新建鐵路工程大跨度連續(xù)梁橋施工監(jiān)控技術(shù)分析

成忠華

(中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司，武漢 430034)

目前連續(xù)梁的施工大多數(shù)是采用懸臂施工，這種施工工藝相對復(fù)雜，由于連續(xù)梁相鄰節(jié)段是用預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土連接的，所以各個節(jié)段之間互相影響，各個階段的偏差會累積起來，如果不采取監(jiān)控措施消除這種偏差，將會造成最后合攏精度無法保證，橋梁施工監(jiān)控就是要在施工中控制好當(dāng)前階段偏差，預(yù)估下一階段偏差，逐步控制全部階段偏差，避免施工偏差形成累積，盡可能減少調(diào)整，縮短工期，為工程項目節(jié)省投入。由此可見，對于連續(xù)梁而已，進行施工監(jiān)控是不可或缺的。

1 工程概況

某大跨度連續(xù)梁橋于40～43號橋墩處以（48+80+48）m連續(xù)梁跨越某快速路，主墩為41#、42#橋墩。

橋梁全長為177.5m，跨度為(48+80+48)m,中支點截面中心梁高6.2m，跨中截面中心梁高3.6m，邊跨7.75m直線段截面中心梁高為3.6m，梁底按圓曲線變化曲線半徑R=271.733m，邊支座中心線支梁端0.75m，邊支座橫橋向中心距3.2m，中支座橫橋向中心距3.5m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬7.6m，底寬4.5m，頂板厚 0.35m，支點加厚至 0.65m；腹板厚分別為0.4m～0.6m～0.8m，按折線變化；底板厚0.35m～0.7m，按曲線變化，支點處按折線變化到0.65～1.4m。底板設(shè)30cm×30cm梗脅，頂板設(shè)30cm×90cm梗脅。中支點橫隔板厚2.0m，端支點橫隔板厚1.3m，中跨中橫隔板厚0.5m。箱梁在端支點、中支點底板設(shè)置0.8m×0.7m進人洞。

圖1 連續(xù)梁橋立面布置圖（單位：cm）

2 施工前仿真計算

2.1 橋梁設(shè)計概況

本橋為（48+80+48）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁鐵路橋（見圖1）。主梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，梁寬7.6 m，橋梁采用掛籃懸臂灌注法施工。采用Midas/Civil軟件的連續(xù)梁懸臂施工階段仿真模擬。

設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

鐵路等級：Ⅰ級

正線數(shù)目：單線

速度目標(biāo)值：120km/h

軌道結(jié)構(gòu)：有碴軌道

2.2 設(shè)計荷載

（1）恒載

結(jié)構(gòu)自重：按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》TB10002.1-2005）計算；

二期恒載：橋面二期恒載按110kN/m,包括鋼軌、扣件、枕木、擋砟墻、聲屏障等線路設(shè)備重。

（2）設(shè)計活載：ZH活載（Z=1.2）。

（3）附加力

風(fēng)力：《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》TB10002.1-2005）（不考慮風(fēng)力）；

溫度荷載：《鐵路橋涵鋼筋礙土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB10002.3-2005）；

溫度力：《鐵路橋涵鋼筋礙土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB10002.3-2005）附錄 B。

（4）施工荷載

施工掛籃、機具、人群等按500kN計。

2.3 有限元仿真模型

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立的平面桿系模型，如下圖所示，模型共包括99個節(jié)點，96個梁單元，其中主梁72個梁單元，橋墩24個梁單元。邊界條件：墩梁固結(jié)采用彈性連接中的剛性連接，墩底采用固結(jié)連接；考慮了懸臂澆筑的施工全過程，計算工況共有49個，其中懸臂掛籃施工梁段按照掛籃行走、混凝土澆筑、梁單元生成、張拉預(yù)應(yīng)力的過程循環(huán)模擬施工，計算模型如下圖2所示

圖2 MIDAS/Civil連續(xù)梁橋計算模型

計算分析方法采用先通過對成橋倒拆，以獲取各施工節(jié)段結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形等，即所謂“倒拆計算法”；然后根據(jù)“倒拆法”獲得的各施工階段內(nèi)力、線形，按照施工順序及相應(yīng)工況，再按施工順序進行正裝計算。

