多跨連續(xù)-剛構橋梁施工的高程及應力控制
——以新疆克其克蘇布臺大橋為例

周永勝，趙 明

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西渭南 714000；2.中鐵七局集團西安鐵路工程公司，陜西西安 710032)

多跨連續(xù)-剛構橋梁施工的高程及應力控制
——以新疆克其克蘇布臺大橋為例

周永勝1，趙 明2

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西渭南 714000；2.中鐵七局集團西安鐵路工程公司，陜西西安 710032)

為實現(xiàn)橋梁施工精度的準確控制，保證橋梁施工質量符合設計要求，對某多跨連續(xù)-剛構橋梁的施工控制進行了計算分析。首先，通過理論計算橋梁的預拱度，并在施工過程中采取相應的高程及應力控制措施；其次，通過現(xiàn)場實測，對施工過程中的高程及應力進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測值與控制值進行比較，以評價控制效果。實例檢驗結果表明：在高程控制方面，最終合龍高程誤差不超過8 mm，滿足了橋梁的線型要求；在應力控制方面，主梁和墩身應力均為壓應力，且遠小于規(guī)范限值，滿足設計要求。因此，在橋梁施工過程中，通過理論計算與施工控制相結合的方法，能夠實現(xiàn)橋梁高程及應力的有效控制，達到預期效果。橋梁施工控制措施的有效性在研究中得到了驗證，可為類似橋梁施工提供參考。

橋涵工程；連續(xù)-剛構橋梁；高程；應力；施工控制

在橋梁施工過程中，受混凝土徐變、預應力損失等因素的影響，各施工階段的標高或內力會出現(xiàn)一定的變化，影響橋梁的施工質量[1]。因此，橋梁施工控制具有必要性，是橋梁施工質量的重要保證。其目的是通過對施工過程中影響橋梁內力與變形的參數(shù)進行實時監(jiān)測，并與理論值進行對比，以實時優(yōu)化現(xiàn)場施工，保證橋梁施工的準確性。在橋梁施工控制中，許多學者進行了研究，并取得了很好的研究成果。如陳夢成等[2]和王艷軍等[3]分析了連續(xù)橋梁中的施工控制過程，主要分析了撓度及應力的控制，并根據(jù)差異值提出了相應的優(yōu)化對策，達到了指導施工的目的；趙煜等[4]對自錨式懸索橋在大節(jié)段吊裝施工法條件下的線性控制提出了相應的控制算法，得出該算法的控制精度較好，保證了施工效果；郝俊芳等[5]對異形斜拉-鋼拱橋梁進行了施工控制研究，通過對實例橋梁現(xiàn)行階段的偏差識別，發(fā)現(xiàn)誤差誘發(fā)因素，對其進行糾偏，且對后續(xù)階段進行了相應的預測，使得成橋質量滿足施工要求；張熙胤等[6]則是將最小二乘法用到橋梁的施工控制中，利用該方法對理論值和實測值進行擬合，對比變化規(guī)律，調整施工狀態(tài)，使之符合施工設計要求，并達到了預期的效果；還有許多學者也在橋梁施工控制方面進行了研究[7-16]，為橋梁的施工控制積累了經驗。上述研究雖取得了很大的成果，但缺少對新疆地區(qū)連續(xù)-剛構橋梁的高程及應力方面的研究。因此，本文對新疆地區(qū)某特大型多跨連續(xù)-剛構橋梁的高程及應力控制進行了分析，以期為類似橋梁的施工控制積累一定的實踐經驗。

