滇南山區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工線形控制

滕樹元

(中鐵十六局集團 第五工程有限公司，河北 唐山 063000)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是目前山區(qū)橋梁中應(yīng)用最為廣泛的一種橋型[1]，上部結(jié)構(gòu)的施工主要采用對稱懸臂澆筑法。對于高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋而言，由于在施工過程中受多種因素的影響，施工階段結(jié)構(gòu)的變形、截面的應(yīng)力狀態(tài)不僅關(guān)系到施工質(zhì)量和施工安全，還直接影響到成橋線形與成橋的受力狀態(tài)，因此，對大橋進行施工控制顯得尤為重要[2-6]。

李國平等[7]提出大跨連續(xù)梁橋線形最優(yōu)施工控制的方法和理論，將大跨徑連續(xù)梁橋施工期結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)和成橋線形作為最優(yōu)控制的對象，并根據(jù)其懸臂施工特點，來控制約束條件、目標函數(shù)、狀態(tài)與變量、以及具體實施方法等，實際應(yīng)用中取得了較好的效果。馬顯紅等[8]以貴州吳江特大橋為例，分析了混凝土節(jié)段重量、收縮徐變、溫度荷載等參數(shù)對該橋施工控制精度的影響，并建立了考慮收縮徐變影響的線性控制預(yù)測模型。莊緒杰[9]采用有限元軟件對背景橋梁施工過程進行分析計算，探討了單邊日照、環(huán)境溫度、薄壁空心墩結(jié)構(gòu)尺寸、風(fēng)荷載等參數(shù)對該橋施工階段以及成橋階段穩(wěn)定性的影響。

本文以云南省麻(柳灣)—昭(通)高速公路牛家溝特大橋為工程背景，對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的線形控制過程和方法進行研究，采取理論分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方式，通過施工控制理論研究，提高高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工線形控制精度，滿足成橋線形要求。同時通過施工階段結(jié)構(gòu)分析，確保施工過程中主體結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

麻昭高速公路牛家溝特大橋是云南省第一高橋，位于云南昭通市以北200 km處大關(guān)縣。主橋上部結(jié)構(gòu)采用(95+180+95)m三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)，雙幅布置，見圖1。箱梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁頂板寬11.8 m，底板寬5.5 m，梁高在根部為11 m，跨中為3.8 m，中跨梁高按1.8次拋物線變化，邊跨現(xiàn)澆段梁高4.5 m。主墩高137 m，墩身采用雙肢變截面矩形空心墩，順橋向雙肢間距7.0 m，單肢墩頂截面尺寸3.5 m×8.5 m?；A(chǔ)為鉆孔樁承臺基礎(chǔ)，承臺長19.2 m，寬15.2 m，厚4.0 m，承臺下設(shè)20根直徑2.0 m 樁基，按端承樁設(shè)計。

圖1 牛家溝特大橋概貌

主梁上部結(jié)構(gòu)采用掛籃懸臂澆筑法施工。箱梁0號節(jié)段長16 m，高11 m，0號梁段采用墩頂托架施工，而后對稱向兩側(cè)施工至合龍段，采用支架法施工邊跨現(xiàn)澆段，先邊跨合龍，再中跨合龍。每個懸臂T構(gòu)順橋向?qū)ΨQ劃分為22個節(jié)段，懸臂節(jié)段最大控制質(zhì)量250 t，掛籃質(zhì)量設(shè)計值為120 t。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立牛家溝特大橋三維空間模型。主墩和主梁采用梁單元模擬，計算過程通過時間依存效應(yīng)考慮收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響。模擬橋梁懸臂施工，T構(gòu)懸澆至最大懸臂狀態(tài)，先邊跨合龍，再體系轉(zhuǎn)換中跨合龍。全橋共分339個節(jié)點，336個單元，其中1～102為主梁單元，103～336為主墩單元。全橋計算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元計算模型

3 施工控制監(jiān)測方法

3.1 施工監(jiān)控內(nèi)容

施工監(jiān)控總體內(nèi)容包括以下3個方面：

1)現(xiàn)場的實時測量體系

測量的內(nèi)容包括溫度、軸線、標高、應(yīng)力、應(yīng)變等，測量的頻率需根據(jù)施工現(xiàn)場實際確定。

2)現(xiàn)場測試體系

在主墩澆筑階段應(yīng)做主梁混凝土彈模、重度試驗，收集材料特性方面的檢測數(shù)據(jù)。主梁懸澆前應(yīng)做掛籃靜載試驗，收集與分析各種荷載等資料。主梁張拉前做管道摩阻試驗，為線形控制提供數(shù)據(jù)支持。

