大跨度非對(duì)稱(chēng)不平衡曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁應(yīng)力監(jiān)控

文／黃錚 上海華東鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司 上海 200071

1、引言

鄭阜高鐵跨泉河（45+75+172+75+45）m 曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁是國(guó)內(nèi)首座五連跨三折線(xiàn)、非對(duì)稱(chēng)不平衡、采用漂浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大跨度曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁，并應(yīng)用了溫度限位器和速度阻尼器等多種新技術(shù)。主跨和兩個(gè)邊跨各為一段直梁，主跨和邊跨之間折角為179°。

橋梁實(shí)景見(jiàn)圖1所示。

圖1 跨泉河（45+75+172+75+45）m 曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁

2、施工應(yīng)力監(jiān)控理論

2.1 施工應(yīng)力監(jiān)控的必要性

設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了施工中可能出現(xiàn)的情況，但由于施工中出現(xiàn)的內(nèi)外因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度影響等)的綜合影響，事先難以精確估計(jì)，而且在實(shí)際施工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，使實(shí)際應(yīng)力監(jiān)控測(cè)量值難以完全與設(shè)計(jì)理論值相一致。如果主梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，會(huì)造成合龍困難或影響成橋后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和線(xiàn)形。特別是拆除主梁支架和懸臂澆筑過(guò)程中，當(dāng)其偏離較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力聚積超限現(xiàn)象，從而使結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生嚴(yán)重的安全質(zhì)量問(wèn)題。因此必須對(duì)應(yīng)力進(jìn)行全程監(jiān)控，依據(jù)監(jiān)測(cè)情況的反饋，來(lái)調(diào)整和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

2.2 施工應(yīng)力監(jiān)控的原理

施工內(nèi)應(yīng)力的監(jiān)控原理是采用一定的檢測(cè)工具（如應(yīng)力元件，應(yīng)力數(shù)據(jù)采集設(shè)備等），對(duì)梁體各節(jié)段施工工況、主梁部分控制斷面的應(yīng)力、結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、環(huán)境氣溫等的監(jiān)測(cè)以及對(duì)混凝土材料的常規(guī)試驗(yàn)。在每一工況結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋后，對(duì)誤差原因進(jìn)行綜合分析，作出判斷，盡量消除造成誤差的原因，為指導(dǎo)下一階段施工提供理論依據(jù)。

2.3 施工應(yīng)力監(jiān)控的目的

應(yīng)力監(jiān)控的目的就是通過(guò)對(duì)工況下梁體應(yīng)力的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的理論分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算作比較，分析橋梁施工誤差狀態(tài)，采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)體系對(duì)各節(jié)段施工狀態(tài)進(jìn)行安全度評(píng)價(jià)和災(zāi)害預(yù)警。

2.4 施工應(yīng)力監(jiān)控的內(nèi)容

對(duì)于本曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁來(lái)說(shuō)，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土連續(xù)梁各節(jié)段的應(yīng)力監(jiān)測(cè)和鋼桁梁拼裝過(guò)程中主要桿件的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，以及成橋后整體橋梁的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，對(duì)各節(jié)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，并與本橋根據(jù)設(shè)計(jì)理論值建立的模型相比較，找出誤差和分析產(chǎn)生的原因。在這一基礎(chǔ)上，為糾偏和指導(dǎo)下一步施工提供依據(jù)，以最終達(dá)到與設(shè)計(jì)值相吻合。

3、計(jì)算模型和監(jiān)控方法

3.1 計(jì)算模型的建立

采用非線(xiàn)性計(jì)算模型。分析模型采用空間模型，采用Midas gen8.36 有限元軟件進(jìn)行分析。

設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程與施工中的計(jì)算過(guò)程并不完全相同，且可能存在著計(jì)算工具和計(jì)算方法的不同。為實(shí)現(xiàn)施工工況與設(shè)計(jì)意圖的一致性，首先要校核現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)的閉合性。如圖3.1所示。

圖3.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)計(jì)算校核

依據(jù)設(shè)計(jì)文件及施工圖等相關(guān)資料，建立施工控制的計(jì)算模型(a)，引用設(shè)計(jì)給出的相關(guān)參數(shù)(B)和設(shè)計(jì)計(jì)算的假定施工時(shí)間(C2)進(jìn)行檢算，校核設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與施工控制計(jì)算結(jié)果，分析兩者在計(jì)算模型(a A)及施工方法模擬(c1 C1)間的實(shí)質(zhì)性差異。只有兩者無(wú)實(shí)質(zhì)性差異的情況下，施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)的實(shí)施才具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)