1 工程概況

某橋梁為特大多跨橋(見圖1)，位于新疆伊犁地區(qū)，主要用于跨越深溝，橋孔布置為簡支梁+連續(xù)剛構+簡支梁的組合形式。橋梁全長584.51 m，梁部結構為48 m+2×80 m+48 m連續(xù)剛構箱梁。此橋采用單箱單室、變高度、變截面預應力混凝土箱梁。箱梁底曲線線型按二次拋物線變化，梁頂?shù)啦瓴蹖?.9 m，人行道每側寬1.05 m，箱梁頂寬6.2 m，箱梁底寬4.0 m，端支點處箱梁底加寬至5.0 m。主墩支點處梁高5.8 m，跨中及邊跨直線段梁高為3.0 m。箱梁中心位置頂板厚0.35 m?？缰械装搴駷?.4 m，支點處底板厚0.7 m，跨中腹板厚0.4 m，支點處腹板厚0.7 m。箱內頂板處設0.75 m×0.25 m梗脅，底板處設0.3 m×0.3 m梗脅。全梁在邊、中支點處設置1.2 m橫隔板。根據(jù)梁體受力及鋼束張拉錨固布置的要求，梁體內頂、底板相應位置設有鋸齒塊，箱梁腹板內每隔4.0 m設置Φ10 cm的通風孔，在邊跨梁端頭設置0.45 m懸臂，便于檢修人員進入箱梁內。另外，梁體預應力體系采用縱、豎向預應力體系。

圖1 大橋立面圖Fig.1 Elevation of the bridge

2 基本原理

2.1橋梁的預拱度計算

橋梁施工過程中的撓度受多種因素的影響，如自重、混凝土徐變、預應力等，因此，精確計算橋梁施工過程中的撓度具有一定的困難。在橋梁的監(jiān)控過程中，本文主要以懸臂梁為例簡化計算橋梁的撓度。

由于該橋梁的截面尺寸是變化的，其變形的計算采用共軛梁法。任意截面xj處的撓度fj表達式為

(1)

式中：Mi為彎矩值(由于不同界面的彎矩值具有差異，取始、末截面的彎矩進行平均取值)；Ii為截面慣矩(由于慣矩隨截面變化而變化，也采取始、末截面的平均值進行求解)。

通過式(1)可以分別求解各段對應的撓度貢獻值，但隨著施工的進行，彎矩值會發(fā)生變化。為綜合求解撓度值，需對施工階段的影響進行考慮。

由于混凝土徐變特性的存在，隨著加載時間的進行，將第1段在時間t時刻的撓度表示為

(2)

式中：E1為彈性模量；φ(t,τ)為徐變系數(shù)。

類似的，將其余段隨施工時間變化的撓度值表示為

(3)

通過式(2)、式(3)可以求各段在不同施工階段的撓度貢獻值，將其累加即能得到總擾度值?？倲_度值表示為

(4)

2.2橋梁的應力監(jiān)測原理

橋梁的應力監(jiān)測是施工監(jiān)測的主要內容之一，是構建安全預警系統(tǒng)的重要組成部分。同時，橋梁結構上某點應力隨著施工的推進會有一定的變化，測試的目的是為防止其應力水平超限，威脅施工安全。

考慮應力監(jiān)測的現(xiàn)場復雜情況，以及連續(xù)時間較長且量測過程始終要以零點為起點，因此，采用鋼弦式傳感器作為應力監(jiān)測儀器。該儀器具有穩(wěn)定性好，操作簡單易行等優(yōu)點。

將該儀器監(jiān)測所得應力關系表示為

(5)

式中：f為鋼弦自振頻率；σ為鋼弦內應力；L為鋼弦長度；ρ為鋼弦材料密度。

監(jiān)測所采用的儀器指標控制如下：

不重復度≤0.5% F·S；

工作溫度為-20～50 ℃；

分辨率≤0.2% F·S；

非直線度<2% F·S；

綜合誤差<2.5% F·S；

零點飄移3～4 Hz/10 ℃。

在應力監(jiān)測過程中，需要將儀器安置在敏感性較強的位置，如受力主筋附近等，且安裝位置還應便于后期觀測。根據(jù)儀器的應力監(jiān)測結果，再進一步考慮混凝土的徐變、收縮等問題，即可得到混凝土的應力值。

3 分析計算

3.1橋梁的高程控制

高程控制是橋梁建設中的關鍵步驟，直接關系到后期橋梁的合龍，為保證成橋線形的預定目標，在主梁的施工過程中需設置預拱度。首先對預拱度的理論值進行計算，從理論的角度對橋梁設計進行控制，并在施工過程中以現(xiàn)場監(jiān)測為基礎，對橋梁的高程進行實時監(jiān)測，動態(tài)掌握橋梁的高程變化；同時，與理論值進行對比分析，綜合多種環(huán)境因素，經多方面考慮設置預拱度。

