大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工監(jiān)控分析

陳 序

（福州市閩侯公路事業(yè)發(fā)展中心，福州 350000）

現(xiàn)澆懸臂施工作為大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主要施工方法,工序復(fù)雜,工期長(zhǎng),結(jié)構(gòu)體系經(jīng)歷多次變換,直接影響成橋結(jié)構(gòu)的受力。 但相關(guān)試驗(yàn)及觀測(cè)表明[1]：受施工荷載、張拉預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、溫差及基礎(chǔ)沉降等諸多因素影響[2],結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及分布很難與設(shè)計(jì)相符； 同時(shí)實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中均存在不同程度的誤差,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形與設(shè)計(jì)的偏差增大。 上述誤差累積到一定程度會(huì)影響施工及成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力偏離設(shè)計(jì)。通過(guò)開(kāi)展施工監(jiān)控,預(yù)測(cè)每個(gè)施工階段的立模標(biāo)高和應(yīng)力, 指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)的施工,及時(shí)調(diào)整施工等因素造成的誤差,保證成橋線形和內(nèi)力分布滿足設(shè)計(jì)要求。 國(guó)內(nèi)學(xué)者不僅對(duì)常規(guī)橋梁做過(guò)施工監(jiān)控分析,也對(duì)高墩連續(xù)剛構(gòu)[3]、曲線連續(xù)剛構(gòu)[4]、長(zhǎng)聯(lián)多跨連續(xù)梁[5]、超寬連續(xù)梁[6]做過(guò)施工監(jiān)控分析,積累了一定的設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別[6-7]及處理方法[8]。但對(duì)客運(yùn)專線的大跨徑連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控研究較少, 與普通公路和鐵路橋梁相比,其活載大、動(dòng)力效應(yīng)明顯、結(jié)構(gòu)剛度高、預(yù)應(yīng)力大、線形和應(yīng)力控制精度要求高,影響因素多,監(jiān)控難度大。為此,本文以某客運(yùn)專線跨江特大橋主橋?yàn)楸尘?進(jìn)行施工監(jiān)控分析,為同類橋梁施工監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

某客運(yùn)專線橫跨我中心轄區(qū)的某國(guó)道, 為確保施工期間國(guó)道的運(yùn)營(yíng)安全, 我中心參與了該跨線橋的施工監(jiān)控。 該特大橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),跨徑布置為(75+135+75)m,雙線正線,直線,線間距5m,設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h。 箱梁為單箱單室變截面結(jié)構(gòu), 梁頂寬12.0m,梁底寬7.0m, 邊支點(diǎn)及跨中梁高5.83m, 中支點(diǎn)處梁高10.03m。 在中支點(diǎn)、端支點(diǎn)和中間跨跨中截面處共設(shè)置5道橫隔梁,中支點(diǎn)橫隔板厚3.0m,端支點(diǎn)橫隔板厚1.95m,中跨中橫隔板厚1.0m。 跨中直線段長(zhǎng)度2.0m, 邊跨直線段長(zhǎng)度9.25m。 箱梁采用C55 混凝土；縱向和橫向的預(yù)應(yīng)力筋為1×7-15.2 鋼絞線, 其彈性模量為1.95×105MPa,抗拉強(qiáng)度為1860MPa；豎向?yàn)棣?2mm 高強(qiáng)精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋, 抗拉強(qiáng)度為830MPa； 普通鋼筋采用HPB235、HRB335 鋼筋； 支座采用高速鐵路及客運(yùn)專線橋梁球型支座GTQZ 系列。二期恒載按127kN/m 計(jì)；列車豎向活載采用ZK 標(biāo)準(zhǔn)活載；施工荷載載按1200kN 計(jì)；其他荷載按相關(guān)規(guī)范計(jì)取。 該橋0 號(hào)段12m,懸臂縱向17 個(gè)節(jié)段分段長(zhǎng)度為4×3m+7×3.5m+6×4m,合攏段長(zhǎng)2.0m,邊跨現(xiàn)澆段為7.25m,全橋共40 個(gè)梁段。 按“對(duì)稱懸臂澆筑→邊跨合攏段→中跨合攏”的順序施工。 施工步驟如圖1 所示。

