大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制關(guān)鍵問題分析

朱自清 盧戰(zhàn)朝 焦永齊 何幫平

（中建七局第四建筑有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

在橋梁建設(shè)尤其是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)中，大跨連續(xù)剛構(gòu)橋作為一種跨越能力強、施工工藝成熟的橋型而被廣泛采用。在建設(shè)過程中能實現(xiàn)模塊化、流程化施工作業(yè)，成橋后無論是內(nèi)力還是線形都能很好地達到設(shè)計要求。并且因墩頂與箱梁是固定連接，取消了支座，不用類似連續(xù)梁施工一樣進行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。同時降低了后期運營的維護成本。是跨越大江大河、公路、鐵路等障礙物的首選橋型。

1 項目概況

通揚運河城市高架橋工程，其主橋為大跨度連續(xù)剛構(gòu)連續(xù)梁，采用掛籃懸臂施工工藝，橋梁跨越一規(guī)劃三級航道，橋梁跨徑為（70+120+70）m，長260m。主箱梁為單箱兩室結(jié)構(gòu)形式，主箱梁的截面變化形式為按1.8次拋物線變化。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，布置縱橫豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土墩柱，設(shè)置墩下承臺，承臺下接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，整體橋梁結(jié)構(gòu)形成大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)體系。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋立面布置圖（單位：cm）

2 橋梁結(jié)構(gòu)仿真計算和施工階段的劃分

為滿足施工控制的需要，在連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況采用專業(yè)有限元軟件建立橋梁有限元分析模型。

通過采用理論分析計算、結(jié)合設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際監(jiān)控量測數(shù)值，三方面共同合力完成橋梁施工過程中的線形、應(yīng)力等各項參數(shù)的控制。有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

表1 主要施工階段劃分表

3 大跨連續(xù)剛構(gòu)梁橋施工控制過程應(yīng)力分析

按照廣義胡克定律，材料處于彈性變形階段時，由彈性理論分析，監(jiān)測箱梁截面應(yīng)力可以分析出結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，如公式（1）所示。

式中：—截面應(yīng)力（對應(yīng)測試截面）；—材料彈模；—測試截面應(yīng)變值。

根據(jù)大橋的構(gòu)造特點，結(jié)合相關(guān)規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，本橋梁施工應(yīng)力控制的具體目標(biāo)：控制截面的內(nèi)力與設(shè)計值最大相差控制在20%以內(nèi)。通過在橋梁控制截面布設(shè)應(yīng)變傳感器采集施工過程應(yīng)變數(shù)值，并根據(jù)上述公式換算成對應(yīng)橋梁截面的應(yīng)力值。能有效保證橋梁施工控制過程應(yīng)力監(jiān)測順利進行。橋梁跨度方向和箱梁截面方向上應(yīng)變采集點布置如圖3所示。

圖3 箱梁應(yīng)力、主橫截面應(yīng)力監(jiān)測布置示意圖（單位：cm）

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程主控截面一般為柱根部斷面和跨中斷面，根據(jù)材料力學(xué)平截面假定，箱梁截面應(yīng)力最大最小值一般為頂面和底面，因此箱梁截面上應(yīng)變采集設(shè)備布置在箱梁頂板截面和箱梁底板截面處。為保障監(jiān)測數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ群陀行ПO(jiān)控要求，箱梁斷面布置了6個監(jiān)測點。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集結(jié)合有限元仿真分析，通過對測試截面廣義荷載下的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，剔除因為非廣義荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變值。一方面提高了應(yīng)變值的精度，另一方面保障施工過程數(shù)據(jù)安全，使現(xiàn)場數(shù)值能夠有效利用到工程監(jiān)測過程中去。

通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，結(jié)合有限元計算分析結(jié)果，主線橋應(yīng)力值結(jié)果見表2~表4。

表2 1-1截面應(yīng)力對比分析值

表4 3-3截面應(yīng)力對比分析值

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》中要求：預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，施工階段截面邊緣應(yīng)力如下。壓應(yīng)力σ≤ 0.70f'，拉應(yīng)力σ≤ 0.70f' 。

根據(jù)施工過程控制截面分析，施工階段最大壓應(yīng)力為σ=12.4MPa＜0.70f'=0.70×35=24.5MPa；施工階段最大拉應(yīng)力為σ=0.27MPa＜0.70f'=0.70×2.74=1.92MPa。因此，主橋施工階段截面上下緣應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

