大跨連續(xù)梁懸澆施工監(jiān)控技術與應用研究

鄧振全 董 旭 李樹忱

(山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

0 引言

橋梁結構的安全質量問題是公路、鐵路及交通等行業(yè)和全社會非常關注的重大問題[1]。施工監(jiān)控是確保橋梁結構在施工或運營階段體現(xiàn)設計思路、滿足規(guī)范和設計，保證工程安全質量所必須的重要手段[2]。在實際施工過程中，受設計假定誤差、施工荷載、環(huán)境天氣、材料和施工技術水平等多因素影響，橋梁結構的實際應力、變形等狀態(tài)參數(shù)會與設計要求、有限元分析結果有所差異，如不加以及時調整，會致使結構的施工控制參數(shù)誤差不斷累積，嚴重影響橋梁結構的線形、內力和成橋狀態(tài)，甚至造成橋梁無法合龍，危及施工和運營安全。對橋梁施工監(jiān)控各方面問題，許多學者進行了研究。包龍生、閆燕紅等[3,4]結合工程闡述了橋梁施工監(jiān)控的內容和通用方法，并通過對比分析得到了大跨連續(xù)梁橋設計參數(shù)中橋梁施工和監(jiān)控的主要和次要影響因素；劉慶昌等[5]利用馬爾科夫殘差對連續(xù)梁橋施工監(jiān)控的灰色理論模型進行了改進，修正了監(jiān)控的預測誤差；陳秀清等[6]基于受力優(yōu)化和均勻性原則，研究了合龍順序對連續(xù)梁橋結構性能和成橋狀態(tài)的影響，提出了優(yōu)化施工合龍方案；趙國梁、姚敏紅、王一新等[7-13]則結合不同梁型、不同設計方案研究了橋梁施工監(jiān)控的技術要點。

本研究依托某地區(qū)鐵路擴能改造工程有砟軌道單線預應力混凝土連續(xù)梁橋，闡述和分析了本研究工程的一整套監(jiān)控方法和理論，介紹了其監(jiān)控內容、方案和工具，實施了線形和應力監(jiān)控工作，并給出了其監(jiān)控結果和結論，研究保證了該工程安全成功合龍，可作為其他橋梁工程監(jiān)控的參考。

1 工程概況

某鐵路擴能改造工程有砟軌道橋梁為48 m+80 m+48 m三跨單線預應力混凝土連續(xù)梁橋。上部結構采用單箱單室直腹板式變截面連續(xù)箱梁，最大梁高為6.4 m，中跨及邊跨直線段梁高為3.6 m，箱梁采用縱向、橫向和豎向三向預應力體系；橋梁基礎采用鉆孔樁基。連續(xù)梁應用懸澆法建造，分兩個對稱T構，各劃分為11個梁段，邊跨為7.75 m現(xiàn)澆段，邊跨和中跨合龍段均為2 m。梁體全部采用C55混凝土。該連續(xù)梁上跨當?shù)啬扯壒?，交叉角度?34°36″。該公路為貨運主路，車流量大。連續(xù)梁橋全橋布置及與所跨公路位置如圖1所示。

2 監(jiān)控方法

2.1 監(jiān)控原則

特大跨連續(xù)梁的監(jiān)控工作，最終目的是保證施工過程中梁橋結構的質量和安全。具體表現(xiàn)為：對成橋目標進行持續(xù)監(jiān)測和有效控制，以確保工程的線形和受力等滿足規(guī)范要求和設計預期，并保證其有足夠的強度和穩(wěn)定性。一般遵循“預報→施工→量測→識別→修正→下一次預報”循環(huán)流程。

2.2 監(jiān)測理論

2.2.1分析理論

前進分析法是指根據(jù)既定施工方案逐階段地進行結構計算，幾何形態(tài)、邊界約束、荷載分布等不斷變化，前一階段結構狀態(tài)作為下一階段的分析基礎，并得到成橋受力變形情況。該方法能為強度、剛度驗算和成橋受力提供依據(jù)和精確結果，能確定可靠的施工階段理想狀態(tài)，故選擇前進分析法作為研究分析理論。