3)分析判斷系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實測資料，對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行分析，與設(shè)計進行對比，給出當前階段應(yīng)力、變形、穩(wěn)定等狀態(tài)分析報告，對后續(xù)施工狀態(tài)進行預(yù)測，提出施工控制措施。

本橋采用懸臂施工，由于連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中已成梁段的空間位置是無法事后調(diào)整的，所以主要采用事前預(yù)測和事中控制，以確保成橋線形符合設(shè)計要求。

3.2 施工監(jiān)控方案

3.2.1 結(jié)構(gòu)線形及位移監(jiān)測

主梁施工過程中，需對箱梁頂面的撓度進行觀測，在掛籃就位、立模、混凝土澆筑前后和張拉前后均需觀測主梁撓度變化，為控制分析提供實測數(shù)據(jù)。通過豎直面內(nèi)與水平面內(nèi)的線形監(jiān)測，有效地控制橋梁施工全過程。

1)標高控制點布置

主梁標高測點設(shè)置在各梁段上表面的前端，如圖3(a)所示,立模標高測點設(shè)置在各梁段模板的前端，如圖3(b)所示。

圖3 標高控制點布置

2)立模標高

在建立了正確的計算模型和確定性能指標之后，依據(jù)設(shè)計參數(shù)和控制參數(shù)，結(jié)合橋梁狀態(tài)、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等進行前期數(shù)據(jù)采集及分析，獲得各階段內(nèi)力和撓度、成橋狀態(tài)內(nèi)力和撓度。設(shè)定成橋為理想狀態(tài)，對橋梁結(jié)構(gòu)進行倒拆分析。利用分析所得數(shù)據(jù)，獲得理想狀態(tài)下各階段的計算預(yù)拱度值。根據(jù)設(shè)計標高、現(xiàn)場各項數(shù)據(jù)，對施工過程中各工況標高及應(yīng)力測點觀測結(jié)果進行分析，修定計算預(yù)拱度值，提供施工立模標高。從而保證橋跨結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計要求并考慮混凝土長期收縮、徐變等不利因素對線形的影響。

提供的施工立模標高用下式計算。

H施=H設(shè)+∑f1+∑f2+f3+f4+f5

式中：H施為梁段施工立模標高；H設(shè)為箱梁設(shè)計標高； ∑f1為自身及后續(xù)梁段自重對立模梁段產(chǎn)生的撓度；∑f2為自身及后續(xù)梁段張拉預(yù)應(yīng)力對立模梁段產(chǎn)生的撓度；f3為掛籃自重和自身變形產(chǎn)生的撓度；f4為二期恒載對立模梁段產(chǎn)生的撓度；f5為箱梁因混凝土收縮、徐變、長期使用荷載及施工臨時荷載對立模梁段產(chǎn)生的撓度。

考慮到撓度f5的影響因素比較復(fù)雜，立模標高應(yīng)綜合考慮各項檢測數(shù)據(jù)，確定計算參數(shù)，通過施工監(jiān)測與控制，在施工前確定。

3)觀測時間及頻率

本橋在監(jiān)測過程中，將標高基準點布設(shè)在墩頂0#段，定期進行校核。將標高觀測時間安排在太陽升起之前進行，觀測時間可適當延長，但最遲不超過日出后0.5 h，這樣可基本排除溫度的影響。橋梁施工觀測應(yīng)在各施工工況變化后進行。本橋根據(jù)實際情況安排在掛籃前移并立模時、澆筑混凝土前后、預(yù)應(yīng)力張拉前后、二期恒載施工前、二期恒載施工后，測量各梁段控制點標高。

4)主梁預(yù)拱度設(shè)置

主梁懸臂施工開展之前，對全橋進行了詳細的施工過程模擬，并由此確定了本橋的控制目標線形，建立了相應(yīng)的立模標高控制數(shù)據(jù)。在懸臂施工過程中以此成果為目標并結(jié)合實測誤差狀態(tài)逐段預(yù)測并提供梁段立模標高。

3.2.2 墩頂變位及基礎(chǔ)沉降的監(jiān)測

1)墩頂變位監(jiān)測

利用橋梁兩岸控制網(wǎng)點，采用后方交匯法，得出測點的三維坐標。逐墩頂布置水平基準點和軸線基準點，監(jiān)控單位和施工單位每月進行一次聯(lián)測。以首次墩頂標高值作為初始值，各工況下實測值與初始值之差即為該工況下的墩頂變位。測點位置選在墩頂、墩底便于觀測的可靠位置處，用全站儀測量。每完成5～7個節(jié)段后測量1次。