整個計算步驟按主橋施工順序進行階段劃分，因為按照倒拆所獲得的橋面線形等數(shù)據(jù)，進行正裝計算分析所實現(xiàn)成橋內(nèi)力，與原成橋目標(biāo)值存在一定差異，因而在正裝計算階段需進行多次迭代修正，獲得每個安裝階段的控制高程，作為該階段監(jiān)控計算所需要確定的目標(biāo)，逐步逼近或最終達(dá)到理想的符合設(shè)計要求的成橋內(nèi)力及線形。

3 線型控制

3.1 立模標(biāo)高的確定

模擬施工過程計算，求得各階段累計位移，就可以確定立模預(yù)拱度，從而可求得立模標(biāo)高，立模標(biāo)高確定后，主梁線形也隨之確定。所以立模標(biāo)高是決定連續(xù)梁成橋線形最重要的因素。

如果某一節(jié)段前端的設(shè)計標(biāo)高為H，成橋預(yù)拱度為Y1，主梁施工過程中此點的變形為Y2，立模標(biāo)高修正值為H修，則此點的立模標(biāo)高H立模為:

H立模=H＋Y1一Y2＋H修

其中：成橋預(yù)拱度Y1包括成橋后徐變產(chǎn)生的位移和活載預(yù)拱度兩部分；

由于篇幅有限，以本橋41#墩上的主梁為例，預(yù)拱度設(shè)置如下：

圖3 預(yù)拱度設(shè)置（41#墩大里程）

3.2 線型測試控制流程

線型控制是對整個施工過程的控制,需要對每一個施工階段進行線型控制,以避免各個階段偏差的發(fā)生積累,保證線型最終符合設(shè)計要求。

(1)在掛籃前移后，主梁節(jié)段立模標(biāo)高的測量（按設(shè)置預(yù)拱度的立模標(biāo)高進行主梁底模定位、測量和校核）：

嚴(yán)格按照預(yù)拱度進行施工放樣，同時進行測量和核對。

(2)每個節(jié)段混凝土澆注前后掛籃變形情況的測量：

以便掌握掛籃變形的規(guī)律（避免掛籃試驗數(shù)據(jù)可能有誤而導(dǎo)致監(jiān)控誤差超出監(jiān)控范圍），為下一節(jié)段主梁立模標(biāo)高的預(yù)拱度設(shè)置中關(guān)于掛籃變形部分提供依據(jù)。

(3)混凝土澆注前后、預(yù)應(yīng)力張拉前后、掛籃行走前后主梁撓度的測量。

現(xiàn)場測量，并與理論計算分析進行比較，為下一節(jié)段主梁立模標(biāo)高的預(yù)拱度設(shè)置中是否進行調(diào)整提供理論依據(jù)。

(4)異常情況的測量：比如出現(xiàn)掛籃迅速變形情況的測量：

該現(xiàn)場測量并記錄數(shù)據(jù)，而后進行監(jiān)控理論分析。根據(jù)理論分析結(jié)果再進行下一節(jié)段立模標(biāo)高的調(diào)整。

這一情況最好不要發(fā)生。為了避免該情況，在模板定位后和混凝土澆注前應(yīng)對掛籃所有吊桿進行檢查，監(jiān)有松動的立即擰緊，確保不發(fā)生這一異常情況。

(5)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換階段（即托架拆除、邊跨現(xiàn)澆段支架拆除、邊跨合龍、中跨合龍等）主梁變形情況的測量：

現(xiàn)場測量并記錄數(shù)據(jù)，并與理論計算分析進行比較。

(6)每個節(jié)段施工主梁軸線定位測量：

進行施工放樣，現(xiàn)場測量無誤后方可進行模板定位。

3.3 測點布置

當(dāng)澆筑完成兩主橋墩（41#和42#橋墩）的0#塊混凝土?xí)r，在0#號塊墩頂腹板處的頂板位置用鋼筋頭布置測量基準(zhǔn)點。鋼筋端頭磨平并焊接錨固在主鋼筋上，使其露出混凝土表面10cm左右。鋼筋頭周圍用紅色油漆做出明顯標(biāo)記。施隊在施工過程中需特別注意對該基準(zhǔn)點加以保護，防止施工機具運行時或托運材料時將基準(zhǔn)點破壞。基準(zhǔn)點布置如圖3所示，將高程控制點引到這些基準(zhǔn)點上來作為懸臂施工各梁段高程測量的控制點。

圖4 0#塊基準(zhǔn)點布置圖(“·”測量基準(zhǔn)點位置)