圖1 (75＋135+75)m 主橋施工步驟圖

2 施工數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

采用彈性理論和平面桿系模型分析直線橋梁的內(nèi)力和位移可以得到較好的精度[9],故采用“橋梁博士”進(jìn)行建模分析。將主橋離散為92 個(gè)梁?jiǎn)卧?總節(jié)點(diǎn)數(shù)93；主梁和主墩墩頂臨時(shí)固結(jié)時(shí)為剛接, 通過(guò)釋放梁端部約束來(lái)模擬解除臨時(shí)固結(jié),邊跨端邊界條件模擬為活動(dòng)鉸支座；施工階段按施工實(shí)際過(guò)程模擬。 建立模型如圖2 所示,主橋結(jié)構(gòu)離散如圖3 所示。

2.2 模型修正

2.2.1 參數(shù)識(shí)別

為了保證計(jì)算模型能如實(shí)反映施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài),將實(shí)測(cè)的狀態(tài)變量值(位移、應(yīng)力)與相應(yīng)的理論計(jì)算值對(duì)比,再根據(jù)兩者的差值對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,從而獲得較為客觀的設(shè)計(jì)參數(shù),減少模型誤差。 本文主要對(duì)材料的彈性模量、結(jié)構(gòu)剛度、收縮徐變系數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)、臨時(shí)施工荷載等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和修正。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,參數(shù)識(shí)別結(jié)果如下：

圖2 (75＋135+75)m 主橋有限元模型

圖3 (75＋135+75)m 主橋結(jié)構(gòu)離散圖

(1)混凝土彈性模量：該參數(shù)是位移和應(yīng)力計(jì)算的基本條件,直接影響位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)的精度。 混凝土彈性模量的測(cè)試齡期分為3d、7d、14d、28d, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,14d后混凝土強(qiáng)度和彈性模量發(fā)展基本穩(wěn)定,且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,實(shí)測(cè)彈性模型為42.7GPa,比設(shè)計(jì)值35.5GPa 大20%左右。

(2)T 構(gòu)剛度：客運(yùn)專線橋梁的墩柱剛度大,故直接將橋墩簡(jiǎn)化為剛體。 但由于橋墩的剛度與剛體存在一定的誤差, 同時(shí)臨時(shí)固結(jié)措施也無(wú)法保障橋墩與主梁處于理想的固結(jié)狀態(tài),所以需要對(duì)T 構(gòu)的剛度進(jìn)行識(shí)別。 通過(guò)掛籃預(yù)壓試驗(yàn)同步獲取T 構(gòu)的變形量, 則可測(cè)算T 構(gòu)的剛度。 T 構(gòu)剛度的參數(shù)修正可通過(guò)調(diào)整“橋梁博士”邊界條件中轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的彈性系數(shù)實(shí)現(xiàn)。

(3)由于客運(yùn)專線橋梁預(yù)應(yīng)力大、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn),收縮徐變對(duì)成橋的標(biāo)高影響較一般橋梁大。 依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、 混凝土收縮徐變的理論及同類橋梁施工監(jiān)控的取值參考[10],重要參數(shù)取值為：收縮速度系數(shù)0.00625、收縮終極值0.00015、徐變?cè)鲩L(zhǎng)速率0.00556、徐變終極值2.0。

(4)預(yù)應(yīng)力損失：對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),與設(shè)計(jì)值較為接近,相關(guān)數(shù)值誤差在5%內(nèi),僅對(duì)個(gè)別參數(shù)調(diào)整,修正后的波紋管摩阻系數(shù)μ＝0.23,孔道偏差系數(shù)K＝0.0025,鋼束s=松弛預(yù)應(yīng)力損失△＝0.025σk,錨具變形與鋼束回縮值(一端)為12mm。

(4)施工荷載：設(shè)計(jì)施工荷載為1200kN,但各個(gè)施工階段施工荷存在差異,如模板重量逐步減輕,節(jié)段長(zhǎng)度變化、臨時(shí)荷載變化等,因此在各個(gè)施工階段都要對(duì)施工荷載按實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試調(diào)整,以確保模型的精度。