該橋梁的理論撓度值由理論公式求解得到，限于文章篇幅，本文不對理論計算過程進行詳述。

以8號—10號墩為例，對該區(qū)段的位移節(jié)點進行劃分，如圖2所示。

圖2 位移節(jié)點劃分位置圖Fig.2 Division of displacement nodes

為充分分析橋梁各節(jié)點撓度特點，對其二期恒載上橋及上橋2年后的撓度值均進行了計算，得到各節(jié)點理論撓度值如圖3所示。不同時期的計算撓度值隨位置的變化趨勢相當，其變化趨勢與橋梁的結構相關，表現(xiàn)為“駝峰”曲線，但在對應節(jié)點，不同時期的撓度值具有一定的差異，即在相同位移節(jié)點處的不同時期撓度值具有一定的差異，特別是在跨中部分，其變形差值最大可達17 mm，整體表現(xiàn)為二期恒載上橋后的撓度大于二期恒載上橋2年后的撓度值。

圖3 不同階段預拱度理論值Fig.3 Theoretical value of camber at different stages

由于此橋橋面較寬，施工荷載較大，梁體截面很容易發(fā)生扭曲現(xiàn)象，進而影響標高控制，為防止橋截面扭曲，采取的措施如下：1)在立模過程中，對每塊模都進行反復的調試，以保證立模精度符合設計要求；2)考慮到不合理澆筑會影響橋梁后期的平穩(wěn)性，增加不合理的應力分布，因此應采取先中間后兩邊的平穩(wěn)澆筑方式；3)由于橋梁施工過程中所需的施工機械及施工材料等均較多，為避免臨時荷載對橋梁變形的影響，應盡量采用對稱堆放，避免不對稱堆放帶來的應力分布不均。

同時，為達到充分的高程控制的目的，在此橋施工過程中，根據(jù)橋梁在每一施工階段的實際受力預先算出懸臂撓度值，以便在施工過程中控制掛籃底模的高程，即在施工過程中，對橋梁的撓度進行動態(tài)控制。在實時撓度計算過程中，應考慮如下幾點引起的撓度值：1)由于受混凝土質量的影響，難以通過理論計算準確地確定掛籃時的撓度值，現(xiàn)場一般以計算值為基礎，根據(jù)現(xiàn)場實測結果及時校核撓度值，因此不可忽略混凝土自重引起的撓度；2)掛籃是一個階段性過程，需要一定的時間，進而施工時間對撓度值也具有一定的影響，應予以足夠的重視；3)在施工后移去掛籃和施工設備引起的撓度；4)混凝土收縮、徐變引起的撓度；5)二期恒載引起的撓度；6)橋墩壓縮和基礎沉降等引起的撓度；7)由于混凝土具有熱脹冷縮的現(xiàn)象，使得在不同時刻的變形測量也受溫差的影響，如9號墩4#塊澆筑完成后，早晨與下午的測量差值達0.5 cm。

針對溫差對高程的影響采取了如下措施：時間盡量控制在早上5：00～7：00；調模時間盡量放在早上等。

結合實際的施工過程，對節(jié)點預拱度的設置如圖4所示。

圖4 實際預拱度調整值Fig.4 Actual camber adjustment value

通過對預拱度的理論計算，再結合實際施工過程對預拱度的調整，綜合設立了合理的預拱度，得到最終的合龍誤差最大為8 mm，誤差精度滿足了橋梁的線型要求，保證了橋梁的順利合龍，達到了設計的目的及應用要求。

但在橋梁合龍過程中，仍出現(xiàn)了不同程度的高程誤差，其原因可能如下。

1)結構計算參數(shù)與實際情況的差異。橋梁是鋼筋混凝土結構，相對較均質，但也并非絕對均質，使得高程控制中的理論計算參數(shù)并不能完全與實際參數(shù)相符，兩者之間存在一定的差異。

