山區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋線形分析與控制

聞 超

(長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大跨徑橋梁日漸增多。而連續(xù)剛構(gòu)橋由于跨越能力大、抗震能力強、整體性好、伸縮縫少、行車平順等優(yōu)點，能夠較好地克服山區(qū)復(fù)雜的地形條件限制，成為山區(qū)高速公路采用較多的一種大跨橋梁結(jié)構(gòu)。

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工時一般采用掛籃懸臂對稱節(jié)段澆筑施工。由于跨徑較大、節(jié)段較多，連續(xù)剛構(gòu)橋施工要經(jīng)過長時間的懸臂施工及復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換，在節(jié)段懸臂施工過程中，截面尺寸、材料參數(shù)、混凝土容重、彈性模量、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、溫度變化、掛籃變形、臨時荷載等多種因素均會對主梁線形產(chǎn)生一定的影響，若這些影響未能及時有效地消除，就會導(dǎo)致實際線形與理論線形產(chǎn)生較大差異，最終影響橋梁的順利合龍。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過程中，對主梁線形進行合理的分析與控制，是至關(guān)重要的。文章以貴州山區(qū)平永河特大橋為工程背景，對剛構(gòu)橋施工過程中的主梁線形進行分析與控制。

1 工程概況

貴州平永河特大橋是貴州山區(qū)高速公路上一個控制性工程，上部結(jié)構(gòu)采用主橋橋跨布置為(88+160+88)m的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)。箱梁截面采用單箱單室直腹板形式，頂板寬1 225 cm，底板寬625 cm。箱梁根部梁高970 cm，跨中及邊跨合龍段梁高400 cm，箱梁底板上緣及下緣均按1.8次拋物線變化。箱梁底板厚度從中墩根部125 cm9 漸變到跨中35 cm；箱梁頂板厚28 cm。箱梁腹板厚從70 cm過渡到50 cm。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺，1、2號墩采用空心薄壁墩(1#主墩墩高48 m，2#主墩墩高49 m)墩臺采用樁基礎(chǔ)。

箱梁橫橋向底板保持水平，頂板橫坡，由腹板高度的變化形成，橫坡-3.00%～2.67%。箱梁共分21個節(jié)段，其中1～19節(jié)段掛籃懸臂澆筑，20(20’)節(jié)段為中、邊跨合龍段，21’節(jié)段為邊跨支架現(xiàn)澆段。

2 有限元模型仿真計算

橋梁施工監(jiān)控的首要工作就是計算所監(jiān)控橋梁的理論應(yīng)力、位移等，以保證橋梁在施工過程中的科學(xué)性。本文采用大型有限元分析軟件Midas civil/2015進行仿真計算，并根據(jù)現(xiàn)場實測的主要參數(shù)(如混凝土強度、容重、彈性模量)、施工工序和工藝、臨時施工荷載和掛籃的結(jié)構(gòu)形式等，計算施工過程中各個施工工況下的內(nèi)力及撓度，為橋梁施工監(jiān)控提供理論數(shù)據(jù)。

為真實模擬該橋各個施工階段的變形及受力情況，采用Midas civil/2015將全橋模擬為空間梁單元，全橋共計130個梁單元，141個節(jié)點。該橋采用懸臂澆筑法進行節(jié)段施工，各節(jié)段施工考慮混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、掛籃前移三個工況，共劃分為70個施工階段。在結(jié)構(gòu)計算中，荷載主要考慮：自重、掛籃荷載、施工荷載、預(yù)應(yīng)力、混凝土濕重、收縮徐變、溫度荷載、合龍壓重、頂推力、二期恒載、移動荷載。

3 主梁預(yù)拱度設(shè)置

預(yù)拱度的確定是決定合龍精度和成橋線形的重要一環(huán)。而懸臂澆筑法是一種典型的自架設(shè)體系的施工方法，懸臂澆筑過程中已澆節(jié)段狀態(tài)是無法通過下一節(jié)段進行實時調(diào)整的，故需要采用預(yù)測控制法控制該橋主梁線形。將施工過程中以及運營后期影響主梁線形的因素進行考慮，并對影響主梁線形的誤差進行及時分析修正，最終通過在施工中對各個施工工況施加預(yù)拱度以控制主梁線形。影響主梁預(yù)拱度主要有表1中的幾種因素：