2.2.2 影響因素

根據(jù)相關(guān)研究[2],重點(diǎn)考慮溫度、測(cè)量及節(jié)段重量誤差等因素影響,并采取相應(yīng)措施控制：

(1)溫度對(duì)線形影響非常敏感,是精度控制的重點(diǎn)之一。 通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并考慮其影響以消除溫差造成的偏離[11],同時(shí)各施工階段線形的測(cè)量均安排在溫度較低的時(shí)候進(jìn)行。

(2)采用濾波的方法消除測(cè)量誤差的影響[6],從被污染的數(shù)據(jù)中得到真實(shí)的數(shù)據(jù)。

(3)節(jié)段重量誤差通過(guò)施工中控制模板剛度、混凝土使用量等,確保節(jié)段重量符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別和對(duì)影響因素的分析控制,進(jìn)行計(jì)算模型修正, 并在施工中驗(yàn)證模型的有效性和精度。

3 施工監(jiān)控結(jié)果分析

橋梁施工監(jiān)控首先選擇合適的監(jiān)控方法； 再建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,預(yù)測(cè)立模標(biāo)高；最后在施工過(guò)程中嚴(yán)格按控制方法操作,確保橋梁線形平順,結(jié)構(gòu)受力合理。本文采用自適應(yīng)控制方法, 即采用 “施工→量測(cè)→參數(shù)識(shí)別→分析→修正→預(yù)測(cè)→施工”的監(jiān)控循環(huán),通過(guò)施工過(guò)程中的誤差分析、參數(shù)識(shí)別和模型調(diào)整,消除誤差產(chǎn)生的因素,并通過(guò)下一個(gè)工況的立模標(biāo)高調(diào)整, 盡量消除先前累積的誤差,形成良性循環(huán)。連續(xù)箱梁橋的主梁主要受彎和受剪,故對(duì)主梁進(jìn)行撓度變形和應(yīng)力監(jiān)控, 以撓度變形監(jiān)控為主,并同步監(jiān)控其應(yīng)力(變)的發(fā)展。

3.1 線形控制

3.1.1 確定立模標(biāo)高

主梁的線形控制是通過(guò)準(zhǔn)確提供箱梁每個(gè)節(jié)段的立模標(biāo)高, 該標(biāo)高考慮了前面施工階段出現(xiàn)的誤差進(jìn)行調(diào)整,以確保梁體的線形。 立模標(biāo)高應(yīng)根據(jù)已施工梁體的線形量測(cè)結(jié)果,分析撓度變形誤差產(chǎn)生的相關(guān)因素,并確定調(diào)整方案后給出。

故箱梁立模標(biāo)高理論計(jì)算公式為

式中：Hi為第i 節(jié)段立模標(biāo)高；fi為第i 節(jié)段的設(shè)計(jì)標(biāo)高； fg為掛籃變形量； fyi為第i 節(jié)段的預(yù)拱度； fni為第節(jié)段施工后, 主梁其他節(jié)段施工至成橋?qū)Φ?節(jié)段產(chǎn)生的撓度影響總和。

設(shè)計(jì)高程和預(yù)拱度都可以通過(guò)計(jì)算得到； 掛籃變形量可通過(guò)每個(gè)節(jié)段施工前的預(yù)壓試驗(yàn)獲得, 掛籃變形值基本在1～2cm,隨節(jié)段重量不同而已。 后續(xù)施工至成橋?qū)υ摴?jié)點(diǎn)產(chǎn)生的累計(jì)撓度可通過(guò)建模計(jì)算得到。

3.1.2 測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

中墩(14#、15# 墩)0 號(hào)段上分別設(shè)2 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。 為全面反應(yīng)各施工階段各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高變化, 觀測(cè)有無(wú)出現(xiàn)橫向扭轉(zhuǎn),確保監(jiān)測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證,在每個(gè)施工節(jié)段布置3個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)牢固,在離節(jié)段前端10cm 處、梁體中線和離翼緣板邊緣30cm 處的頂板表面布設(shè),且不影響掛籃的移動(dòng)。 圖4 為箱梁高程監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖4 箱梁高程監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1.3 測(cè)量要求

(1)首先掛籃就位后,根據(jù)控制網(wǎng)用全站儀進(jìn)行各節(jié)段梁體的中線放樣。 隨后根據(jù)梁體節(jié)段的立模標(biāo)高安裝模板,可通過(guò)調(diào)整掛籃前吊桿高度調(diào)整立模標(biāo)高,使得誤差不大于±3mm(高程)和10mm(中軸線位置)。

