大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工控制研究

閆強(qiáng)強(qiáng)

（阜陽交通能源投資有限公司，安徽 阜陽 236000）

0 引言

隨著我國公路交通事業(yè)的不斷發(fā)展，大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的重要性愈發(fā)明顯，其跨徑一般在60～150m，在地形、地貌、水文環(huán)境等較為復(fù)雜的區(qū)域得到了大規(guī)模應(yīng)用。該橋梁結(jié)構(gòu)具備變形小、受力性能好、后續(xù)養(yǎng)護(hù)工程量小的優(yōu)點(diǎn)，且在外觀上能夠具備較多的設(shè)計(jì)類型。考慮到連續(xù)梁橋多采取懸臂法進(jìn)行施工，施工過程中極容易出現(xiàn)外界環(huán)境影響下的線形變化。施工階段線形控制技術(shù)直接決定了成橋內(nèi)力及撓度是否滿足設(shè)計(jì)要求，為確保大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋施工結(jié)束后的良好質(zhì)量，需要構(gòu)建實(shí)施有效的施工控制方法，繼而為橋梁發(fā)展提供重要的支撐。

1 線形控制影響因素

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

材料彈性模量和強(qiáng)度往往隨著時(shí)間的變化而變化，彈性模量對(duì)橋梁超靜定結(jié)構(gòu)的施工線形控制至關(guān)重要，直接決定了橋梁體系的變形和剛度；混凝土容重一般選取為26kN/m3，但是在施工過程中，混凝土容重往往是動(dòng)態(tài)變化的，混凝土配比及集料、配筋差異都會(huì)造成容重的變化；預(yù)拉應(yīng)力對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力控制極其重要，如預(yù)應(yīng)力鋼筋尺寸、張拉設(shè)備、管道摩擦力等因素會(huì)對(duì)預(yù)應(yīng)力造成影響；掛籃荷載在一些大跨徑連續(xù)梁橋中往往達(dá)到了數(shù)百噸，掛籃重量及位置的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于線形控制十分重要[1]。

1.2 溫度的變化

溫度的變化極容易導(dǎo)致主梁施工中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，溫度影響主要表現(xiàn)在年溫差、局部溫差兩個(gè)方面，具備較大的不確定性。施工中進(jìn)行溫度控制往往較為困難，監(jiān)控方案設(shè)計(jì)需要對(duì)不同結(jié)構(gòu)的階段性溫度影響進(jìn)行敏感性分析，繼而依據(jù)溫度－變形相關(guān)關(guān)系開展模型修正工作。

1.3 混凝土收縮徐變

作為典型的收縮徐變敏感性結(jié)構(gòu)，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的收縮徐變效應(yīng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的撓度變形影響極大，這主要是梁橋不同階段施工中存在混凝土齡期相差較大、加載齡期小的情況，施工階段采取符合實(shí)際的徐變參數(shù)預(yù)測(cè)模型十分必要。

2 工程概況

阜陽市某大橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，跨徑為95m+170m+95m，其中主梁結(jié)構(gòu)采取單箱單室截面形式，箱梁底板寬度為6m，頂板寬度為9m。箱梁邊跨、跨中段現(xiàn)澆梁高度達(dá)到了4.5m，箱梁根部斷面高度為14m；橋梁主墩高度為90m，橋墩主要采取鋼筋混凝土空心墩形式，橋墩基礎(chǔ)由直徑3m 的12 根鉆孔灌注樁形成。該橋梁體采取掛籃懸臂施工，墩身采取滑模施工，高空動(dòng)態(tài)作業(yè)，施工階段對(duì)梁體及墩身的精度要求較高。橋梁立面布置示意圖如圖1所示。

圖1 橋梁布置圖（單位：cm）

3 施工控制技術(shù)

