某大跨度梁橋的施工過程控制技術(shù)研究及評價

劉敬坤

（中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所廣州510520）

關(guān)健詞：攸水大橋；施工過程控制；偏差對比；成橋狀態(tài)

1 概述

梁橋施工過程控制技術(shù)早在20 世紀50 年代就被一些工程技術(shù)人員研究使用，隨后越來越多的工程人員認識到它的重要性，被廣泛應用到大跨度的結(jié)構(gòu)施工中。施工過程控制的最重要的目的就是保證結(jié)構(gòu)在建成以后的形狀符合要求、內(nèi)力在合適的范圍之內(nèi)。但是由于工程施工是一個歷時很長而且很復雜的系統(tǒng)任務，所以要達到施工過程控制的目的相當困難。因此梁橋的施工過程控制就顯得格外重要，它是一個各方互相配合的過程，利用有限的資源去遏制或者減小不確定因素帶來的影響，使工程竣工后達到良好的效果。

梁橋施工過程控制技術(shù)系統(tǒng)地運用在工程中的時間并不久，在梁橋施工管理中最早系統(tǒng)地運用控制技術(shù)的是日本，在建設日夜野PC 連續(xù)梁橋的時候，就運用了相對比較完善的控制技術(shù)系統(tǒng)，且對控制結(jié)果利用計算機進行分析，然后再用分析的結(jié)果指導現(xiàn)場施工管理。

結(jié)合湖南攸水大橋（65+120+65）m大跨徑梁橋的工程實例，建立有限元模型，進行施工過程控制理論計算分析，通過現(xiàn)場實施，偏差對比，得出此梁橋施工過程控制的主要成果，進行分析，并對此結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)進行評價，為此類梁橋結(jié)構(gòu)的施工過程控制提供一個參考。

2 理論計算分析

2.1 工程背景

湖南省攸縣攸水大橋全長976.62 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為跨徑（65+120+65）m的預應力混凝土單箱單室連續(xù)梁，橫橋向分左、右半幅橋，全長250 m，主橋箱梁起訖點樁號為K0+344.97 和K0+594.97。主梁平面在一條直線上，在K0+475.11 處，橋梁分別設0.5%和0.3%的雙向縱坡，豎曲線半徑R=8 000 m。左、右兩幅橋的橋面均設置2%的單方向橫坡。箱梁頂部寬16.00 m，箱梁的懸臂部分長4.00 m，懸臂部分遠端厚0.18 m，近端厚0.70 m，截面底端寬8.00 m［1］。主跨箱梁懸臂根部高6.5 m，跨中高2.5 m，箱梁根部底板厚0.80 m，跨中底板厚0.28 m，箱梁的變截面按1.8 次拋物線線形變化。箱梁腹板按線性變化，根部厚度80 cm，跨中厚度45 cm。全橋箱梁頂板厚度28 cm。每個支座處設1道橫隔板，全橋共設4道。主墩墩身采用實體墩，交界墩設計為薄壁墩身，箱梁檢修人洞設置在邊跨現(xiàn)澆段。本次研究分析取單幅為研究對象，該主橋的立面布置及箱梁剖面如圖1所示，箱梁截面特性如表1所示。

2.2 有限元模型建立

采用梁橋計算軟件模擬建立梁橋有限元模型，橋墩和主梁均使用梁單元建立，墩和主梁的連接利用彈性連接，由于橋位處于基巖場地，梁橋結(jié)構(gòu)承臺下面基巖內(nèi)采用鉆孔灌注樁，基巖剛度大，所以計算模型可以按照剛性基礎考慮。成橋模型離散為83個單元，86 個節(jié)點，模型的邊界條件為結(jié)構(gòu)支座位置的豎向線位移約束和墩底固結(jié)。全橋共劃分為80個施工階段和一個運營階段進行仿真分析計算［2］，結(jié)構(gòu)單元劃分如圖2所示。

圖1 橋梁的總體布置及箱梁截面尺寸Fig.1 Overall Layout of Bridge and Cross-section Dimensions of Box Girder （cm）

