呼和浩特市三環(huán)路特大橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋懸臂施工控制研究

(1.呼和浩特職業(yè)學(xué)院 建筑工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古大學(xué) 交通學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

1 概述

公路運(yùn)輸在我國國民經(jīng)濟(jì)中處于重要地位，目前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路運(yùn)力面臨一定的壓力[1]。橋梁建設(shè)在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中占有較大的比重[2]。為跨越海灣、大河和公路等，大跨度橋梁的修建非常迫切[3]。在橋梁施工過程中，不斷提高施工技術(shù)發(fā)展水平，對施工進(jìn)行控制日益重要。我們可將每座橋梁的施工看作一個系統(tǒng)工程，對于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說是如此，施工控制更是非常重要[4]。在系統(tǒng)中，內(nèi)外因素的耦合會對懸臂現(xiàn)澆施工過程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾，從而造成極大影響，所以需及時有效地對影響誤差的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控[5]。本文基于呼和浩特市三環(huán)路特大橋，對其預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋懸臂施工控制進(jìn)行了研究。

2 工程概況

呼和浩特市三環(huán)路特大橋全長為885.24 m，起點(diǎn)里程為DK191+455.35 m，終點(diǎn)里程為DK192+355.85 m。大橋主橋為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱型連續(xù)梁，橋?qū)?3.35 m，主跨跨徑41.5 m+61.5 m+45.0 m，設(shè)計時速85 km/h且雙線通車。將單箱單室箱型作為主梁選擇對象，同時把單向橫坡向外側(cè)傾斜的方式作為頂面翼緣板的應(yīng)用方式。橋梁橋墩和箱梁連接根部斷面有5.25 m的梁高，2.82 m的邊跨端部和中跨端部高度。將“T構(gòu)”掛籃分段對稱方法應(yīng)用在兩高墩懸臂澆筑當(dāng)中進(jìn)行現(xiàn)澆段澆筑，在開展邊跨現(xiàn)澆段及連續(xù)懸臂澆筑時，首先將邊跨合攏處理，然后進(jìn)行中跨合攏。

3 施工仿真計算

3.1 預(yù)應(yīng)力體系

將三向預(yù)應(yīng)力體系放在連續(xù)橋梁使用當(dāng)中，嚴(yán)格按照《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》(GB/T 5224-2014)要求執(zhí)行橫向、縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，將Φ25 mm高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋以及金屬波紋管成孔分別應(yīng)用在豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋以及管道形成當(dāng)中。

3.2 仿真計算

3.2.1計算模型

結(jié)合設(shè)計圖紙和相關(guān)規(guī)范，確定公路相關(guān)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值；展開現(xiàn)場試驗等方式識別并調(diào)整偏差系數(shù)和預(yù)應(yīng)力管道摩組等。正裝計算的起點(diǎn)規(guī)定為連續(xù)梁零號塊，對各階段截面的受力、變形情況進(jìn)行計算。通過Midas/Civil軟件，可使用連續(xù)梁模型對分節(jié)段懸臂澆筑施工全程進(jìn)行仿真分析，該有限元模型共劃分節(jié)點(diǎn)195個，單元170個。圖1為橋梁結(jié)構(gòu)建模簡圖。

圖1 結(jié)構(gòu)建模計算簡圖Figure 1 Structural modeling computation diagram

3.2.2材料物理性質(zhì)(見表1、2)

表1 C50主梁梁體材料物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of C50 girder materials物理性質(zhì)抗壓彈性模量/MPa泊松比線膨脹系數(shù)/(1·[C]-1)容重/(N·m-3)測試值3.66×1040.211.1×10-52.6×104

表2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of prestressed steel strand ma-terials物理性質(zhì)抗壓彈性模量/MPa泊松比線膨脹系數(shù)/(1·[C]-1)鋼筋松弛系數(shù)測試值1.96×1050.311.25×10-50.020鋼筋與管道壁摩阻系數(shù)管道每米局部偏差的摩擦影響系數(shù)錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值/m容重/(N·m-3)0.240.002 60.0067.86×104