常用的施工控制技術(shù)有預(yù)測(cè)控制法、線性回歸分析法、自適應(yīng)性控制法。預(yù)測(cè)控制法需要依據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)對(duì)施工不同環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是預(yù)測(cè)過程中往往受到較大的外界影響，應(yīng)用于下一階段中存在較大誤差，該方法具備較大局限性；線性回歸分析法則需要對(duì)懸臂長度、懸臂質(zhì)量、懸臂梁撓度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行線性數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，具備較大的實(shí)施安全性，但是施工過程較為繁瑣。因此，項(xiàng)目采取自適應(yīng)施工技術(shù)對(duì)該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁進(jìn)行施工控制。該方法需要在橋梁施工階段對(duì)影響因素進(jìn)行有效識(shí)別，并且應(yīng)用于下一過程的分析中，循環(huán)多次的識(shí)別分析能夠促使實(shí)測(cè)結(jié)果、計(jì)算結(jié)果之間相互吻合，使得橋梁計(jì)算分析模型具備更好的應(yīng)用可靠性，模型的規(guī)律也能夠表現(xiàn)出橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，弱化模型分析計(jì)算時(shí)的偏差，據(jù)此再開展實(shí)際結(jié)構(gòu)的誤差調(diào)整[2]。

3.1 梁塊施工

梁橋采取懸臂法施工，施工過程中對(duì)中跨、邊跨（2、3 號(hào)墩）劃分為18 塊梁段，施工至最大懸臂梁段時(shí)，需要采取先邊跨后中跨的合龍方式。項(xiàng)目3號(hào)墩的0 號(hào)梁塊施工長度控制在13m；1~4 號(hào)梁塊控制總長度為14m；5~10 號(hào)梁塊總長度控制為24m；11~18 號(hào)梁塊總長度40m。中跨合龍段長度則為2m，邊塊現(xiàn)澆及合龍段長度分別為2m。梁橋懸臂施工中需要控制內(nèi)力及線形狀態(tài)，現(xiàn)場采取控制立模標(biāo)高的形式來調(diào)整未施工梁塊殘余誤差，避免誤差過大造成的多個(gè)其余梁段的調(diào)整。

3.2 立模標(biāo)高確定

不同梁塊立模標(biāo)高決定了成橋線形是否滿足設(shè)計(jì)要求，立模標(biāo)高需要考慮成橋撓度變形及設(shè)計(jì)標(biāo)高，施工過程中需要進(jìn)行預(yù)拱度設(shè)置來消除撓度變形。梁塊施工標(biāo)高主要和活載、混凝土收縮徐變、掛籃重量、支架自重等因素有關(guān)。梁段的立模標(biāo)高計(jì)算需要包含以下內(nèi)容：梁段設(shè)計(jì)標(biāo)高、梁段自重導(dǎo)致?lián)隙茸兓取⒘憾问┕ひ苿?dòng)荷載及掛籃支架自重導(dǎo)致的撓度變形。

3.3 施工線形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.3.1 主梁測(cè)點(diǎn)

項(xiàng)目主梁測(cè)點(diǎn)布置則主要為2 號(hào)墩0 號(hào)塊的監(jiān)測(cè)點(diǎn)及懸臂梁段監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中測(cè)點(diǎn)布置要求如下：縱橋向梁段截面一般布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，梁段混凝土澆筑前，測(cè)點(diǎn)需要布設(shè)在底部位置，施工完成后則需要提升至頂部位置，測(cè)點(diǎn)提升通過轉(zhuǎn)移鋼筋來實(shí)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)布置方案如圖2所示。主梁線形測(cè)點(diǎn)測(cè)試設(shè)備為高精度水準(zhǔn)儀（精度±5mm），現(xiàn)場測(cè)定梁段施工前后的掛籃標(biāo)高、混凝土澆筑前后梁段高程、預(yù)應(yīng)力施加前后梁段標(biāo)高[3]。

圖2 測(cè)點(diǎn)方案布置示意圖

3.3.2 箱梁頂面標(biāo)高監(jiān)測(cè)