(2)箱梁每一節(jié)段施工,進(jìn)行六個(gè)工況的高程控制測(cè)量：①立模板后；②澆筑混凝土前；③澆筑混凝土后；④預(yù)應(yīng)力張拉前；⑤預(yù)應(yīng)力張拉后；⑥掛籃移走后。 同時(shí),進(jìn)行兩個(gè)工況的平面中線位置控制測(cè)量：①立模板后；②澆筑混凝土之后。

(3)為避免溫度變化引起影響,選擇清晨6：30(春、冬季)5：00(夏、秋季)以前完成測(cè)量。

(4)合攏段(邊跨、中跨)是線形控制的重點(diǎn)。 需進(jìn)行下列工況控制測(cè)量：①安裝模板前；②合攏混凝土澆筑全過(guò)程；③張拉預(yù)應(yīng)力后；④張拉完所有預(yù)應(yīng)力后。 該橋合攏時(shí)按設(shè)計(jì)采用壓重技術(shù), 施工過(guò)程中整個(gè)合攏段均需進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

3.1.4 成橋線形分析

成橋后,對(duì)全橋的標(biāo)高進(jìn)行了聯(lián)測(cè),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果,將實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論計(jì)算得出的該階段的設(shè)定標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖5 所示。

圖5 成橋梁頂標(biāo)高對(duì)比圖

由圖5 可知, 實(shí)測(cè)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高變化趨勢(shì)基本符合, 大部分測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高與設(shè)計(jì)值的差值在規(guī)范值10mm內(nèi),符合的比較好,線形平順。 全橋聯(lián)測(cè)的252 個(gè)測(cè)點(diǎn)中,共有29 個(gè)測(cè)點(diǎn)誤差超過(guò)10mm,其中18 個(gè)低于設(shè)計(jì)標(biāo)高,11 個(gè)高于設(shè)計(jì)標(biāo)高,最大差值為20mm。 靠近中墩的0 號(hào)至3 號(hào)塊梁段標(biāo)高比設(shè)計(jì)值高, 主橋部分標(biāo)高與設(shè)計(jì)值符合的較好, 邊跨靠近邊墩的現(xiàn)澆梁段標(biāo)高比設(shè)計(jì)值低,且偏差較大。 針對(duì)上述19 個(gè)偏差較大的測(cè)點(diǎn),進(jìn)行了工程處理,使其滿足設(shè)計(jì)的線形。

3.2 應(yīng)力控制

3.2.1 傳感器的選擇與布設(shè)

由于懸澆工期長(zhǎng),現(xiàn)場(chǎng)邊施工、邊測(cè)量,密封絕緣要求高,選用量程大、精度高、零漂小,且自身防護(hù)破損的能力好,便于長(zhǎng)期觀測(cè)和溫度修正的埋入式鋼弦應(yīng)變傳感器。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)控制截面應(yīng)力, 監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中的主梁控制截面應(yīng)力是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi), 及預(yù)應(yīng)力張拉和錨固等工況下截面應(yīng)力的變化情況。 根據(jù)連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇關(guān)鍵截面如圖6 所示。 在各關(guān)鍵截面的底板和頂板布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn),如圖7 所示,即頂板測(cè)點(diǎn)布設(shè)在最上層鋼筋下方, 底板測(cè)點(diǎn)布設(shè)在最下層鋼筋上方,所有測(cè)點(diǎn)的傳感器均沿縱向放置并與縱向主筋牢固連接,防止混凝土澆筑振搗造成傳感器掉落或損壞。

圖6 應(yīng)變計(jì)縱橋向布置圖

圖7 應(yīng)變計(jì)橫斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2.2 測(cè)量要求

(1)安裝前應(yīng)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性和零漂等性能進(jìn)行檢驗(yàn),選用讀數(shù)穩(wěn)定,抗干擾強(qiáng)的傳感器。

(2)應(yīng)力的測(cè)量工況為：節(jié)段施工完成掛籃移動(dòng)前、邊跨合攏并張拉預(yù)應(yīng)后、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、中跨合攏并張拉預(yù)應(yīng)力后、全橋張拉預(yù)應(yīng)力后等。