1.主梁混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置：

全橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為縱向（順橋向）布置，全橋共153 個(gè)埋入式應(yīng)變傳感器。傳感器預(yù)埋截面見(jiàn)圖3.2.1-1。其在每個(gè)截面上的預(yù)埋位置如圖3.2.1-2所示。

圖3.2.1-1 應(yīng)變控制截面示意圖

圖3.2.1-2 主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

2．鋼桁架測(cè)點(diǎn)布置：

上弦桿和大腹桿的交點(diǎn)處布置測(cè)點(diǎn)，桁架為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)位置測(cè)點(diǎn)一樣。在焊接結(jié)構(gòu)連成整體前，確保實(shí)測(cè)的測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)誤差滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙的要求。并在后續(xù)的拼裝過(guò)程中，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)桁架的線(xiàn)形情況。測(cè)點(diǎn)布置如圖3.2.2-1所示。

圖3.2.2-1 鋼桁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試采用JMZX-300X 綜合測(cè)試儀和JMZX-215 智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)對(duì)梁體應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3.2.2-2。

表3.2.2-2 技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

4、施工應(yīng)力控制誤差分析

由于測(cè)試數(shù)據(jù)的不足，且干擾因素較多，對(duì)誤差值的成因分析一直是施工監(jiān)控中的難題，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、跨度較大的橋梁，單靠三維坐標(biāo)位置測(cè)量和結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量還不足以推斷其成因。為實(shí)現(xiàn)深度分析，獲得更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果，需要采取內(nèi)力監(jiān)控的方法。

4.1 結(jié)構(gòu)剛度誤差

橋梁結(jié)構(gòu)剛度誤差產(chǎn)生的主要原因有兩點(diǎn)：首先是混凝土彈性模量的變化，其次是梁體截面尺寸的變化。連續(xù)梁梁體剛度越大，梁體變形越小，預(yù)應(yīng)力束張拉過(guò)程中梁體的變形量越小，由以上可知，梁體結(jié)構(gòu)剛度的誤差對(duì)施工質(zhì)量的危害不大。

4.2 橋面臨時(shí)荷載影響

橋面上施工荷載的影響與混凝土超欠方引起的荷載相似，主要表現(xiàn)為對(duì)梁體產(chǎn)生不平衡彎矩，一類(lèi)為相對(duì)固定的，即短時(shí)間內(nèi)不發(fā)生位移的物體，如壓漿機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)，固定的配電箱，圍欄等；另一類(lèi)相對(duì)隨機(jī)，如作業(yè)人員，移動(dòng)機(jī)具，運(yùn)輸材料的設(shè)備等。

4.3 澆筑混凝土誤差

混凝土澆筑產(chǎn)生的誤差，即混凝土施工中出現(xiàn)超方或欠方的現(xiàn)象，這種誤差是很難避免的，產(chǎn)生的主要原因有以下方面。一是由于安裝模板不夠精確導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的尺寸出現(xiàn)誤差；二是由于施工過(guò)程中模板的變形引起的誤差；三是混凝土的容重變化而引起的誤差?；炷潦┕ぎa(chǎn)生的誤差對(duì)連續(xù)梁施工階段內(nèi)力的影響比較大，尤其是產(chǎn)生不平衡彎矩時(shí)，將影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，因此當(dāng)混凝土誤差超出一定的范圍時(shí)，需要采取配重措施以恢復(fù)其體系的平衡狀態(tài)。

4.4 預(yù)應(yīng)力束張拉力誤差

預(yù)應(yīng)力束的張拉力誤差主要有兩個(gè)原因，一是張拉千斤頂和壓力表等預(yù)應(yīng)力張拉機(jī)具未正確校驗(yàn)，壓力表讀數(shù)產(chǎn)生誤差。二是在張拉過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力損失較大。預(yù)應(yīng)力損失原因如下：①混凝土彈性模量的徐變、壓縮和收縮；②鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力松弛；③混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)，溫差引起的損失；④錨具的滑移和變形；⑤預(yù)應(yīng)力孔道摩阻。三是人為因素，如技術(shù)人員計(jì)算的方法和計(jì)算的精確度，張拉工操作的熟練程度等。