表1 預(yù)拱度影響因素

3.1 掛籃變形控制

掛籃作為懸臂澆筑法的臨時施工平臺，不僅關(guān)乎著施工安全和施工質(zhì)量，也加大了橋梁整體線形的控制難度，因此有必要在懸澆施工前，通過掛籃預(yù)壓試驗檢驗其剛度、強度、穩(wěn)定性，以及消除掛籃的非彈性變形，改善掛籃的工作狀況。該橋取混凝土自重、混凝土振搗荷載及人群機具荷載的1.2倍作為預(yù)壓荷載，分四級加載。測定試驗荷載下掛籃變形值18 mm，各節(jié)段掛籃變形值通過線形內(nèi)插法求得。

3.2 施工預(yù)拱度

施工預(yù)拱度的設(shè)置是為了抵消施工過程中上表中各種因素對主梁線形產(chǎn)生的影響，保證橋梁順利合龍和成橋線形達到理想狀態(tài)。一般在懸臂澆筑前準確確定各施工階段下?lián)现凳谴_定施工預(yù)拱度的關(guān)鍵，施工預(yù)拱度計算至橋面鋪裝即可。該橋施工預(yù)拱度的計算采用絕對撓度法，即各個節(jié)段撓度相互獨立，各個節(jié)段撓度等于本階段施工產(chǎn)生的撓度，后序節(jié)段的施工不受已澆節(jié)段施工誤差的影響，任一節(jié)段的立模都是對先前施工節(jié)段誤差的一個修正。施工預(yù)拱度計算結(jié)果一般通過Midas civil進行正裝計算，逐段累加所得，施工預(yù)拱度圖如圖1所示。

圖1 主梁各節(jié)段施工預(yù)拱度

3.3 成橋預(yù)拱度

在運營階段，橋梁在長期荷載作用下(混凝土收縮徐變、溫度作用、基礎(chǔ)變位、預(yù)應(yīng)力損失)，主梁會產(chǎn)生向下的撓度，如果撓度過大，就會影響行車舒適感，甚至?xí)＜靶熊嚢踩?，目前大多?shù)采用提前設(shè)置成橋預(yù)拱度以解決主梁長期下?lián)系膯栴}。成橋預(yù)拱度一般有三種計算方法：規(guī)范法、經(jīng)驗法、模型法。規(guī)范法即依據(jù)我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》：按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度小于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長期上拱值時，可不設(shè)預(yù)拱度；按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度大于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長期上拱值時，預(yù)拱度值按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度與預(yù)加應(yīng)力長期上拱值之差采用。模型法即依據(jù)有限元軟件計算，考慮成橋后各種因素的影響，導(dǎo)出各梁段結(jié)果數(shù)據(jù)。經(jīng)驗法主要考慮后期混凝土收縮徐變的影響，而混凝土的收縮徐變對橋梁運營期間的影響程度停留在定性認識的基礎(chǔ)上，定量計算公式依然處于研究盲區(qū)；現(xiàn)通常根據(jù)對已建橋梁長期下?lián)狭康难芯?，采用?jīng)驗確定跨中最大預(yù)拱度，按二次拋物線或者余弦曲線向全橋分配。

綜合分析后，本文選取余弦曲線分配法對主梁各節(jié)段成橋預(yù)拱度進行計算：中跨最大預(yù)拱度取1/1 200中跨跨徑與1/2活載撓度之和，邊跨最大預(yù)拱度取1/4中跨最大預(yù)拱度值，然后將各節(jié)段預(yù)拱度按余弦曲線函數(shù)進行計算。限于篇幅，本文僅列舉部分節(jié)段成橋預(yù)拱度計算結(jié)果(見表2)。