3.2.3 各階段主梁截面應(yīng)力分析

將測(cè)到的應(yīng)變數(shù)據(jù)處理后與理論計(jì)算值相對(duì)比,可得1-1、3-3 兩個(gè)截面相關(guān)工況的應(yīng)力對(duì)比結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 中的工況1-8 分別為9 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,12 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,15 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,邊跨合攏和中跨合攏8 個(gè)工況。實(shí)測(cè)應(yīng)力均值為A、B 兩點(diǎn)應(yīng)力的均值或C、D 兩點(diǎn)應(yīng)力的均值。 由圖8 可知,大部分工況的實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力差值小于0.1MPa,即相差不大于3%,且實(shí)測(cè)應(yīng)力小于理論應(yīng)力值,變化規(guī)律一致,結(jié)果符合的較好。

圖8 1-1 截面實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力對(duì)比圖

圖9 3-3 截面實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力對(duì)比圖

圖9 中的工況1-10 分別為3 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,8 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,13 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,16 號(hào)節(jié)段澆筑、張拉,邊跨合攏和中跨合攏10 個(gè)工況。 實(shí)測(cè)應(yīng)力均值為A、B 兩點(diǎn)應(yīng)力的均值或C、D 兩點(diǎn)應(yīng)力的均值。由圖9 可見(jiàn),實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力差值小于0.2MPa, 即相差不大于3%,且實(shí)側(cè)應(yīng)力小于理論應(yīng)力值,變化規(guī)律一致,結(jié)果符合的較好。 底板實(shí)際應(yīng)力與理論值相比偏大較多,但是隨著施工進(jìn)展,底板實(shí)際應(yīng)力逐漸接近理論值。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)施工監(jiān)控,該客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋順利合攏,合攏相對(duì)高差小于15mm,主梁軸線偏位小于10mm,橋梁線形平順,實(shí)測(cè)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高高差基本在10mm 之內(nèi),處理后均能滿足規(guī)范要求[12]；應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論設(shè)計(jì)值誤差較小,變化規(guī)律相似,成橋的應(yīng)力分布符合設(shè)計(jì)預(yù)期。此外,國(guó)道在施工期間正常運(yùn)營(yíng),未發(fā)生任何安全事故。

(2)橋梁線形在中墩及邊墩附近個(gè)別測(cè)點(diǎn)誤差超過(guò)規(guī)范值。 中墩0 號(hào)段附近標(biāo)高偏差較大,主要由于混凝土彈性模量、T 構(gòu)剛度修正不及時(shí), 混凝土收縮徐變修正不到位,掛籃的變形量比預(yù)壓變形量大等原因引起的；極個(gè)別測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大的負(fù)誤差值, 主要由于施工中掛籃吊帶鏍帽松動(dòng)、墊塊受損壞等原因造成的。邊墩現(xiàn)澆段標(biāo)高偏差較大,且普遍偏低,這是由于對(duì)支架的變形量及基礎(chǔ)沉降量考慮不足,澆筑混凝土后的荷載是持續(xù)存在,與預(yù)壓試驗(yàn)尚有區(qū)別,施工中應(yīng)充分予以考慮。

(3)對(duì)客運(yùn)專線橋梁,活載大、結(jié)構(gòu)剛度高、預(yù)應(yīng)力大、平順度要求高, 數(shù)值模型要做好設(shè)計(jì)參數(shù)的修正和因素的考慮,特別是混凝土彈性模型和收縮徐變的修正。 施工過(guò)程中要提高立模標(biāo)高、混凝土澆筑控制、預(yù)應(yīng)力張拉控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精度； 經(jīng)常對(duì)掛籃和模板的剛度進(jìn)行校核,確保掛籃的變形量處在控制范圍。 施工后要做好主梁的養(yǎng)護(hù)工作,保持合理的溫度和濕度。

(4)對(duì)梁高、重量大,預(yù)應(yīng)力大的橋梁,其立模標(biāo)高應(yīng)按“寧高勿低”的原則[13],在計(jì)算的立模標(biāo)高上多考慮一定的沉降量,以抵消后期混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失等引起的下?lián)稀?/p>