預(yù)應(yīng)力不足會(huì)影響結(jié)構(gòu)的剛度、易使主梁混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致承載力下降，甚至結(jié)構(gòu)破壞，無(wú)法正常使用。對(duì)照預(yù)應(yīng)力束張拉力誤差產(chǎn)生原因，采取如下方法消除預(yù)應(yīng)力誤差：一是選擇變形小的錨具，采用頂壓措施減少錨具內(nèi)縮；二是加強(qiáng)混凝土原材的選擇和澆筑、養(yǎng)護(hù)的控制，并推遲預(yù)加應(yīng)力齡期；三是加強(qiáng)張拉順序和張拉過(guò)程的控制，標(biāo)定、檢查油泵、油表、油管及千斤頂，避免張拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致較大的預(yù)應(yīng)力損失；四是作業(yè)時(shí)，檢查、疏通孔道，減少孔道摩阻。

4.5 環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)溫度的影響

溫度及其變化對(duì)結(jié)構(gòu)施工是有影響的，外界環(huán)境溫度是持續(xù)變化的，同時(shí)結(jié)構(gòu)各部分的溫度也是不一樣的。通常在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將溫度及其變化作為修正因素，而不是把溫度因素當(dāng)作一個(gè)工況考慮。由于結(jié)構(gòu)溫度的量測(cè)比較困難，通常只量測(cè)環(huán)境溫度。

4.6 鋼桁架安裝誤差

為了減少鋼桁安裝對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差，鋼桁采用工廠(chǎng)預(yù)制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式，但是制造和安裝產(chǎn)生的誤差仍然無(wú)法避免。

鋼桁結(jié)構(gòu)是采用節(jié)點(diǎn)板連接兩相鄰的桿件單元，桿件在工廠(chǎng)中加工會(huì)存在誤差，預(yù)埋在梁體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)板受施工因素的影響也會(huì)存在誤差，桿件和節(jié)點(diǎn)板在吊裝連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差積累，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)板的孔位中心與高強(qiáng)螺栓的中心不能重合，其次節(jié)點(diǎn)板和桿件沒(méi)有完全接觸或接觸不夠均勻也會(huì)產(chǎn)生安裝誤差，這類(lèi)在拼裝過(guò)程中才產(chǎn)生的誤差定義為安裝誤差。因此必須考慮安裝誤差對(duì)鋼桁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

5、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析

為更好地掌握梁體的內(nèi)力變化情況，在施工過(guò)程中及時(shí)對(duì)各節(jié)段進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，以保證結(jié)構(gòu)的受力始終處于安全的范圍內(nèi)，保證成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力與設(shè)計(jì)要求相吻合。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析如下：

由圖5-1 和圖5-2 可知，560#主墩節(jié)段懸澆施工過(guò)程和合龍后，橋梁內(nèi)力的變化趨勢(shì)與理論相符，變化范圍在理論計(jì)算范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。另一主墩559#墩內(nèi)力變化情況亦符合設(shè)計(jì)要求，在此不再贅述。

圖5-1 560# 墩主跨節(jié)段施工應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖5-2 560# 墩邊跨節(jié)段施工應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖5-3 應(yīng)力理論值變化曲線(xiàn)

圖5-4 應(yīng)力實(shí)際值變化曲線(xiàn)

由以上兩圖可知，應(yīng)力監(jiān)控技術(shù)在施工中的應(yīng)用，很好地控制了非對(duì)稱(chēng)不平衡曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁各節(jié)段的施工內(nèi)力；采用施工前建模和理論分析，施工中對(duì)各預(yù)埋觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)施工中梁體實(shí)際內(nèi)力變化與建模和理論分析的對(duì)比，及時(shí)調(diào)整誤差，達(dá)到了較好的控制該類(lèi)橋梁施工質(zhì)量的目的，對(duì)于類(lèi)似結(jié)構(gòu)的橋梁施工具有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。

6、成橋后梁體的內(nèi)力狀態(tài)分析

成橋后主梁關(guān)鍵截面實(shí)際應(yīng)力值與理論計(jì)算相符合，主梁全部合龍完成體系轉(zhuǎn)換之后，結(jié)構(gòu)整體受力比較均勻，結(jié)構(gòu)處于安全范圍之內(nèi)。