大跨度非對稱不平衡曲弦鋼桁加勁 連續(xù)梁應(yīng)力監(jiān)控

黃錚

【摘要】新建鄭州到阜陽高速鐵路跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土+鋼桁結(jié)構(gòu)。橋梁在施工過程中各節(jié)段的受力狀態(tài)以及成橋后全橋受力狀況是否符合設(shè)計要求，是通過對橋梁應(yīng)變監(jiān)控和應(yīng)力監(jiān)測成果來判斷的。

【關(guān)鍵詞】連續(xù)梁;非對稱不平衡;鋼桁

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.02.053

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)梁是國內(nèi)首座五連跨三折線、非對稱不平衡、采用漂浮結(jié)構(gòu)設(shè)計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)。主跨和兩個邊跨各為一段直梁，主跨和邊跨之間折角為179°。

橋梁實景見圖1所示。

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)計時已經(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，而且在實際施工過程中產(chǎn)生的誤差，使實際應(yīng)力監(jiān)控測量值難以完全與設(shè)計理論值相一致。如果主梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏離設(shè)計值時，會造成合龍困難或影響成橋后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和線形。特別是拆除主梁支架和懸臂澆筑過程中，當(dāng)其偏離較大時，會出現(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)量問題。因此必須對應(yīng)力進(jìn)行全程監(jiān)控，依據(jù)監(jiān)測情況的反饋，來調(diào)整和指導(dǎo)現(xiàn)場作業(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工具（如應(yīng)力元件，應(yīng)力數(shù)據(jù)采集設(shè)備等），對梁體各節(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、環(huán)境氣溫等的監(jiān)測以及對混凝土材料的常規(guī)試驗。在每一工況結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋后，對誤差原因進(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)控的目的就是通過對工況下梁體應(yīng)力的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的理論分析和結(jié)構(gòu)驗算作比較，分析橋梁施工誤差狀態(tài)，采用應(yīng)力監(jiān)測體系對各節(jié)段施工狀態(tài)進(jìn)行安全度評價和災(zāi)害預(yù)警。

2.4 施工應(yīng)力監(jiān)控的內(nèi)容

對于本曲弦鋼桁加勁連續(xù)梁來說，主要通過現(xiàn)場對混凝土連續(xù)梁各節(jié)段的應(yīng)力監(jiān)測和鋼桁梁拼裝過程中主要桿件的應(yīng)力監(jiān)測，以及成橋后整體橋梁的各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測，對各節(jié)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，并與本橋根據(jù)設(shè)計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)計值相吻合。

3、計算模型和監(jiān)控方法

3.1 計算模型的建立

采用非線性計算模型。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)計的計算過程與施工中的計算過程并不完全相同，且可能存在著計算工具和計算方法的不同。為實現(xiàn)施工工況與設(shè)計意圖的一致性，首先要校核現(xiàn)場監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計理論計算數(shù)據(jù)的閉合性。如圖3.1所示。

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

3.2? 梁的應(yīng)力監(jiān)測

1.主梁混凝土應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)布置：

全橋監(jiān)測點(diǎn)均為縱向（順橋向）布置，全橋共153個埋入式應(yīng)變傳感器。傳感器預(yù)埋截面見圖3.2.1-1。其在每個截面上的預(yù)埋位置如圖3.2.1-2所示。

2.鋼桁架測點(diǎn)布置：

上弦桿和大腹桿的交點(diǎn)處布置測點(diǎn)，桁架為對稱結(jié)構(gòu)，對稱位置測點(diǎn)一樣。在焊接結(jié)構(gòu)連成整體前，確保實測的測點(diǎn)三維坐標(biāo)誤差滿足規(guī)范及設(shè)計圖紙的要求。并在后續(xù)的拼裝過程中，監(jiān)測測點(diǎn)的三維坐標(biāo)來監(jiān)測桁架的線形情況。測點(diǎn)布置如圖3.2.2-1所示。

測試采用JMZX-300X綜合測試儀和JMZX-215智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計對梁體應(yīng)力進(jìn)行檢測，技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表3.2.2-2。

4、施工應(yīng)力控制誤差分析

由于測試數(shù)據(jù)的不足，且干擾因素較多，對誤差值的成因分析一直是施工監(jiān)控中的難題，尤其對結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、跨度較大的橋梁，單靠三維坐標(biāo)位置測量和結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量還不足以推斷其成因。為實現(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)剛度的誤差對施工質(zhì)量的危害不大。

4.2橋面臨時荷載影響

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)為對梁體產(chǎn)生不平衡彎矩，一類為相對固定的，即短時間內(nèi)不發(fā)生位移的物體，如壓漿機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)，固定的配電箱，圍欄等;另一類相對隨機(jī)，如作業(yè)人員，移動機(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，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，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，壓力表讀數(shù)產(chǎn)生誤差。二是在張拉過程中，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鋼絞線預(yù)應(yīng)力松弛;③混凝土養(yǎng)護(hù)時，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)人員計算的方法和計算的精確度，張拉工操作的熟練程度等。

預(yù)應(yīng)力不足會影響結(jié)構(gòu)的剛度、易使主梁混凝土開裂導(dǎo)致承載力下降，甚至結(jié)構(gòu)破壞，無法正常使用。對照預(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)力過大導(dǎo)致較大的預(yù)應(yīng)力損失;四是作業(yè)時，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，同時結(jié)構(gòu)各部分的溫度也是不一樣的。通常在結(jié)構(gòu)計算時，將溫度及其變化作為修正因素，而不是把溫度因素當(dāng)作一個工況考慮。由于結(jié)構(gòu)溫度的量測比較困難，通常只量測環(huán)境溫度。

4.6鋼桁架安裝誤差

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

鋼桁結(jié)構(gòu)是采用節(jié)點(diǎn)板連接兩相鄰的桿件單元，桿件在工廠中加工會存在誤差，預(yù)埋在梁體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)板受施工因素的影響也會存在誤差，桿件和節(jié)點(diǎn)板在吊裝連接時會產(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)板和桿件沒有完全接觸或接觸不夠均勻也會產(chǎn)生安裝誤差，這類在拼裝過程中才產(chǎn)生的誤差定義為安裝誤差。因此必須考慮安裝誤差對鋼桁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

5、實測數(shù)據(jù)與理論分析

為更好地掌握梁體的內(nèi)力變化情況，在施工過程中及時對各節(jié)段進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測，并與理論計算進(jìn)行對比分析，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)計要求相吻合。實測數(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)段懸澆施工過程和合龍后，橋梁內(nèi)力的變化趨勢與理論相符，變化范圍在理論計算范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。另一主墩559#墩內(nèi)力變化情況亦符合設(shè)計要求，在此不再贅述。

由以上兩圖可知，應(yīng)力監(jiān)控技術(shù)在施工中的應(yīng)用，很好地控制了非對稱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，施工中對各預(yù)埋觀測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過施工中梁體實際內(nèi)力變化與建模和理論分析的對比，及時調(diào)整誤差，達(dá)到了較好的控制該類橋梁施工質(zhì)量的目的，對于類似結(jié)構(gòu)的橋梁施工具有一定的借鑒意義和參考價值。

6、成橋后梁體的內(nèi)力狀態(tài)分析

成橋后主梁關(guān)鍵截面實際應(yīng)力值與理論計算相符合，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)。

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