2)基礎(chǔ)沉降變形監(jiān)測

每個主墩承臺上布置4個觀測點。沉降監(jiān)測網(wǎng)的建立、精度要求等應(yīng)符合規(guī)范的要求。在承臺四角布置測點便于觀測，用全站儀測量測點標高。每完成5～7個節(jié)段后測量1次。

4 施工監(jiān)控過程與結(jié)果

4.1 立模標高控制

施工監(jiān)測過程中對每一個節(jié)段施工循環(huán)進行了跟蹤測量，及時掌握了結(jié)構(gòu)在每個施工工況下的實際變形行為，與理論數(shù)值進行對比，以便對誤差進行調(diào)整。

4.2 合龍頂推控制結(jié)果

剛構(gòu)橋為平衡運營過程中混凝土主梁的徐變效應(yīng)，使橋墩受力更加合理，在中跨合龍過程中需進行頂推。本橋頂推力根據(jù)現(xiàn)場實際情況計算，千斤頂頂推量為120 t，合龍口理論頂開位移為29.6 mm，實測頂開位移為16.1 mm，頂開位移較理想。

4.3 合龍精度控制成果

本橋2015年10月合龍作業(yè)全部順利完成，這也是本橋的關(guān)鍵施工階段之一。牛家溝特大橋的合龍鎖定勁性骨架及合龍臨時鋼束構(gòu)造均符合設(shè)計要求。

全橋各個合龍段施工作業(yè)前均對合龍口兩懸臂端的標高值進行了觀測。表1給出合龍口標高及合龍誤差。從表中實測數(shù)據(jù)看出，橋跨合龍精度得到了很好的控制，6個合龍段扣除橋面縱向坡度影響后的合龍誤差均在2.0 cm以內(nèi)。軸線誤差1.5 cm。成橋后主梁線形良好，為鋪裝線形控制創(chuàng)造了有利條件。

表1 合龍口標高及合龍誤差 m

4.4 合龍后橋面標高及橋面鋪裝控制成果

分析標高通測結(jié)果可以看出：控制斷面主梁標高測點實測平均值與理論值偏差絕大部分在-3.6～3.6 cm 之間，滿足控制精度±3.6 cm(±L/5 000,L為橋梁跨度)的限值。合龍成橋狀態(tài)橋面標高總體控制情況較好，線形較為順暢，但由于測點位置偏差以及相應(yīng)塊段的橫向坡度控制水平，部分實測標高與理論值有一定差異。針對這一情況，對橋面鋪裝厚度進行了曲線擬合，供鋪裝施工時參考。

圖4為左幅上游側(cè)橋面實測標高與設(shè)計標高差值分布。

圖4 左幅上游側(cè)橋面實測標高與設(shè)計標高差值分布

分析圖4可知：左幅橋面線形總體順暢，無明顯變異點。其中上游側(cè)橋面實測標高與設(shè)計標高之差處于-5.9～17.3 cm；下游側(cè)橋面實測標高與設(shè)計標高之差處于-2.5～21.8 cm。3#—4#墩中跨跨中上游側(cè)實測豎向標高值比設(shè)計值高10.4 cm，下游側(cè)實測豎向標高值比設(shè)計值高16.9 cm。由于成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土存在收縮徐變，預(yù)應(yīng)力筋存在松弛等原因，主跨將會出現(xiàn)一定的下?lián)稀３蓸驅(qū)崪y線形優(yōu)于設(shè)計線形，符合成橋預(yù)拱度的設(shè)置，對橋梁整體受力及結(jié)構(gòu)的耐久性有利。

5 結(jié)語

1)牛家溝特大橋主橋在整個施工過程中預(yù)拱度計算及掛籃變形值的預(yù)測是精確的，實測橋梁變形值與理論值吻合良好。主梁控制斷面上下游標高測點實測平均值與理論計算值偏差在控制目標范圍內(nèi)。

2)牛家溝特大橋主橋各跨合龍施工過程體系轉(zhuǎn)換順利，橋跨合龍精度較好，最大合龍誤差滿足控制目標要求，且主梁軸線基本無偏差。頂推合龍過程中，左右幅橋?qū)崪y頂開位移量及所需頂推力值與理論計算結(jié)果基本相符，整體頂推效果良好，達到了墩身垂直度線形控制的目標值。

3)合龍成橋狀態(tài)橋面標高總體控制情況較好，合龍后主梁線形良好，鋪裝厚度滿足設(shè)計要求，為鋪裝線形控制創(chuàng)造了有利條件。

4)牛家溝特大橋主橋的施工控制工作，為實際了解大跨預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)行為提供了施工全過程信息，對該類橋型今后的設(shè)計、施工及進一步發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗。

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