表1 截面特性對比Tab.1 The Comparative Result of the Section Feature

圖2 攸水大橋有限元計算模型Fig.2 The Finite Element Calculation Model of Youshui Bridge

2.3 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)取值及選用計算方法

結(jié)構(gòu)箱梁部分用C55 混凝土，橋墩、承臺基礎用C30混凝土，樁基礎用C25混凝土，橋面部分使用瀝青混凝土鋪裝。主墩混凝土的加載齡期取5 d，主梁混凝土的加載齡期取4 d，每個梁段施工周期為6 d。材料各項力學性能如表2所示。

預應力鋼絞線均采用國標《預應力混凝土用鋼絞線：GB/T 5224-2003》中270級低松弛高強度鋼絞線，其抗拉強度標準值為1 860 MPa，公稱直徑d為15.2 mm，彈性模量為1.95×105MPa，松馳率為0.035，松馳系數(shù)為0.3。普通鋼筋必須符合國家標準的各項規(guī)定，其中鋼筋直徑d≥12 mm 的全部采用HRB335 鋼筋，鋼筋直徑d＜12 mm 的全部采用R235 鋼筋。鋼筋直徑d≥20 mm的應采用機械接頭連接。

表2 混凝土材料參數(shù)取值Tab.2 Concrete Material Parameters Value

永久荷載包括箱梁的自身重量、材料的收縮及徐變作用以及預加力等［3］。箱梁的自身重量按照現(xiàn)有的尺寸計算，箱梁及墩身鋼筋混凝土容重按26.5 kN/m3取值，其余結(jié)構(gòu)按26.0 kN/m3取值。橋面瀝青混凝土鋪裝按24 kN/m3取值，橫隔板、齒板分別以集中力的方式加到相應位置。重量計算以設計圖紙中混凝土的體積為準。施工荷載包括掛籃及吊架?？諕旎@50 t（包括模板及機具設備），前支點與后錨點距離5.0 m，空掛籃前支點反力900 kN，后錨點拉力400 kN。前支點距梁端0.5 m?；钶d計算時，采用公路-I級車道荷載，計人群荷載3.5 kN/m2；橋梁特征計算跨徑取120 m。

攸水大橋的分析計算采用正裝計算法。正算法理論計算模型與實際結(jié)構(gòu)的不符，類似于彈塑性力學中的“小應變大位移”問題，可以用迭代法進行解決。而且通過試算可知，即使不考慮修正，由于連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)特點，其引起的誤差也非常小，可以忽略不計。

3 施工過程控制系統(tǒng)實施

攸水大橋的施工過程控制系統(tǒng)是一個往復循環(huán)的過程，既是從施工到施工監(jiān)測，從施工監(jiān)測到參數(shù)識別，從參數(shù)識別再到施工修正，修正后再進行預告，進而反饋到施工過程中，這樣做的根本目的就是使工程的實施按照設計的理想方案推進。但是現(xiàn)實中不論是設計計算分析，還是工程的實施都存在著或多或少的誤差，所以，施工過程控制的中心工作就是對實施中誤差的分析、識別和調(diào)整，對橋梁下一步的狀態(tài)作出判斷。

3.1 施工過程控制主要工作內(nèi)容

施工監(jiān)測、控制要結(jié)合結(jié)構(gòu)設計要點及施工過程全面考慮，根據(jù)設計圖、施工組織設計以及施工工序，攸水大橋的施工過程控制工作的主要內(nèi)容：首先對橋梁施工段進行全面的分析、調(diào)整和優(yōu)化，依據(jù)設計圖和施工組織設計來確定施工的程序，并按順序進行施工階段的計算，施工階段的計算分析結(jié)果再與設計圖紙進行相互校核，這個分析結(jié)果是整個施工過程控制的最重要的依據(jù)；復核設計圖紙擬定的預拱度計算結(jié)果。主梁每個階段的澆筑、預應力張拉、掛籃的影響等直接關(guān)系到主梁的受力，主梁在施工過程中的線形直接影響其附加內(nèi)力大小及成橋狀態(tài)，所以在施工過程控制中主梁必須設置預拱度，并且是控制的重點。攸水大橋主梁采用后支點掛籃懸臂澆筑施工方法，在施工中掛籃立模標高確定后基本沒有調(diào)整的余地，所以監(jiān)控工作的第一件事情就是復核設計中的預拱度值，并且要在施工中對掛籃的預拱度和設置的方式作出準確的判斷。主梁施工前對掛籃進行預壓試驗，根據(jù)設計圖紙中的預拱度及掛籃預壓試驗得到的變位值，對立模標高進行復核和調(diào)整。主梁變截面處是重要監(jiān)測內(nèi)容之一，了解日常溫度變化對結(jié)構(gòu)應力應變、變位測試結(jié)果的影響。橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是施工中的一大難題，關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全，所以這也是控制中的一大重點，攸水大橋是一座大跨度連續(xù)梁橋，在施工過程中，對墩身和主梁進行內(nèi)力測試和計算分析，以保證大橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 施工過程控制的實施