4 預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋懸臂施工控制

在懸臂施工各個階段進(jìn)行線形監(jiān)控，懸臂結(jié)構(gòu)的頂板、底板、翼緣板的平順程度由線性決定[6]。在現(xiàn)場監(jiān)控的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定橋梁懸臂各部標(biāo)高誤差，以實(shí)現(xiàn)安全合攏的目的。

4.1 連續(xù)梁掛籃驗算及優(yōu)化

4.1.1掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計

懸臂施工過程中橋梁的安全性和施工質(zhì)量都是由掛籃的穩(wěn)定性和變形來決定的[7]。基于現(xiàn)場掛籃荷載試驗方式消除非彈性變形，并結(jié)合預(yù)壓方式增強(qiáng)其安全性和可靠性。將三角形掛籃放置在三環(huán)路特大橋連續(xù)梁當(dāng)中，將4.05 m作為最長梁段長度，適用最大梁段重為205 t，每副掛籃自重為48.5 t，適用梁高為4.96～7.96 m。

大橋掛籃的主體結(jié)構(gòu)： ①主桁：為承重結(jié)構(gòu)，其中又分為上中橫梁、主梁、立柱、上前橫梁、斜拉帶等。②懸吊系統(tǒng)：包括后橫梁吊桿、前橫梁吊帶、模板吊桿。③錨固系統(tǒng)：吊帶錨固、主桁后錨以及軌道錨固都是其中非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。④行走系統(tǒng)：包括行走軌道、四氟滑動支座、后錨行走小車。沿橋縱向，每條軌道設(shè)有兩排間距為0.26 m的滑動行走輪，設(shè)置兩根滑軌于桁架下箱梁頂面處，設(shè)滑行拖船于滑軌及主桁前后支點(diǎn)處；前移時，將配重在桁架后錨梁上安裝好，用5 t的兩個導(dǎo)鏈在前端牽引，掛籃前移。⑤模板系統(tǒng)：槽鋼、角鋼焊接而成箱梁外模外框架，將槽鋼用作模板圍帶，保持6.05 mm的板面鋼厚度。內(nèi)模組成包括斜支撐、內(nèi)模桁架、組合鋼模等。

4.1.2模擬計算

基于Midas/Civil驗算掛籃的強(qiáng)度和變形結(jié)構(gòu)，三角掛籃仿真計算模型如圖2所示，其中共有224個單元和195個節(jié)點(diǎn)。

支點(diǎn)在掛籃前約束轉(zhuǎn)動，錨點(diǎn)在掛籃后為全約束，可滑動約束在行走軌道中點(diǎn)處。在前下縱梁上，根據(jù)20.5 N/mm進(jìn)行模板、混凝土荷載的加載，在四根吊帶上加載翼緣和側(cè)模荷載，每根3.05 t。呼和浩特市三環(huán)路特大橋掛籃最大剪力為268.82 kN、最大軸力為625.32 kN、最大彎矩為132.85 kN·m。在工作狀態(tài)下，掛籃各桿件變形及受力能滿足規(guī)范、設(shè)計要求。

圖2 大橋掛籃有限元計算模型Figure 2 Finite element calculation model of hanging basket for super-large bridge

4.1.3掛籃現(xiàn)場預(yù)壓試驗

在完成零號塊施工和其余節(jié)段施工前，對三角掛籃安全性、可靠性進(jìn)行檢算，對懸臂施工過程進(jìn)行有效控制，當(dāng)掛籃安裝完以后，需要結(jié)合現(xiàn)場預(yù)壓試驗確定最終的受力情況，消除掛籃自身非彈性變形，表3為三環(huán)路特大橋20號墩掛籃試壓加載測量值。