對(duì)于箱梁頂面標(biāo)高測(cè)定，其測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示，現(xiàn)場需要在每個(gè)梁段布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，設(shè)備為高精度水準(zhǔn)儀（精度±5mm），測(cè)定內(nèi)容為梁段混凝土澆筑之后的箱梁頂面標(biāo)高，數(shù)據(jù)獲取之后還需要構(gòu)建和主梁線形標(biāo)高之間的換算關(guān)系。

圖3 箱梁頂面標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.3.3 墩頂水平位移、垂直度監(jiān)測(cè)

墩頂水平位移監(jiān)測(cè)需要在墩頂縱向設(shè)置2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4 所示，測(cè)定儀器為全站儀（精度±5mm），一般在3個(gè)梁段施工之后開展單次測(cè)定；墩頂垂直度測(cè)定則主要在橋墩節(jié)段承臺(tái)四角布置單個(gè)測(cè)點(diǎn)，采取高精度水準(zhǔn)儀（精度±5mm），要求對(duì)混凝土澆筑硬化后、節(jié)段模板移動(dòng)后開展墩頂位移測(cè)定。

圖4 墩頂水平位移測(cè)點(diǎn)布置

4 有限元分析

4.1 模型

項(xiàng)目依據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)及施工進(jìn)度采取Midas Civil 有限元軟件進(jìn)行梁橋模型構(gòu)建，如圖5所示。其中模型包括196 個(gè)單元、225 個(gè)階段，主梁及橋墩主要采取梁單元實(shí)施模擬，邊跨托架采取受壓彈性連接進(jìn)行簡化；模型截面為組合截面類型，支座采取抗扭形式，主梁以下結(jié)構(gòu)則為等截面。模擬過程中不考慮土體承臺(tái)之間的相互作用，只考慮樁土之間的約束，樁基礎(chǔ)邊界采取6個(gè)自由度的固結(jié)處理，以作簡化。

圖5 橋梁有限元模型

4.2 參數(shù)

梁橋單個(gè)懸臂端為一個(gè)箱梁單元，跨徑95m+170m+95m，上部結(jié)構(gòu)總共包括123 個(gè)模擬單元，上部結(jié)構(gòu)的中跨跨中和箱梁根部結(jié)構(gòu)截面以1.5 次的拋物線變化處理；箱梁底板厚度則以1.5 次拋物線變化處理。2、3號(hào)橋墩高度達(dá)到了90m，橋墩高度范圍內(nèi)沿著橫橋向以50：1 的坡比進(jìn)行變化，縱橋向則以80∶1 的坡比進(jìn)行變化；橋墩內(nèi)部設(shè)置了厚度0.5m 的橫隔板，且每個(gè)20m 布置一道，橋墩整體劃分為51 個(gè)單元。主梁及橋墩的材料分別選取為C60、C50 混凝土，橋內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為鋼絞線，其規(guī)格為fpk=1 860MPa，直徑15.24mm。荷載施加模擬如下：施工張拉預(yù)應(yīng)力（1 400MPa）、橋梁自重、懸臂掛籃質(zhì)量1 450kN、滑模質(zhì)量350kN/m，活載設(shè)計(jì)為公路II 級(jí)，人群移動(dòng)荷載為2.5kN/m，鋪裝層梁單元模擬荷載為25kN/m的線荷載[4]。