在施工過程的每一個施工階段，通過監(jiān)測主梁在各個施工階段的應力和變形，達到及時了解結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)變化的目的。根據(jù)監(jiān)測所得到的數(shù)據(jù)，首先確保結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，其次保證結(jié)構(gòu)的受力合理和線形平順，為大橋安全、順利地建成提供技術(shù)保障［4-7］。

影響結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力的技術(shù)參數(shù)有很多個，通過參數(shù)敏感性分析，了解每個參數(shù)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化影響程度大小，確定主要參數(shù)。由于各方面環(huán)境的影響，根據(jù)設計值所選取的參數(shù)值與實際情況可能有所差異，有些參數(shù)需要在施工過程中通過現(xiàn)場試驗或檢查來獲取，如：①混凝土容重；②混凝土強度；③混凝土彈性模量；④混凝土收縮徐變系數(shù)；⑤預應力誤差的影響；⑥施工臨時荷載；⑦混凝土澆注過程中超方情況；⑧氣象資料：晴雨、氣溫、風向、風速；⑨實際工期與未來進度安排。

3.2.1 變形控制

當澆筑各墩0#塊混凝土時，在0#塊墩頂橫隔板處的頂板位置用φ16的鋼筋頭布置3個測量基準點。鋼筋頭端頭磨平并焊固于分布鋼筋網(wǎng)上，使其露出混凝土表面2 cm。鋼筋頭周圍用紅色油漆做出明顯標記。施工單位在施工過程中需特別注意對該基準點加以保護，防止施工機具運行時或托運材料時將基準點破壞［8，9］?；鶞庶c布置如圖3所示。

圖3 主梁變形及標高測點布置Fig.3 The Layout of Measurement Point about Main Beam Deformation and Elevation （cm）

主梁其它節(jié)段開始澆筑后，在主梁腹板外側(cè)、頂板中心（橋梁軸線）的梁端位置布置撓度觀測點。每一截面主梁梁頂設立3 個撓度觀測點，距梁端10 cm，其中箱梁軸線上的撓度觀測點亦作為軸線線形觀測點，要求其埋設位置準確并在其鋼筋頭頂面刻上十字絲，如圖3所示，預埋鋼筋焊接在鋼筋骨架中并用紅漆標明編號。

3.2.2 內(nèi)力控制

為了及時掌握該橋在施工過程中關(guān)鍵部位內(nèi)力的變化規(guī)律，弄清理論值與實際值之間的關(guān)系，在每一跨主梁關(guān)鍵部位布置應力測點，通過施工階段的實時測試獲得結(jié)構(gòu)真實的應力狀態(tài)，對其進行誤差分析并判斷是否符合設計要求，如果實測值與理論值的差值超限則必須查找原因和調(diào)控，使之在允許的范圍內(nèi)變動［10］。

本橋梁采用振弦式混凝土埋入型應變計作為應力（應變）觀測儀器。該類型應變計預埋在混凝土后，受環(huán)境其它因素影響小，不易被破壞，而且穩(wěn)定性好。

大橋上部結(jié)構(gòu)單幅箱梁共布置7 個測試截面，分別為梁部的懸臂根部截面、L/2 截面。每個截面布置4個應變測點。上下游兩幅共有14個測試截面，56個測點。下部結(jié)構(gòu)共布置8 個測點，4 個測試截面，分別為每個墩的墩底截面。全橋共64個測點。

