西郊大橋懸臂澆筑施工線形及應(yīng)力控制

吳雨航， 王景春， 王利軍， 牛 星， 饒晨捷

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司，北京 100032)

吳雨航，王景春，王利軍，等.西郊大橋懸臂澆筑施工線形及應(yīng)力控制[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2022,35(1):26-31.

1 工程概況

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

西郊大橋位于陽泉市平定縣石門口鄉(xiāng)南向村西約50 m處，上跨G20太舊高速以及G307。橋梁全長910 m，第二聯(lián)為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，孔跨布置為47 m+88 m+47 m，如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)采用直腹板單箱三室箱梁，箱梁頂寬24.5 m，底寬21.5 m，合龍段處箱梁中心高度2.5 m，頂板厚0.3 m、底板厚0.3 m；0號塊中心高度為5.5 m，頂板厚0.5 m，底板厚0.8 m，梁高及底板厚度均按1.8次曲線由跨中向0#塊根部變化。本橋2個T構(gòu)對稱懸臂澆筑施工，每個T構(gòu)有11個懸澆段，0#塊長10 m，1#～6#梁段長3 m，7#梁段長3.5 m，8#～11#梁端長4 m，邊跨現(xiàn)澆段4.5 m，中跨合龍段3 m。15#墩懸臂施工階段劃分如圖2所示。

圖2 西郊大橋施工節(jié)段劃分(單位：cm)

本橋采用先邊跨后中跨的合龍方案，施工至最大懸臂階段后，利用掛籃和托架立模澆筑邊跨現(xiàn)澆段，張拉預(yù)應(yīng)力，完成邊跨合龍，然后安裝中跨合龍段吊桿及剛性支撐進行中跨合龍。該施工方案能夠優(yōu)化主梁受力與變形，可降低控制風險[1]。

2 監(jiān)控體系建立

橋梁施工控制包括結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，目的是為了確保各階段實測值與理論值吻合，施工完工時橋梁能夠達到理想的狀態(tài)[2-4]。但在實際施工過程中，理論值與實測值往往存在偏差，造成這種情況的主要原因是結(jié)構(gòu)理論計算中的設(shè)計參數(shù)與實際不一致，因此需適時根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行參數(shù)識別、誤差修正、模型更新調(diào)整，保證結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力誤差在一個合理的范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。根據(jù)國內(nèi)外橋梁施工監(jiān)控研究和實踐，建立西郊大橋連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控體系，如圖3所示[5-7]。該系統(tǒng)中包括建立理論值數(shù)據(jù)庫、實測值數(shù)據(jù)庫、誤差分析、參數(shù)辨識、參數(shù)修正等主要內(nèi)容。

圖3 西郊大橋監(jiān)控系統(tǒng)

3 有限元模型建立

圖4 西郊大橋有限元模型

利用有限元軟件Midas Civil對西郊大橋進行仿真分析，研究各施工階段主梁的內(nèi)力和變形。采用梁單元模擬主梁和橋墩，全橋共計205個節(jié)點，198個單元。15#橋墩和16#橋墩采用固定支座與地面連接，橋墩與上部結(jié)構(gòu)采用剛性連接進行墩梁固結(jié)模擬，邊跨現(xiàn)澆段采用受壓的彈性連接進行模擬。將全橋施工過程分成了 28 個計算階段，全橋數(shù)值分析模型如圖4所示。

4 敏感性分析

橋梁施工控制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不同參數(shù)對同一座橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)的影響程度是不同的，同一參數(shù)對不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系的影響也不同，因此，必須對橋梁參數(shù)進行敏感性分析[8-9]，根據(jù)參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)影響程度大小確定出主要狀態(tài)參數(shù)和次要狀態(tài)參數(shù)，從而在施工過程加強主要狀態(tài)

參數(shù)的監(jiān)測和控制。本文重點分析8個參數(shù)，分別是混凝土容重、彈性模量、收縮徐變、錨下張拉控制應(yīng)力、管道摩阻、管道偏差、整體溫差、局部溫差[10-11]對橋梁結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的影響。

分析時，首先根據(jù)橋梁圖紙、規(guī)范等施工資料選取各參數(shù)基準值，對橋梁施工過程進行數(shù)值模擬分析，計算此基準狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上將各參數(shù)分別單獨變化±10%，重新進行有限元模擬分析，計算成橋狀態(tài)主梁撓度和應(yīng)力與基準狀態(tài)下最大差值百分比絕對值。計算結(jié)果如表1所示。

表1 參數(shù)變化對橋梁成橋狀態(tài)影響

由計算結(jié)果知，成橋階段，主梁線形對錨下張拉控制應(yīng)力最為敏感，其次是混凝土容重、整體溫差、局部溫差和混凝土收縮徐變。局部溫差對主梁應(yīng)力影響最大，其次是錨下張拉控制應(yīng)力、混凝土收縮徐變、混凝土容重和整體溫差。因此，錨下張拉控制應(yīng)力、溫度場變化、混凝土容重和混凝土收縮徐變?yōu)橹饕獱顟B(tài)參數(shù)，應(yīng)加強其在施工過程中的控制，適時根據(jù)實測標高和應(yīng)力反饋進行參數(shù)修正，更新橋梁數(shù)值分析模型。