2)施工誤差。橋梁施工過程并非是一個絕對理想化的過程，也包含了一些不可避免的誤差因素，如受振搗的影響，橋梁的模板會在一定程度上出現(xiàn)負變形，造成澆筑體較設計的偏大。

3)測量誤差。在現(xiàn)場測量過程中，受環(huán)境條件變化、儀器精度誤差等因素的綜合影響，導致測量數(shù)據(jù)含有一定的隨機信息，不能保證現(xiàn)場實測線型與設計線型完全相符。

4)計算模型與實際存在差異。目前的理論計算模型多是建立在一定的假設基礎之上，不能完全反映實際的情況，存在一定的模型誤差。

總之，造成橋梁最終高程誤差的原因是多方面的，需要綜合考慮，采取全面有效的措施才能達到誤差的有效控制。

3.2橋梁的應力控制

實例橋梁為連續(xù)-剛構橋梁，其施工工期較長。為準確掌握橋梁的應力變化規(guī)律，對橋梁的應力監(jiān)測就顯得十分必要。同時，為保證監(jiān)測結果的可信度，監(jiān)測儀器必須具有較高的監(jiān)測精度及穩(wěn)定性。綜合考慮，決定采用絕對應力法(即測試其結構的永久積累應力)。該方法具有簡潔、快速、準確的優(yōu)點。

在實際的應力監(jiān)測過程中，主要是對主跨段的主梁進行監(jiān)測，共布設12個監(jiān)測斷面，其中主測斷面有8個(即1-1面—8-8面)，驗證斷面4個(即9-9—12-12面)，各斷面的布置位置如圖5所示。

圖5 應力監(jiān)測斷面圖Fig.5 Stress monitoring section

限于篇幅，本文未對所有斷面的監(jiān)測結果進行分析，僅以8-8斷面和9-9斷面進行分析。其中，8-8為主測斷面，共布置9個監(jiān)測點，上部6個，下部3個；9-9斷面為驗證斷面，共布置3個監(jiān)測點，上部2個，下部1個。兩斷面分別位于9號墩兩側。兩斷面的監(jiān)測點布置如圖6所示，各監(jiān)測點的基本參數(shù)如表1所示。

圖6 監(jiān)測點斷面布置圖Fig.6 Layout of monitoring points

斷面上(Φ=16mm)點號長度(m)×數(shù)量×斷面數(shù)下(Φ=16mm)點號長度(m)×數(shù)量×斷面數(shù)A,F0.5×2×3H8.8×1×38-8B,E1.3×2×3G,I7.0×2×3C,D3.4×2×39-9B1.3×1×2G7.0×1×2C3.4×1×1

橋梁施工是一個持續(xù)過程，為充分研究不同施工過程對橋梁應力變化的影響，結合8-8斷面與9-9斷面所處的位置，對7號塊澆筑完成到邊跨合龍的8個過程進行統(tǒng)計分析，兩斷面在不同過程的應力值如表2、表3所示。

在8-8斷面中，隨施工過程的進行，監(jiān)測斷面上部應力逐步增加，而下部應力先增加后減小；同時，9號塊在施工過程中的應力最大，且在施工前期，理論應力值均不同程度的大于實測應力值，而在后期則是實測應力值一定程度的大于理論應力值。

在9-9斷面中，總體也表現(xiàn)出與主測斷面相似的變化性質?？傊?，理論計算不能完全代表實際情況，兩者之間還是存在一定的差異，故現(xiàn)場應力實測非常必要。

同時，為驗證監(jiān)測結果的準確性，對兩斷面共同的B，C和G節(jié)點的測量值進行對比作圖，即圖7—圖9。對比可知，兩斷面對應的測點在不同施工階段的應力變化趨勢大致相同。其中，兩斷面在監(jiān)測點B處的應力變化趨勢是隨施工階段的進行，應力值的絕對值均呈持續(xù)增加的趨勢，只是在中跨合龍時9-9斷面的應力值相對更大；測點C處的應力也同樣隨施工階段的進行呈持續(xù)增加的特征，兩斷面的應力值差異不大；隨施工階段的進行，測點G處應力值表現(xiàn)為先增加后減小，且在施工后期，兩斷面的差值逐步變大，最大差值為0.48 MPa。