測試截面具體位置如圖4所示。

圖4 應變測試截面示意圖Fig.4 The Schematic Diagram of Strain Test Section

3.2.3 溫度控制

溫度也是導致主梁變形的重要參數(shù)之一。溫度控制分為季節(jié)性的溫度變化控制和日照性的溫度變化控制。其中季節(jié)性的溫度變化對主梁變形的作用比較單一，變化相對均勻，在施工階段采集溫度參數(shù)，反饋到計算模型中，分析主梁的變形情況。而日照性的溫差最為復雜，日照性的溫度變化對主梁變形的作用通常需要實際測量，探究出主梁在日照性溫度變化的情況。對攸水大橋來說，日照溫度的變化會使主梁頂、底板之間產(chǎn)生溫差，進而引發(fā)主梁變形。因而該橋應進行環(huán)境溫度以及測試斷面溫度場的測試。

溫度測試選用JMT－36A 型記憶智能溫度傳感器，采用振弦式頻率測試溫度變化。在主梁混凝土的內(nèi)表面預埋溫度傳感器，以測量其溫度場分布?？紤]到各個“T”的溫度大致相同，故選一個“T”的一個懸臂作為溫度測試對象，共設2 個觀測截面，每個截面含6個溫度測試點，將溫度傳感器固定在鋼筋上，埋設于混凝土體內(nèi)，測試導線引到混凝土表面［11］。在主梁施工期間選擇有代表性的天氣進行24 h 連續(xù)觀測，例如：每個季節(jié)選擇一個晴天、多云天和陰雨天。特別是在主梁施工的養(yǎng)護期間實測梁板中的水化熱變化規(guī)律，對施工方法如何養(yǎng)護起了依據(jù)作用。

3.2.4 非彈性變形控制

掛籃安裝好后通過試壓消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形并檢驗掛籃的受力性能，以便有效控制橋梁線形。攸水大橋主梁施工采用的是常規(guī)的三角形桁架掛籃，掛籃由主桁、底籃系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、后錨、模板系統(tǒng)及行走系統(tǒng)等部分組成。掛籃預壓試驗采用沙袋堆載的方式進行加載。其計算結(jié)果與實測結(jié)果如圖5所示。

圖5 掛籃荷載試驗實測值與理論計算值比較Fig.5 The Comparison between the Measured Value of the Basket Load Test and the Theoretical Calculated Value

由上述試驗值得出掛籃的荷載—撓度曲線，由每個梁段的重量換算出前吊點的力，根據(jù)加載曲線得出前吊點的變形，在預拱度中予以考慮，從而為控制主梁撓度提供可靠的依據(jù)。

4 施工過程控制成果

根據(jù)攸水大橋主梁的后支點掛籃懸臂澆筑施工方案，對主梁懸臂澆筑過程實施動態(tài)監(jiān)控，并且每一節(jié)段混凝土澆筑完畢，根據(jù)實測主梁梁底標高重新計算并確定下一節(jié)段主梁梁底標高。掛籃前移就位后經(jīng)有關(guān)方復測后方可定位，直至主梁合龍。在全橋的施工過程中掛籃前移后主梁立模標高的定位和預應力鋼束的張拉至關(guān)重要，因此在施工過程中除保證主梁軸線和高程的精確定位外，還必須加強對預應力鋼束張拉過程中主梁內(nèi)力的測試。

4.1 主梁施工狀態(tài)監(jiān)測成果

攸水大橋順利完成主梁施工后，對主梁的標高、軸線等進行了測量，并在測量中綜合考慮了測量溫度與合攏溫度的影響；同時還對關(guān)鍵截面的應力進行了檢測。測量結(jié)果表明攸水大橋主梁合攏線形及軸線線形的精度都滿足設計要求，關(guān)鍵截面的應力監(jiān)測結(jié)果表明攸水大橋主梁受力合理。