南京明城墻是明太祖朱元璋（1328－1398）定都南京的產(chǎn)物和象征，是中國歷史上唯—建造在江南的統(tǒng)一全國的都城城墻。

根據(jù)以上施工過程控制截面分析可知，施工過程中控制截面的內(nèi)力與設(shè)計值最大相差值為3-3截面，理論值—實測值=12.4-10.62=1.78MPa，1.78/10.62=17%＜20%，滿足應(yīng)力控制的差值目標(biāo)。

以上通過實施監(jiān)測和有限元仿真計算分析對比可知，兩者數(shù)據(jù)差值在工程可以接受的范圍內(nèi)，并且各個監(jiān)測截面應(yīng)力狀態(tài)均為受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力最大12.40 MPa，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中7.2.8條的相關(guān)規(guī)定。

4 大跨連續(xù)剛構(gòu)梁橋施工控制過程變形分析

結(jié)構(gòu)位移形變的產(chǎn)生是多種內(nèi)外部影響的結(jié)果，尤其是針對現(xiàn)場懸臂施工，涉及各個方面，例如砼自重、預(yù)應(yīng)力鋼束、收縮徐變、溫濕度變化以及砼養(yǎng)護等很多不確定性因素。在施工過程中外部荷載與時間是有一定的相關(guān)性的，隨著時間不斷變化，位移也不斷變化。

根據(jù)大橋的構(gòu)造特點，結(jié)合圖紙要求技術(shù)指標(biāo)，本橋梁施工線形控制具體目標(biāo)為箱梁頂面高差不超過20mm；箱梁相鄰節(jié)段高差不超過10mm?，F(xiàn)場變形監(jiān)測通過在橋面設(shè)置高程監(jiān)測點，在箱梁橫向布置5個高程監(jiān)測點，在混凝土澆筑前后、預(yù)應(yīng)力筋張拉后進行高程測量，以掌握箱梁各節(jié)段變形過程。箱梁橫斷面高程監(jiān)測點布置如圖4所示。

圖4 箱梁橫斷面高程測點布置圖（單位：cm）

通過現(xiàn)場監(jiān)測采集橋梁高程變化數(shù)據(jù)，對比分析有限元仿真分析結(jié)果，橋梁控制截面高程及撓度變形差值對比分析見表5。

表5 成橋狀態(tài)高程及撓度變形差值對比分析表

根據(jù)成橋狀態(tài)下控制截面標(biāo)高數(shù)值分析可知，理論分析值和現(xiàn)場實測的最大差值為9 mm，滿足《城市橋梁工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》中±10 mm的限值數(shù)據(jù)要求。橋梁整體線形狀態(tài)良好，線形差值變化較小。線形變化穩(wěn)定。能很好地滿足運營期車輛高速舒適行駛的要求。

為防止理論線形和設(shè)計線形的較大誤差的問題。通過大型有限元仿真分析理論值，準(zhǔn)確預(yù)估施工過程各個節(jié)段橋梁撓度變形和總計值，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)運用到懸臂施工控制過程中去，以此達到理想的撓度變形曲線，該曲線是理想橋梁曲線。

表3 2-2截面應(yīng)力對比分析值

5 結(jié)語

該文對橋梁跨徑（70+120+70）m，全長260m的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程進行控制。在施工過程中在箱梁中設(shè)埋設(shè)應(yīng)變測試設(shè)備，施工過程中實際測試標(biāo)高數(shù)值，結(jié)合有限元仿真計算結(jié)果，對施工過程中的內(nèi)力、應(yīng)力線形理論值對比分析，結(jié)合實際施工過程控制，得出以下幾點。

懸臂施工工藝連續(xù)剛構(gòu)橋，必須要進行橋梁全過程至運營狀態(tài)的施工控制，重點控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)線形變化，保證成橋狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制過程中，需要結(jié)合相關(guān)大型仿真有限元程序進行綜合分析，提前提取相關(guān)理論數(shù)值，在計算參數(shù)取值過程時要結(jié)合現(xiàn)場實際工況進行準(zhǔn)確分析。

綜上所述，大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋施工控制尤其重要，在施工過程中，參建各方要嚴格遵守相關(guān)規(guī)范，并選擇技術(shù)能力過關(guān)的監(jiān)控單位對施工過程進行監(jiān)管。