大跨徑波形鋼腹板剛構(gòu)橋施工監(jiān)控技術(shù)研究及應(yīng)用

石杰榮

（陜西交通控股集團有限公司京昆改擴建項目管理處，西安 710089）

為解決目前混凝土橋中普遍存在的腹板開裂、自重過大等問題，波形鋼腹板PC箱梁應(yīng)運而生[1]。波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板之后，薄壁波形腹板沿橋縱向如風(fēng)琴一樣能夠自由變形，具有折疊效應(yīng)，其軸向及彎曲剛度可以忽略不計。波形鋼腹板梁橋具有自重小，充分利用材料效率、施工效率高及抗震性能優(yōu)，完全避免了腹板開裂的問題。波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)目前已經(jīng)在國內(nèi)被較多應(yīng)用。

大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁在懸臂施工過程中，每個梁段施工時的立模標高不是該梁段的成橋標高，梁段澆筑后的標高隨著后續(xù)梁段澆筑混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力而上下變化。施工中影響結(jié)構(gòu)變形和受力的參數(shù)及誤差形成因素眾多，如果不加以控制和調(diào)整，主梁的線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力將難以滿足設(shè)計要求，所以橋梁施工監(jiān)控就需要貫穿整個施工過程，橋梁施工監(jiān)控通過對應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及標高等實際測量與預(yù)測模型相結(jié)合，確保成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力和標高滿足設(shè)計要求[2]。

1 工程概況

某高速公路波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)橋主橋上部結(jié)構(gòu)為（75 m+2×140 m+75 m）波形鋼腹板連續(xù)剛構(gòu)。主梁采用單箱單室截面，箱梁設(shè)計高程為中護欄底座與橋面鋪裝的交點，距離橋梁中心線1.0 m。橋面橫坡隨路線變化，由箱梁沿頂板頂緣中點旋轉(zhuǎn)形成。梁高和底板厚度均以1.8次拋物線的形式由跨中向根部變化，跨中梁高3.5 m，底板厚32 cm；根部梁高8.50 m，底板厚120 cm；波形鋼腹板采用1600型，波長1.60 m，波高0.22 m，波形鋼腹板厚度采用12、16、22、25 mm這4種型號。單墩2側(cè)施工節(jié)段劃分為3.2 m（邊跨現(xiàn)澆段）+3.2 m（合攏段）+4.8 m×9+3.2 m×6，0#塊12 m。橋面寬度（半幅）：0.5 m（防護欄）＋11.25 m（行車道）＋0.9 m（中央分隔帶）。某特大橋現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 某波形鋼腹板PC連續(xù)剛構(gòu)橋

2 橋梁有限元模型分析

橋梁寬跨比小于0.5，按單梁模型進行縱向整體計算。橋梁位于曲線半徑較大，按直橋進行分析。按照結(jié)構(gòu)滿足平截面假定，抗彎分析中不考慮鋼腹板作用，截面彎矩均有箱梁頂?shù)装宄袚?dān)；箱梁鋼腹板與混凝土頂?shù)装鍏f(xié)同受力[3]。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用Midas/Civi軟件進行對比校核計算，上部結(jié)構(gòu)按照空間實用理論簡化為平面桿系計算。全橋離散為278個節(jié)點，274個單元[4]，計算模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)計算有限元模型

支承條件按圖紙說明進行約束，對過渡墩支座約束橫向及豎向位移，對于墩柱底部固結(jié)。采用Midas/Civil仿真，墩頂截面采用混凝土截面；波形鋼腹板截面采用忽略波形鋼腹板抗彎貢獻的等效截面；對于內(nèi)襯混凝土的波形鋼腹板段，等效為混凝土截面進行計算。

3 施工過程主要監(jiān)控內(nèi)容

3.1 波形鋼腹板首板定位安裝

第一節(jié)鋼腹板（首板）定位精度對結(jié)構(gòu)后續(xù)梁段波形鋼腹板的安裝影響巨大，所以對首板安裝嚴格控制，加密監(jiān)測。在定位局部微調(diào)時采用圓鋼外包麻布的撬棍進行，防止損傷鋼腹板。其定位要點如下。

①鋼腹板吊裝到預(yù)安裝位置，在掛籃底模上安裝縱向鋼筋和底板橫向鋼筋，然后在腹板處安裝墊塊及固定裝置，確保鋼腹板標高，然后通過倒鏈將其緩慢吊裝就位，將鋼筋穿入并且微調(diào)鋼腹板準確穿入。②用定位內(nèi)支撐以滿足內(nèi)外側(cè)鋼腹板的穩(wěn)定，防止傾覆，并保證豎直度。③為保證縱坡要求，首節(jié)鋼腹板縱向按照一定的角度傾斜，主要通過底部襯、墊實現(xiàn)。因為每一個0#塊不同的縱坡要求，傾斜角度各不相同。④通過全站儀測量鋼腹板控制的空間坐標，準確定位各節(jié)段的位置，使安裝要求和成橋線形滿足設(shè)計要求。首板波形鋼腹板定位安裝如圖3所示。