主梁其他節(jié)段開始澆筑前，在主梁腹板距梁端10cm的位置布置撓度測點。每一節(jié)段主梁梁頂設(shè)立2個（底板永久測點）+3個（立內(nèi)側(cè)模板時的臨時測點），共5個撓度觀測點，均距梁端10cm，如圖2所示。其中2個底板永久測點亦可作為軸線線形觀測點，但必須要求其埋設(shè)位置準(zhǔn)確并在其鋼筋頭頂面刻上十字絲。預(yù)埋鋼筋焊接在主鋼筋中并用紅漆標(biāo)明并編號。

圖5 主梁變形及標(biāo)高測點布置圖（尺寸單位：cm）

3.4 軸線定位測點布置

當(dāng)如圖4所示的基準(zhǔn)點布置好以后，利用全站儀將控制網(wǎng)的坐標(biāo)系引到主墩41#和42#墩的0#塊基準(zhǔn)點上來。作為懸臂施工各梁段軸線定位的控制點。

掛籃定位前，在每一節(jié)段主梁兩側(cè)翼緣端部各設(shè)1個（立翼緣模板時的臨時測點），在翼緣模板上用油漆標(biāo)注。如圖3所示，距梁端10cm的位置。如果如圖5所示的2個底板永久測點的鋼筋位置埋設(shè)準(zhǔn)確并在鋼筋綁扎完以后進行模板定位方可以采用鋼筋頭作為主梁軸線定位測點。如果先進行模板定位，再綁扎鋼筋則采用圖6所示的

圖6 主梁軸線定位測點布置圖（尺寸單位：cm）

3.5 測量方法及注意事項

(1)橋梁軸線定位采用全站儀進行測量，主梁撓度及每節(jié)段立模標(biāo)高采用精密水準(zhǔn)儀進行測量。

(2)在測量過程中，鑒于日照溫差的復(fù)雜性，為了盡量減少日照溫差效應(yīng)對觀測結(jié)果的影響，測量時間宜安排在溫度較平穩(wěn)階段（如在早晨太陽出來之前）。測量時，加快測讀速度，盡量縮短測量時間。

(3)在測量過程中，應(yīng)停止引起橋上荷載變化的施工，避免施工臨時荷載對觀測結(jié)果的影響。同時，為了確保整個監(jiān)控線形，橋上臨時荷載的堆放應(yīng)盡量對稱，懸臂兩側(cè)臨時荷載偏差控制在5噸以內(nèi)為宜。

(4)當(dāng)施工到主跨的3/4前后時，選擇氣溫變化比較大的時候?qū)χ髁簶?biāo)高進行24小時溫度影響觀測。從早上6：00至次日早晨6：00每2小時對主梁已澆筑梁段的標(biāo)高進行一次觀測（同時記錄大氣溫度和箱梁溫度）。

圖7 線形控制基本流程圖

3.6 自校正預(yù)測控制法在本橋中的應(yīng)用

在實際施工中，每一個階段完成后，可以對橋梁的實際信息進行測試，測試的結(jié)果又可以反饋給預(yù)測控制。通過反饋得到的實測值與預(yù)測值進行對比，在排除儀器誤差、測試原理等非結(jié)構(gòu)因素引起的誤差以外，就可以判斷實際施工的誤差狀態(tài)，然后重新調(diào)整計算，力爭在下個階段中減小或消除誤差。實際的施工控制就是重復(fù)預(yù)測反饋調(diào)整后預(yù)測過程中，最終保證橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形始終處于容許的安全范圍內(nèi)。自校正調(diào)節(jié)法控制流程見圖8。

圖8 自校正調(diào)節(jié)法控制流程圖

3.7 線形監(jiān)控成果分析

線型監(jiān)控的目標(biāo)是使得實際值無限接近理論設(shè)計值，得到成橋?qū)嶋H線形測量結(jié)果如表1、圖9所示。

表1 成橋后41#墩大里程梁頂混凝土面線形測量結(jié)果（單位：m）

圖9 41#墩大里程梁頂混凝土面成橋線形與設(shè)計線形對比圖

線型測量結(jié)果表1表明，成橋狀態(tài)下，橋梁實際線形與設(shè)計線形偏差都在允許范圍內(nèi)，偏差范圍在-18～12mm以內(nèi)，符合規(guī)范要求的允許偏差-20～+20mm；圖9表明成橋線形總體平順，且與設(shè)計線形十分接近，說明線形監(jiān)控取得了較好的效果。

4 應(yīng)力監(jiān)測

4.1 應(yīng)力監(jiān)測元件及測試原理

影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試的因素很復(fù)雜，除荷載作用引起的彈性應(yīng)力應(yīng)變外，還與收縮、徐變、溫度等有關(guān)。目前國內(nèi)外混凝土內(nèi)部應(yīng)力測試一般通過應(yīng)變測量換算應(yīng)力值，即：

