采用振弦式應變傳感器進行應力監(jiān)測。根據(jù)懸臂施工連續(xù)剛構橋的結(jié)構特性，主梁的典型控制截面為懸臂端根部(0#塊前端)、L/4跨截面和跨中截面，如圖6所示。每個控制截面布設6個應變傳感器，如圖7所示。

圖7 控制斷面應力測點布置圖

4.2.2 應力控制結(jié)果

以左幅橋梁為例，中跨跨中根部截面S4、1/4跨截面S5的上下緣應力，在各關鍵工況下的理論計算值和實測值(扣除非受力因素影響)的對比結(jié)果如圖8、圖9所示。

從圖8～圖9可知：各施工階段控制截面上緣、下緣混凝土實測應力變化規(guī)律與理論計算結(jié)果是一致的，實測值與理論值較吻合，測試結(jié)果能準確反映施工過程中梁體工作狀態(tài)。理論分析結(jié)果和實測數(shù)據(jù)之間存在的偏差主要是混凝土收縮徐變，橋面施工機械自重及結(jié)構溫度變化等各種復雜因素而導致。總體來說，主梁受力狀況良好，結(jié)構安全可靠。

圖8 中跨根部截面應力歷程圖

圖9 中跨1/4跨截面應力歷程圖

5 結(jié)論

橋梁施工控制作為橋梁施工技術的重要組成部分，是對橋梁宏觀施工質(zhì)量的掌握與控制，對保證橋梁建設安全、成橋達到設計目標具有非常重要的意義。就交溪特大橋施工監(jiān)控的工程實施而言，主要結(jié)論和成果如下：

(1)分析了監(jiān)控實施過程中結(jié)構的線形和應力狀態(tài)，總結(jié)了影響高程和應力的主要因素，分析了高程、應力理論值和實測值存在偏差的主要原因。

(2)合攏成橋狀態(tài)下主梁線形順暢，結(jié)構受力符合設計要求，主梁結(jié)構安全可靠。

(3)合攏成橋后，通過高程和應力實測值和理論值對比分析，驗證理論計算的正確性和合理性，可為同類型橋梁的施工監(jiān)控提供參考。

[1]張繼堯,王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]石雪飛,項海帆.斜拉橋施工控制方法的分類分析[J].同濟大學學報,2001,29(1):55-59.

[3]李建民.連續(xù)鋼構橋梁施工控制[J].建筑工程技術與設計,2015 (17).

[4]冉偉.淺談連續(xù)鋼構橋梁施工監(jiān)控要點及體會[J].城市建設理論研究:電子版2015(15).

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTG/TF50-2011，公路橋涵施工技術規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2011.