表3 大橋20號墩掛籃試壓加載測量值Table 3 Measurement value of hanging basket pressure test loading for pier 20 of bridge觀測點(diǎn)加載卸載彈性變形0%55%105%125%0%55%105%Δh0%Δh55%Δh105%Δh125%10-20-33-34-5-18-230-14-19-3020-25-37-38-6-19-250-14-20-3330-24-35-35-9-20-240-12-16-2740-31-47-51-14-31-360-18-23-3850-36-41-46-14-21-290-8-16-3360-32-38-48-12-29-310-18-20-37Δ—0.0-28-38.5-42-12-23-280.0141933

4.2 線性監(jiān)控

大跨徑連續(xù)橋梁未合攏時，一直是懸臂狀態(tài)，當(dāng)不斷推進(jìn)施工進(jìn)程后，將會顯著增加懸臂的長度和荷載，由于受到外界溫差和風(fēng)力等因素的干擾，將會出現(xiàn)下?lián)献饔?，此時在預(yù)應(yīng)力張拉、自身剛性以及梁端對稱平衡施工的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8]。當(dāng)合攏操作完成后，由于二期荷載產(chǎn)生作用，將會持續(xù)發(fā)生下?lián)献饔?。大跨徑連續(xù)橋梁會在分節(jié)段平衡懸臂施工過程中產(chǎn)生下?lián)献冃巫饔?，這個過程中可能產(chǎn)生比較復(fù)雜的影響因素，如果沒有合理有效的控制，將會出現(xiàn)設(shè)計預(yù)期與實(shí)際施工標(biāo)高之間存在誤差的現(xiàn)象，進(jìn)而影響線行和合攏等過程。所以需要將線形監(jiān)控應(yīng)用在橋梁施工的全部過程，并結(jié)合理論設(shè)計與實(shí)際監(jiān)測偏差識別并調(diào)整敏感參數(shù)，不斷修正仿真模型。

4.2.1確定立模標(biāo)高及預(yù)拱度

立模標(biāo)高需進(jìn)行一定預(yù)拱度的設(shè)置，涉及到施工過程中預(yù)應(yīng)力張造成的抵消掛籃下降兩或上翹位移、二期荷載等[9]。在十年后或更長時間內(nèi)要滿足橋梁軌頂標(biāo)高，需提供撓度值，將撓度值和設(shè)計標(biāo)高相加可獲得立模標(biāo)高。計算方法見公式(1)：

HL=HS+YY+Δg

(1)

式中:HS表示設(shè)計標(biāo)高；HL表示立模標(biāo)高；Δg表示掛籃變形值；YY表示計算所得預(yù)拋高值。預(yù)計標(biāo)高見公式(2)所示：

HY=HL+x0-Δg

(2)

式中:在澆筑當(dāng)前，節(jié)段混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力后總下?lián)现涤脁0表示。

4.2.2標(biāo)高控制方法及實(shí)施

標(biāo)高測點(diǎn)布置圖如圖3所示，不同梁段前端需要通過高程控制設(shè)一測試斷面的方式將2個測點(diǎn)預(yù)埋在斷面的頂板和底板，其中零號塊共預(yù)埋測點(diǎn)7個。實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論的尺寸會存在一些差別，通過線性控制方式降低兩者間的偏差，并確保該偏差不超過參考規(guī)范范圍，表4所示內(nèi)容為其實(shí)際情況。

(a) 0號塊測點(diǎn)

(b) 其他塊橫斷面測點(diǎn)

表4 連續(xù)梁懸臂澆筑梁段的允許偏差和檢驗方法Table 4 Permissible deviations and test methods for canti-lever cast-in section of continuous beams序號項目允許偏差/mm檢驗方法1懸臂梁段頂面高程+15.5/-5.5 測量檢查2合攏前兩懸臂端相對高差 合攏段長的1/100,且≤15.53梁段軸線偏差15.54相鄰梁段錯臺5

4.2.3標(biāo)高監(jiān)控結(jié)果

以大橋20號、21號墩標(biāo)高控制作為研究對象展開分析，同時全面計算分析0號塊、1號塊、4號塊、7號塊施工階段的監(jiān)測數(shù)值，圖4為測點(diǎn)布置圖，表5為20號墩施工四塊標(biāo)高控制結(jié)果。