模擬梁橋施工工序如下：首先開展橋墩施工；其次進(jìn)行主梁段懸臂掛籃施工。橋墩施工后需要構(gòu)建萬能托架，進(jìn)行0號(hào)梁塊的混凝土澆筑，該階段模擬周期為20d，之后進(jìn)行其余梁端的施工，單個(gè)梁段澆筑時(shí)間為6d，掛籃移動(dòng)時(shí)間為2d，混凝土梁橋預(yù)應(yīng)力張拉需要3d，梁段整體施工長達(dá)11d；利用托架對(duì)邊跨現(xiàn)澆段進(jìn)行混凝土澆筑處理，其周期達(dá)到了14d。合龍段的兩塊施工則需要采用水箱壓重處理，邊跨混凝土預(yù)應(yīng)力張拉過程需要在其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的85%以上后，且經(jīng)過5d 的養(yǎng)護(hù)才能夠開展；中跨合龍也需要設(shè)置水箱壓重及懸臂端吊裝，混凝土強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)要求的85%以上時(shí)才能夠進(jìn)行頂板、底板的張拉工作[4]。

5 主梁線形分析

5.1 理論分析

有限元模型施加荷載包括掛籃滑模荷載、梁塊自重。施工人群荷載、預(yù)拉應(yīng)力荷載及橋面鋪裝荷載，對(duì)于橋梁預(yù)拱度的影響較大。梁橋線形控制中需要對(duì)梁塊的立模標(biāo)高進(jìn)行有效控制，以便充分降低施工線形誤差。項(xiàng)目采取2 號(hào)墩開展理論預(yù)拱度的影響分析，如圖6 所示。圖6 為主梁考慮混凝土收縮徐變、活載、考慮掛籃支架的理論預(yù)拱度變化情況，圖6（a）表明，收縮徐變導(dǎo)致主梁具備較大的撓度變形，且邊跨的影響程度要小于中跨；圖6（b）表明活載導(dǎo)致主梁產(chǎn)生向下的撓度變形，邊跨小于中跨，這主要是邊跨跨度相對(duì)于中跨要??；圖6（c）表明，0 號(hào)塊存在明顯的拱度驟變情況，這歸因于橋墩高度偏大，橋墩在混凝土收縮下具備劇烈變形的情況?；诖?，為確保施工線形技術(shù)要求，2 號(hào)墩墩頂位置的施工階段需要合理控制墩頂位移，可以采取事先變形補(bǔ)償措施[5]。

圖6 不同影響參數(shù)下理論線形變化

5.2 實(shí)際、理論線形對(duì)比分析

項(xiàng)目采取2號(hào)墩5號(hào)梁塊進(jìn)行理論、實(shí)際施工的線形變化對(duì)比分析，圖7（a）、（b）為澆筑混凝土后及張拉預(yù)應(yīng)力筋后的理論、實(shí)際施工線形情況。經(jīng)過實(shí)際監(jiān)測(cè)方案數(shù)據(jù)的獲取，相對(duì)于理論線形，5號(hào)塊實(shí)際變形存在差異性，這主要是由于實(shí)際監(jiān)測(cè)存在誤差、鋼筋變形及環(huán)境溫度變化等情況引起的，實(shí)際施工、理論誤差能夠控制在0.1cm以內(nèi)，兩者變化趨勢(shì)具備較大程度的一致性[5]。

圖7 不同情況下的實(shí)際施工、理論模擬線形對(duì)比

6 結(jié)語

本文對(duì)阜陽市某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋開展施工線形控制，采取自適應(yīng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)現(xiàn)場線形監(jiān)測(cè)方案，結(jié)合有限元橋梁施工的模擬，對(duì)懸臂澆筑梁橋的線性變化規(guī)律進(jìn)行了有效分析。研究結(jié)果表明，采取有限元對(duì)該梁橋開展不同階段的施工線形模擬具備較大可行性，且理論預(yù)拱度分析因素較為全面；成橋線形和理論值之間的變化規(guī)律匹配程度較高，兩者之間的最大誤差控制在0.1cm 以內(nèi)，整體達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)范允許要求。連續(xù)梁橋的施工線性控制對(duì)橋梁事業(yè)的發(fā)展具備重要社會(huì)意義，本文相關(guān)研究能夠?yàn)楣饭こ痰陌l(fā)展提供重要參考。