2.2.2控制理論

自適應控制法認為，在系統(tǒng)運行過程中，通過系統(tǒng)識別或參數(shù)估計，不斷修正參數(shù)，使設計輸出與實測結果相符，可以達到工程誤差或問題控制的目的，原理如圖2所示。且其相對其他方法，實施較為簡便，故研究選擇自適應控制法作為誤差控制方法。

2.2.3誤差調整方法

施工中，結構易受到材料、環(huán)境、施工技術等因素的影響，會導致分析采用的理想設計參數(shù)值與結構實際狀態(tài)的相應設計參數(shù)值出現(xiàn)一定偏差，設計參數(shù)誤差是引起大跨橋梁施工誤差的主要因素之一。本研究通過設計參數(shù)的識別，并利用最小二乘法進行誤差調整，通過最小化誤差的平方和以確定數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)，其基本原理是確定函數(shù)S*(x)，使誤差平方和：

(1)

其中,δi=S*(xi)-yi,(i=0,1,2,…,m)。

3 監(jiān)控方案

3.1 結構計算

采用MIDAS/Civil建立主梁模型，利用前進分析法做計算，并由橋梁博士3.0進行復核。主梁模型依設計施工節(jié)段(如圖3所示)對應劃分為若干單元，對施工過程進行模擬。采用C55混凝土，加載齡期為7 d；預應力鋼絞線松弛損失取為2.5%，錨具變形與鋼束回縮值取為6 mm，管道摩阻系數(shù)μ=0.25，偏差系數(shù)k=0.003；二期恒載取為98 kN/m；收縮徐變考慮1 500 d。有限元計算模型如圖4所示，全橋共劃分70個單元，97個節(jié)點。

通過模型計算，得到自重、預應力以及混凝土收縮徐變引起的懸臂前端撓度值、掛籃彈性變形和活載撓度值等理論數(shù)據(jù)，同時結合上節(jié)段的控制情況，根據(jù)式(2)可知：

(2)

式中：Hlmi——節(jié)點i(待澆筑段底板前端)立模標高；

Hsji——待澆筑段底板前端的設計標高；

∑fdi——施工過程中恒載(含自重、預應力、收縮徐變等)引起的節(jié)點i累計撓度值；

fli——靜活載引起節(jié)點i撓度值；

fgl——掛籃彈性變形值，由掛籃預壓及高程實測確定，本研究采用式(3)來預測掛籃變形：

(3)

式中:ff——澆筑第n號梁段產(chǎn)生的掛籃彈性變形；

Δfn，Δfn-1,Δfn-2——澆筑第n塊混凝土后第n,n-1,n-2號梁段前端的變形；ln,ln-1為第n,n-1號梁段長度。

3.2 監(jiān)測內容

3.2.1變形監(jiān)測

在自重、預應力、不均勻溫差和收縮徐變等作用下，梁體會產(chǎn)生撓曲變形，需要對主梁變形監(jiān)測，以掌握梁體撓曲和扭轉變形的情況和歷程，為結合結構計算準確控制提供依據(jù)。

在0號塊頂板中心設水準控制點，作為橋面高程測控的基準，其高程以良好山坡上永久高程點為根據(jù)；橋面高程測控點各對稱布置3處于每個節(jié)段前端面10 cm處的頂、底板上表面(如圖5所示)，測點露出橋面5 cm，用Φ16鋼筋與頂?shù)装邃摻钬Q直焊牢。使用DINI水準儀或TCA-2003A全站儀，在立模初和調整后、混凝土澆筑前后、預應力張拉前后進行高程量測。為減少溫度影響，監(jiān)測宜在日出前完成。

3.2.2溫度監(jiān)測

混凝土導熱的復雜性和滯后效應，會造成溫度非線性分布和頂?shù)装鍦夭?，使主梁撓曲、梁體產(chǎn)生較大復雜內力，對施工影響較大。需進行測試，獲得梁體溫度分布變化規(guī)律，為分析控制提供依據(jù)。