圖4 測點(diǎn)布置圖Figure 4 Layout of measuring points

表5 20號墩施工四塊標(biāo)高控制結(jié)果Table 5 Control results of four elevation blocks in pier 20 construction測點(diǎn)鋼筋頭/m澆筑前實(shí)測值/m澆筑后實(shí)測值/m張拉后實(shí)測值/m澆筑前后實(shí)測值之差 /mm澆筑后理論變形值/mm澆筑前后理論與實(shí)測值誤差/mm張拉前后實(shí)測值之差/mm張拉后理論變形值/mm張拉前后理論與實(shí)測值誤差/mm1165.879165.878165.879-1-0.0500.92810.000-1.0000號快2165.870165.870165.8700-0.050-0.05000.0000.0003165.720165.719165.720-1-0.0500.92810.000-1.0004165.723165.721165.723-2-0.0501.92820.000-2.0001165.904165.901165.904-3-0.1182.86030.003-2.9961號快2165.902165.900165.902-2-0.1181.86020.003-1.9963165.703165.701165.703-2-0.1181.86020.003-1.9964165.703165.701165.704-2-0.1181.86030.003-2.9961165.935165.935165.9360-0.241-0.24111.0300.0304號快2165.939165.936165.936-3-0.2412.73701.0301.0303165.668165.664165.666-4-0.2413.73721.030-0.9684165.679165.675165.676-4-0.2413.73711.0300.0301165.979165.978165.978-1-0.4310.54702.1282.1287號快2165.964165.964165.9660-0.431-0.43122.1280.1283165.665165.664165.668-1-0.4310.54742.128-1.8704165.654165.655165.6611-0.431-1.43162.128-3.870

由表4、圖5知，各標(biāo)高測點(diǎn)理論值和實(shí)測值并不完全一致，變化幅度并不十分顯著，沒有顯著的規(guī)律性。理論值和實(shí)測值之間保持-4～2 mm范圍內(nèi)的差值變化，當(dāng)對4號塊梁體做完澆筑處理后，會突然降低其中一實(shí)測標(biāo)高，其造成因素主要是澆注4號塊砼的掛籃、自重荷載，屬于正常變化；當(dāng)完成7號塊張拉后，此時理論值和梁體實(shí)測標(biāo)高值之間并不完全一致，但差值未超過允許范圍。在后續(xù)監(jiān)控過程中實(shí)時跟蹤實(shí)際測量值，如果出現(xiàn)整體數(shù)值存在差異的情況，需要及時進(jìn)行調(diào)整和分析，對結(jié)構(gòu)變形有效控制。分析0號塊、1號塊、4號塊、7號塊施工標(biāo)高變化情況，可以看出，由于多元化因素耦合的作用而提高其復(fù)雜程度；因此，要及時分析原因，對施工中出現(xiàn)偏差要進(jìn)行控制。

4.3 應(yīng)力監(jiān)控

在施工過程中，當(dāng)連續(xù)梁橋出現(xiàn)安全、質(zhì)量隱患時，應(yīng)停工分析問題并進(jìn)行調(diào)整[10]。需要永久性保留橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力計，并在檢測運(yùn)行橋梁安全狀態(tài)的過程中發(fā)揮作用。

4.3.1監(jiān)控截面、監(jiān)測點(diǎn)布置及測試時間

通常情況下，在懸臂跨中、根部等應(yīng)力關(guān)鍵控制截面，布置連續(xù)梁橋主梁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)，確保及時監(jiān)測連續(xù)梁各階段實(shí)際應(yīng)力分布情況。本橋在中跨3L/8、L/4、L/8，邊跨的L/4、L/2、3L/4，中支點(diǎn)懸臂根部截面處進(jìn)行測點(diǎn)的設(shè)置，每個斷面布置測點(diǎn)6個，底板、頂板各3個。圖5為大橋連續(xù)梁鋼筋應(yīng)力計布置圖，圖6為埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計。