5 施工監(jiān)控實施

5.1 線形監(jiān)控

線形控制主要是嚴格控制箱梁各截面的縱向撓度和橫向偏差。當出現(xiàn)偏差且誤差可調(diào)整時，立即進行校正分析并制定方案，為下一梁段更準確施工做好準備。立模標高的控制是線形監(jiān)控的重難點，計算時需考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、混凝土收縮徐變、溫度場變化、施工臨時荷載等諸多因素的影響，因此橋梁施工時需設(shè)有一定的預(yù)拱度。根據(jù)實踐經(jīng)驗及以往研究成果，立模標高計算公式如下[12]

(1)

(2)

圖5 懸澆段預(yù)設(shè)撓度

圖6 線形控制測點

箱梁各節(jié)段高程測點布置如圖6所示，為保證線形控制精度，每一懸臂澆筑施工節(jié)段測量4個工況，即調(diào)整掛籃模板、澆筑混凝土后、張拉預(yù)應(yīng)力后及掛籃移動后。控制誤差參照現(xiàn)行公路相關(guān)規(guī)范和本橋施工監(jiān)控方案。截至目前，全橋合龍完成，尚未鋪裝二期恒載。施工至最大懸臂階段時，中跨、邊跨合龍口底板高程差和箱梁軸心橫向偏差如表 2 所示。由表2知，合龍口兩側(cè)相對高差最大 12 mm，橫向偏差控制在8 mm內(nèi)，合龍精度較高，滿足監(jiān)控要求。橋梁合龍后，對橋梁裸梁進行聯(lián)測，橋面測點A、B、C實際標高如圖7所示，各測點與理論標高差值如圖8所示。由圖7知，各測點走勢一致，未出現(xiàn)標高突變點，線形較為平順。由圖8知，成橋狀態(tài)橋面測點標高誤差在-15～15 mm，線形控制效果較好，滿足設(shè)計要求。

表2 合龍口誤差 mm

圖7 橋梁合龍后橋面測點標高

圖8 各測點誤差

5.2 應(yīng)力監(jiān)控

圖9 應(yīng)力測點布置

進行應(yīng)力監(jiān)控時需在綁扎鋼筋后混凝土澆筑前預(yù)埋傳感器，通過測試傳感器應(yīng)變大小及混凝土實際彈模量，根據(jù)公式σ=εE計算出實際應(yīng)力，并與有限元計算得到的最不利應(yīng)力理論值進行對比。本橋選取了0#塊兩側(cè)截面、L/2截面、L/4截面、邊跨合龍段及中跨合龍段共計11個控制截面，每個截面布置8個傳感器，如圖9所示，全橋共布置88個傳感器。每一懸臂澆筑施工節(jié)段均測量4個工況，即傳感器綁扎完成、澆筑混凝土后、張拉預(yù)應(yīng)力后及掛籃移動后。以15#墩0#塊右側(cè)截面位置為例分析西郊大橋中跨合龍后截面應(yīng)力，結(jié)果如圖10所示，頂板誤差和底板誤差如圖11所示。由圖10知，實測應(yīng)力值與理論應(yīng)力值走勢基本一致，頂板實測壓應(yīng)力最大14.27 MPa，底板實測壓應(yīng)力最大4.78 MPa，最大拉應(yīng)力0.26 MPa。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，本橋混凝土壓應(yīng)力滿足σcc′≤0.7fck′=22.68 MPa，拉應(yīng)力滿足σct′≤0.7ftk′=1.85 MPa。由圖11知，最大誤差控制在0.5 MPa，應(yīng)力誤差較小。監(jiān)控結(jié)果表明，西郊大橋施工安全，未出現(xiàn)異常情況。

圖10 15#墩0#塊截面應(yīng)力對比

圖11 頂板底板應(yīng)力誤差

6 結(jié)論

(1) 懸臂澆筑過程中，錨下張拉控制應(yīng)力、溫度場變化、混凝土容重及混凝土收縮徐變等參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力影響較大，其他因素影響較小。需要注意的是，外部因素溫度場變化的影響可通過人為控制測試時間避開或減小，監(jiān)控過程中應(yīng)重點關(guān)注其余3個影響較大的參數(shù)，適時修正，更新計算模型，確保施工過程中結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力與理論計算值吻合。

(2) 橋梁最大懸臂狀態(tài)合龍口兩側(cè)底板高程差最大12 mm，平面偏差最大8 mm，全橋合龍后橋面高程誤差-15～15 mm，橋梁幾何線形平順；主梁實測應(yīng)力與理論計算規(guī)律基本一致且滿足規(guī)范要求，誤差控制在了0.5 MPa。施工監(jiān)控結(jié)果表明，基于本文建立的施工監(jiān)控體系，西郊大橋線形和應(yīng)力滿足規(guī)范和設(shè)計要求，相關(guān)分析可為同類型公路橋施工監(jiān)控提供參考。