σ 彈 =E·ε彈

式中：σ彈—荷載作用下混凝土的應(yīng)力；

E—混凝土彈性模量；

ε彈—荷載作用下混凝土的彈性應(yīng)變。

應(yīng)力測試與主梁施工同時進行，現(xiàn)場條件差，使用時間長，因而要求測試元件必須具備長期穩(wěn)定性好、抗損傷性能、可靠性和耐久性好、埋設(shè)定位容易及對施工干擾小等性能。通過以前測試經(jīng)驗和對國內(nèi)元件及儀器綜合分析比較，本橋應(yīng)力測試采用鋼弦式應(yīng)變計，混凝土結(jié)構(gòu)采用MHY-150型埋入式。鋼弦式應(yīng)變計是利用傳感器。

式中：f─鋼弦自振頻率，Hz；

l─鋼弦長度，cm；

σ─鋼弦所受應(yīng)力，；

ρ─鋼弦材料密度；

實際使用中是將鋼弦式應(yīng)變計進行標(biāo)定，得到f～ε的關(guān)系曲線，根據(jù)實測的振動頻率和標(biāo)定曲線即可求出應(yīng)變ε。應(yīng)變ε是包含其他變形影響的總應(yīng)變。即：

ε=ε彈性+ε溫度場+ε自身+ε溫差+ε收縮

=ε應(yīng)力+ε無應(yīng)力

其中ε應(yīng)力為在混凝土內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力的應(yīng)變，ε無應(yīng)力為與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)無關(guān)的無應(yīng)力應(yīng)變。

為了真實反映混凝土內(nèi)部的應(yīng)力水平，在埋設(shè)各鋼弦式應(yīng)力計的同時埋設(shè)補償應(yīng)變計，利用補償應(yīng)變計測得的應(yīng)變以便扣除混凝土的體積應(yīng)變ε無應(yīng)力

4.2 應(yīng)力測點布置及應(yīng)力監(jiān)控數(shù)據(jù)分析

圖10 連續(xù)梁應(yīng)力測試截面布置圖

4.3 應(yīng)力監(jiān)控數(shù)據(jù)分析

表2 連續(xù)梁成橋后關(guān)鍵截面應(yīng)力（單位：MPa）

圖11 成橋后實測應(yīng)力與理論應(yīng)力對比圖

從應(yīng)力測量結(jié)果（表 2、圖 10、11）來看，成橋后，全橋應(yīng)力實測值與理論值最大偏差-3.02MPa（4-4截面T3測點）?；炷辽舷戮壸畲髩簯?yīng)力為-14.82MPa，小于規(guī)范中規(guī)定的C50最大壓應(yīng)力0.50f′ck＝32.4×0.50=-16.20Mpa 無拉應(yīng)力，該工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于安全狀況。

5 結(jié)論

通過對每個施工工況的密切監(jiān)測，施工監(jiān)控技術(shù)在（48+80+48）m連續(xù)梁橋取得了成功的應(yīng)用，取得了一下主要成果：

（1）通過跟蹤測量，在成橋狀態(tài)下，橋梁實際線形與設(shè)計線形偏差都在允許范圍內(nèi)，偏差范圍在-18～12mm以內(nèi)，符合規(guī)范要求的允許偏差-20～+20mm，合攏精度與成橋線形較好；

（2）通過應(yīng)力測試，全橋應(yīng)力實測值與理論值最大偏差-3.02MPa（4-4截面T3測點）。混凝土上下緣最大壓應(yīng)力為-14.82MPa，小于規(guī)范中規(guī)定的 C50 最大壓應(yīng)力 0.50f′ck＝32.4×0.50=-16.20Mpa，無拉應(yīng)力，且應(yīng)力變化情況與施工進度的變化規(guī)律基本一致，表明結(jié)構(gòu)處于良好工作狀態(tài)，應(yīng)力監(jiān)控狀況比較理想。

（3）通過現(xiàn)場實測值與理論計算值的比較分析，表明了自校正預(yù)測控制法在連續(xù)梁施工監(jiān)控中的實用性。

總之，該（48+80+48）m連續(xù)梁橋合攏精度、成橋線形、應(yīng)力都與預(yù)期控制目標(biāo)與相關(guān)規(guī)范基本吻合，施工監(jiān)控取得了較好的效果，對同類型連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控具有指導(dǎo)意義。