圖5 大橋連續(xù)梁鋼筋應(yīng)力計布置圖Figure 5 Layout of reinforcement stress meter for continuous girder of extra large bridge

圖6 埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計Figure 6 Embedded steel bar stress gauge

4.3.2應(yīng)力測試數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

在現(xiàn)場預(yù)埋的基礎(chǔ)上，全面且及時的監(jiān)測施工全過程以及實(shí)際應(yīng)力情況，對其受力情況有效把控，通過實(shí)際應(yīng)力監(jiān)控可以看出，不同階段具有相似的頂板應(yīng)力和控制截面底板變化規(guī)律，沒有出現(xiàn)超出規(guī)范規(guī)定的情況。大橋連續(xù)梁共有8個梁應(yīng)力測試斷面，本研究的詳細(xì)情況見表6。

表6 20號墩4-4斷面應(yīng)力實(shí)測值與計算值比較表Table 6 Comparisons between measured and calculated stresses of section 4-4 of pier 20MPa 施工階段頂板測點(diǎn)123456理論值0號澆注后-0.450.01-0.120.070.730.480.120號張拉后-1.50-1.36-1.560.43-0.03-0.090.031號澆注后-2.53-1.90-1.81-0.03-0.21-0.120.101號張拉后-3.41-3.32-2.67-0.53-0.30-0.31-0.242號澆注后-3.64-4.16-3.45-0.57-0.30-0.30-0.262號張拉后-5.43-5.02-4.24-0.74-0.56-0.30-0.363號澆注后-5.44-5.26-4.77-0.65-0.43-0.36-0.273號張拉后-5.54-5.42-5.04-0.36-0.66-0.50-0.44邊跨合攏后-8.15-7.55-8.05-5.77-5.32-4.90-4.64邊跨合攏張拉后-7.24-7.22-6.76-4.68-4.42-4.21-3.88邊跨合攏后-8.50-8.61-8.10-3.40-3.22-2.82-2.90邊跨合攏張拉后-8.07-7.02-8.11-3.63-3.70-2.92-3.03

由表6可知，5.54 MPa是主要測點(diǎn)在中跨1/4截面和主梁懸臂根部受壓應(yīng)力的最大值，0.43 MPa是其最大拉應(yīng)力值。C50砼[σc]=13.2 MPa，[σtp-1]=2.77 MPa，與軸心抗壓、允許抗拉強(qiáng)度的設(shè)計值相比，實(shí)際測量值顯然更小，也就是說該結(jié)構(gòu)安全性較強(qiáng)?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測理論值與實(shí)際值之間并不完全一致，但具有較為相似的變化規(guī)律，這說明在施工控制中，使用的理論方法所建模型能客觀、準(zhǔn)確對實(shí)際施工進(jìn)行反映，監(jiān)測控制點(diǎn)切實(shí)可靠。

5 結(jié)論

基于呼和浩特市三環(huán)路特大橋，對其預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋懸臂施工控制進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下：

a.呼和浩特市三環(huán)路特大橋掛籃最大剪力為268.82 kN、最大軸力為625.32 kN、最大彎矩為132.85 kN·m。在工作狀態(tài)下，掛籃各桿件變形及受力能滿足規(guī)范、設(shè)計要求。

b.通過分析仿真模型的建立及控制參數(shù)具體取值，各標(biāo)高測點(diǎn)理論值和實(shí)測值并不完全一致，變化幅度亦不十分顯著，沒有顯著的規(guī)律性。理論值和實(shí)測值之間保持-4～2 mm范圍內(nèi)的差值變化。

c.5.54 MPa是主要測點(diǎn)在中跨1/4截面和主梁懸臂根部受壓應(yīng)力的最大值，0.43 MPa是其最大拉應(yīng)力值?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測的連續(xù)梁值和理論值具有較小偏差、變化規(guī)律比較類似，在施工控制中，所建模型能客觀、準(zhǔn)確地對實(shí)際施工進(jìn)行反映，監(jiān)測控制點(diǎn)切實(shí)可靠。