綜合對比兩斷面在各對應點的應力值，得出兩者具有一定的差異，但差異不明顯，證明橋梁應力測值較為準確可靠。根據(jù)實測結果統(tǒng)計，得出主梁與墩身的應力值均較小，均小于規(guī)范限值22.4 MPa，且均為壓應力，說明該橋梁在施工過程中的應力控制符合規(guī)范標準，達到了設計要求。

表2 8-8斷面各階段理論及實測應力

表3 9-9斷面各階段理論及實測應力

圖7 測點B的應力對比Fig.7 Stress comparison of the measured point B

圖8 測點C的應力對比Fig.8 Stress comparison of the measured point C

圖9 測點G的應力對比Fig.9 Stress comparison of the measured point G

4 結 論

1)橋梁施工是一個復雜且持續(xù)的過程，對其高程控制能有效保證橋梁的順利合龍。在橋梁的高程控制過程中，理論值與實測值間的差異較小，均在規(guī)范誤差允許范圍內，達到了設計要求，證明通過預拱度的計算控制立模標高具有合理性和有效性。

2)通過對比各斷面應力的實測值和理論值，得出兩者之間具有一定的誤差，但均在合理范圍內，說明該橋梁的應力計算過程與實際相符，結果準確可靠。同時，對8-8和9-9斷面的應力監(jiān)測結果的相互校驗表明，各對應節(jié)點的應力值均較為接近，差異較小，也證明了該橋梁現(xiàn)場應力測值具有較高的準確性。

3)通過對該橋梁高程及應力控制的分析，得出其控制效果均較好，證明本文的理論計算過程及實測方案均具有較大的合理性。

4)本文研究僅限于對已監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進行分析，缺少對后期變化的預測研究，未來尚需在這方面進行深入的探討。

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Elevation and stress control of multi span continuous rigid frame bridge construction: Taking Xinjiang Keqike Subu bridge as example

ZHOU Yongsheng1， ZHAO Ming2

(1.Shaanxi Railway Institute, Weinan, Shaanxi 714000, China；2.Xi’an Railway Engineering Company of China Railway Seventh Group, Xi’an, Shaanxi 710032, China)

In order to realize the accurate control of bridge construction accuracy and ensure the quality of bridge construction complying with the design requirements, the construction control of a multi span continuous rigid frame bridge is calculated and analyzed. First of all, the bridge camber is calculated through theoretical calculation, and corresponding control measures for elevation and stress in construction process is adopted; secondly, through field test, real-time monitoring of the elevation and stress is conducted in the construction process, and the monitoring value and control value are compared, so as to evaluate the control effect. The results show that, in the elevation control, final closure height error is less than 8 mm, which meets the linetype requirements of the bridge; in stress control, the main girder stress and the pier stress are all compressive stress, which are far less than the specification limits and meet the design requirements. So in the process of bridge construction, by combining the theoretical calculation and the construction control, effective control of stress and the elevation of the bridge can be achieved, namely the desired effect can be achieved. The effectiveness of the suggested bridge construction control measures is verified which provides a reference for the construction of similar bridges.

bridge and culvert engineering; continuous rigid frame bridge; elevation; stress; construction control

1008-1534(2017)05-0374-07

2017-03-05;

2017-05-27；責任編輯：馮 民

周永勝(1977—)，男，甘肅天水人，講師，碩士，主要從事鐵道工程方面的教學和研究。

E-mail:18437224@qq.com

U441+.5

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05011

周永勝，趙 明.多跨連續(xù)-剛構橋梁施工的高程及應力控制——以新疆克其克蘇布臺大橋為例[J].河北工業(yè)科技,2017,34(5):374-380. ZHOU Yongsheng，ZHAO Ming.Elevation and stress control of multi span continuous rigid frame bridge construction: Taking Xinjiang Keqike Subu bridge as example[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):374-380.