表2 1#主墩10#～19#節(jié)段成橋預(yù)拱度 mm

4 主梁線形分析與控制

4.1 立模標高監(jiān)測

立模標高的確定是決定著主梁線形的重要影響因素，是橋梁施工監(jiān)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。立模標高是監(jiān)控單位以各節(jié)段設(shè)計標高為基準，綜合考慮預(yù)拱度以及施工誤差，也是指導(dǎo)梁段施工的一項重要工作。主梁立模標高計算公式為

H立模=H設(shè)計+f預(yù)+f誤差

(1)

立模標高的影響因素比較多，施工誤差的出現(xiàn)也不可避免?？紤]到主梁線形受日照溫度場影響較大，一般在一天中溫度場較為穩(wěn)定的時間段內(nèi)進行調(diào)整立模標高。一般為了保證合龍精度，需將實際立模標高與理論立模標高控制在5 mm以內(nèi)。

4.2 主梁高程控制點監(jiān)測

主梁高程控制點的監(jiān)測的目的是為了真實反映橋梁在建設(shè)過程中各工序前后主梁撓度變化情況，方便將其與理論值進行比較，從而進行誤差分析與調(diào)整。對于懸臂澆筑法施工的橋梁，一般在立模標高確定后，需對正在施工的節(jié)段進行三次觀測：混凝土澆筑前、混凝土澆筑后(預(yù)應(yīng)力張拉前)、預(yù)應(yīng)力張拉后。此外，應(yīng)定期校核墩頂水準點高程、墩身垂直度和基礎(chǔ)沉降。標高觀測要避開高溫時段，使結(jié)構(gòu)大致處于均勻溫度場狀態(tài)下。高程控制點一般設(shè)置在頂、底板距節(jié)段前端10 cm處，每個控制點處布設(shè)一根高出混凝土表面大致3 cm的鋼筋頭，并噴注紅漆標記。限于篇幅，本文僅選取1#主墩部分主梁節(jié)段施工后的底板高程實測值與理論值(見表3)。

表3 1#主墩節(jié)段施工后的底板高程理論值與實測值對比 m

由表3可知：在主梁各節(jié)段懸臂施工過程中，主梁底板高程與理論預(yù)測大致符合。由于越接近最大懸臂狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)位移非線性變化越強烈，箱梁底板高程控制點實測值與理論值差值越大，最大差值為14 mm，符合規(guī)范控制要求(15 mm)。

4.3 成橋結(jié)果分析

通過對主梁預(yù)拱度的準確給定及立模標高及時調(diào)整，使得在橋梁合龍前合龍口兩側(cè)主梁相對高差不大于2 cm，滿足設(shè)計規(guī)范要求的合龍精度。在該橋合龍后對全橋各高程控制點進行通測(詳見圖4)，經(jīng)分析得出：主梁線形流暢平順，與成橋目標吻合較好。

圖4 平永河特大橋成橋后主梁高程線形圖

5 結(jié) 論

本文采用預(yù)測控制法對該橋進行線形分析與控制，得出以下結(jié)論。

(1)線形控制的核心就是考慮各種因素對主梁產(chǎn)生的撓度影響，及時識別修正誤差，從而對懸臂施工中的主梁預(yù)拱度進行控制，使主梁線形控制取得良好效果，保證橋梁合龍精度。

(2)運用有限元計算分析軟件Midas civil對橋梁施工預(yù)拱度進行計算，采用余弦曲線分配法對成橋預(yù)拱度進行設(shè)置，從而保證預(yù)拱度計算的準確性。

(3)監(jiān)控過程中，立模標高精度需控制在5 mm內(nèi)，同時應(yīng)對施工中的節(jié)段高程控制點進行三次觀測，從而能夠?qū)φ`差進行有效的識別分析，為后續(xù)節(jié)段的立模標高提供有效的數(shù)據(jù)，保證主梁實際高程與理論高程相符。

(4)現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果表明：合龍口兩側(cè)相對高程控制在2 cm以內(nèi)，符合監(jiān)控合龍精度；成橋后，主梁線形美觀平順、與目標線形吻合較好。