在圖6的梁體②截面，在圖7b)所示6處和箱梁內外側布置JXH-2型鋼弦應力計(內含鉑電阻溫敏元件)。對梁體和環(huán)境溫度、截面應力進行持續(xù)監(jiān)測，間隔為1 h，中午后適當縮短。

3.2.3應力監(jiān)測

利用JXH-2型鋼弦應力計和DT615數(shù)據(jù)采集儀，對梁體應力變化進行監(jiān)測，與理論計算比較，以檢視主梁受力狀態(tài)，實現(xiàn)安全控制?？刂平孛嫒鐖D6所示，斷面應力測點布置如圖7a)，考慮結構對稱性，對44號墩半聯(lián)梁做監(jiān)測，45號墩梁為復核，所有應變計縱向布置。每節(jié)段分別對混凝土澆筑前、澆筑后、預應力張拉后三個主要工況進行測量。

4 監(jiān)控結果

4.1 變形監(jiān)測

成橋后主梁梁底標高的理論值及其與實際標高的誤差值如圖8所示。

根據(jù)規(guī)范，要求梁頂面高程差|h1|≤10 mm，梁段高程為-5 mm≤h2≤15 mm，本研究控制誤差要求|Δh|≤10 mm。由圖8可以看出，主梁各節(jié)段的高程與設計值差異較小，均在控制要求范圍內，主梁線形平順，與理論線形吻合良好。

4.2 溫度監(jiān)測

梁體和環(huán)境溫度的分布變化如圖9所示，各溫度測點的應力隨時間變化情況如圖10所示。

由圖9看出，所測頂板溫度較好地反映了當日氣溫情況；梁體內部溫度則變化較緩；底板溫度低于大氣溫度，但變化趨勢相同；考慮到腹板外會受到翼板遮擋，梁體內外溫度呈現(xiàn)相差不大、變化穩(wěn)定的狀態(tài)。

由圖9和圖10對比，頂板應力受溫度影響變化明顯，底板相對較穩(wěn)定；受預應力束的約束作用，隨節(jié)段增加，截面應力受溫度影響變大；應力應變較溫變有一定的滯后效應。

4.3 應力監(jiān)測

主梁①，②，③監(jiān)測截面的頂?shù)装鍛碚撝蹬c實測值變化曲線如圖11所示。

可以看出：1)44號、45號墩主梁的頂、底板基本均為壓應力狀態(tài)，隨施工進行，壓應力逐漸增大；2)頂、底板應力的理論值和實測值基本吻合，前期極少數(shù)施工節(jié)段測點處底板存在受拉情況，但拉應力未超過1 MPa，滿足抗裂設計和規(guī)范要求。

5 結語

本研究依托某地區(qū)鐵路擴能改造工程有砟軌道連續(xù)梁，闡述了本研究工程的監(jiān)控方法和理論，介紹了其監(jiān)控內容和工具，并實施了變形和應力監(jiān)控工作，得到下面的結論：

1)受設計假定誤差、施工荷載和技術水平等多因素影響，橋梁結構的實際狀態(tài)會與設計理論有所差異，須進行施工監(jiān)控，保證結構的線形和內力。

2)根據(jù)監(jiān)控結果，主梁各節(jié)段的高程與設計值差異較小，均在控制要求范圍內，主梁線形平順，與理論線形吻合良好。

3)所測頂板溫度能較好符合當日氣溫情況；梁體內部溫度則變化較緩；底板溫度低于大氣溫度，但變化趨勢相同；考慮到腹板外會受到翼板遮擋，梁體內外溫度呈現(xiàn)相差不大、變化穩(wěn)定的狀態(tài)。

4)頂板應力受溫度影響變化明顯，底板相對較穩(wěn)定；受預應力束的約束作用，隨節(jié)段增加，截面應力受溫度影響變大；應力應變較溫變有一定的滯后效應。

5)梁體頂、底板基本均為壓應力狀態(tài)，隨施工進行，壓應力逐漸增大；頂、底板應力的理論值和實測值基本吻合，前期極少數(shù)施工節(jié)段測點處底板存在受拉情況，但拉應力未超過1 MPa，滿足抗裂設計和規(guī)范要求。

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