4.1.1 主梁線形監(jiān)測成果

主梁現(xiàn)場澆筑施工期間，及時進行了精確定位測量。施工監(jiān)控過程中嚴格控制高程和軸線。主梁澆筑過程中各節(jié)段施工過程監(jiān)控數(shù)據(jù)安裝高程實測值、理論值比較如圖6 所示。由圖6 得知：在各梁段安裝過程中，高程最大偏差為28 mm。安裝誤差均在監(jiān)控控制范圍內(nèi)，符合控制精度和設計要求。

圖6 安裝高程比較Fig.6 The Installation Elevation Comparison

4.1.2 主梁內(nèi)力監(jiān)測成果

主梁在懸臂澆筑過程中，主梁關(guān)鍵截面預埋的振弦式應變計的應力監(jiān)測記錄主梁上、下緣應力實測值、理論值比較如圖7 所示，可以看出實測值與理論值較為接近，變化規(guī)律與理論值相吻合，說明主梁應力滿足設計和規(guī)范要求，且滿足橋梁監(jiān)控的控制精度要求。

圖7 側(cè)截面（懸臂根部）主梁應力比較Fig.7 Stress Comparison of Main Beam in Side Section（Cantilever Root）

4.1.3 墩底內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果

主梁在施工過程中，墩底應力的監(jiān)測記錄的實測值、理論值比較如圖8所示，可以看出實測值接近于理論值，誤差在10%以內(nèi)，在最大懸臂狀態(tài)，邊、中跨合龍等重要工序中墩底受力均滿足監(jiān)控控制要求。

圖8 墩底應力比較Fig.8 The Comparison of Pier Bottom Stress

4.2 成橋狀態(tài)控制結(jié)果

由主梁橋面線形監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)中可以得出：在成橋狀態(tài)下，左幅橋主梁線形標高與理論標高最大偏差△Z=21 mm，右幅橋主梁線形標高與理論標高最大偏差△Z=20 mm，除個別值超出20 mm 以外，其余均在20 mm 以內(nèi)，與設計理論值基本吻合。從圖9 的線形變化趨勢來看也與設計線形吻合，所以橋面線形滿足監(jiān)控精度和設計要求。

大橋在成橋狀態(tài)下主梁關(guān)鍵截面的內(nèi)力如表3所示，可以看出實測值接近于理論值，誤差在10%以內(nèi)，說明主梁應力滿足設計和規(guī)范要求，受力符合要求。

圖9 主梁線線形比較Fig.9 The Girder Line Comparison

5 施工過程控制系統(tǒng)評價

攸水大橋施工過程中嚴格執(zhí)行各方面的相關(guān)規(guī)定，合理安排工序作業(yè)時間，積極進行施工過程控制工作。從該橋的實測數(shù)據(jù)來看：

⑴ 主梁方面：主梁懸臂施工過程中節(jié)段標高誤差介于±10 mm 之間，表明主梁整體線形基本平順。主梁在施工過程中，各主梁關(guān)鍵截面上下緣實測應變與理論值吻合良好，偏差在10%以內(nèi)，0 號梁段（懸臂根部）上緣應力最大值出現(xiàn)在懸臂施工的過程中，下緣應力最大值出現(xiàn)在成橋以后，均小于材料強度的設計值。實測情況與理論值相符，表明主梁的受力合理，符合設計要求，主梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

⑵ 主墩方面：在整個施工過程中，主墩的變形及內(nèi)力均接近于理論計算值，且小于材料強度的設計值，符合設計要求，結(jié)構(gòu)受力合理、安全可靠。

表3 成橋狀態(tài)主梁內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果Tab.3 Internal Force Monitoring Results of the Main Girder in the Condition of the Completed Mridge （MPa）

6 結(jié)語

綜上所述，攸水大橋在施工過程中以及成橋狀態(tài)下，主梁線形平順，大橋各截面受力合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，符合設計要求。施工過程控制所應用的理論和方法正確，實際效果較好，施工過程控制工作獲得了成功。建議在今后的使用過程中嚴禁超載，并加強對大橋關(guān)鍵部位的長期觀測，確保安全。