圖3 某大橋首板波形鋼腹板定位安裝

3.2 立模高程的確定

在波形鋼腹板組合梁的懸臂施工過程中，掛籃前移、臨時荷載碼放、混凝土懸臂澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉等各施工節(jié)段對主梁撓度均有影響，每一施工節(jié)段立模高程都在動態(tài)調(diào)整。

箱梁立模標高的理論計算公式如下

由于施工過程中存在溫度、收縮徐變和其他因素，現(xiàn)場實際情況和理論計算值不會完全一致，因此要不斷修正理論立模標高，箱梁最終立模標高為

3.3 橋梁線形控制

本橋?qū)⒏麟A段現(xiàn)場實測值與對應(yīng)的理論值進行對比分析，可以看出線形符合設(shè)計規(guī)范要求。控制結(jié)果如圖4所示。

圖4 左幅全橋成橋線形成果

從以上控制成果圖可以看出，實際標高是在期望值附近上下變化，理論標高和實際標高偏差不大。另外，由于施工過程中因施工機具及材料的堆放，對實測數(shù)據(jù)有一定干擾。所以橋梁施工過程中，線形可控，符合規(guī)范要求。

3.4 應(yīng)力監(jiān)測

在整個施工過程中，各個施工階段對現(xiàn)階段安裝的所有傳感器進行1次讀數(shù)，每次對傳感器讀3次數(shù)，并取其平均值作為該測點本次讀數(shù)，以下為結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測步驟。

（1）梁段未澆筑之前安裝傳感器，采集1次數(shù)據(jù)，記錄各應(yīng)力計的安裝初始應(yīng)力；

（2）第i塊梁段施工過程中，掛籃前移就位，鋼筋綁扎完畢，采集1次數(shù)據(jù)?；炷翝仓瓿珊蟛杉?次數(shù)據(jù)。預(yù)應(yīng)力束張拉錨固后采集1次數(shù)據(jù)；

（3）每次合攏前后采集1次數(shù)據(jù)；

（4）橋面、二期恒載作用后采集1次數(shù)據(jù)。

本次監(jiān)控是在某特大橋整個施工過程中，把控每個施工環(huán)節(jié)。對每次采集的數(shù)據(jù)進行處理，與理論值進行對比。將實測數(shù)據(jù)反饋到下一施工階段，并對實測結(jié)果作詳細分析。此處僅列出部分施工分析結(jié)果，如圖5—圖8所示。

圖5 右幅5號T0#塊底板應(yīng)力—時間歷程曲線

圖6 右幅5號T0#塊頂板應(yīng)力—時間歷程曲線

圖7 右幅6號T0#塊底板應(yīng)力—時間歷程曲線

圖8 右幅6號T0#塊頂板應(yīng)力—時間歷程曲線

對應(yīng)力分析結(jié)果可見，在各工況預(yù)應(yīng)力張拉前后，各截面應(yīng)力均有較大變化，這是由于此時結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力的作用之下，外載比前一階段有較大增加。由以上應(yīng)力—時間歷程曲線可以看出，各施工階段截面的理論計算應(yīng)力值與實測值偏差不大，說明預(yù)應(yīng)力筋張拉有效；各施工階段截面應(yīng)力實測值均小于其應(yīng)力限值且有較大冗余，說明整個施工過程中結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。

3.5 合龍口高程控制

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土收縮、徐變及溫度變化等都會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力，特別是對溫度的敏感程度較高[5]。合龍實際溫度與設(shè)計溫度的溫差會使梁體產(chǎn)生位移，引起主墩偏位，產(chǎn)生次生內(nèi)力。同樣后期的收縮徐變也會使梁體產(chǎn)生下?lián)虾退轿灰萍案郊觾?nèi)力，造成主墩偏位，對主墩受力產(chǎn)生不利影響。為此，在連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍時對梁體施加1個水平推力，給主墩施加1個反向位移，以抵消合龍溫差、后期收縮徐變和跨中下?lián)系挠绊?。頂推施工現(xiàn)場宜采用位移和頂推力雙控法，確保結(jié)構(gòu)施工安全和橋梁成橋后的線形達到設(shè)計和規(guī)范要求。

通過現(xiàn)場頂推和合龍口高程測量對比分析，懸臂根部及墩底未出現(xiàn)異常應(yīng)力，總體合龍偏差滿足合龍精度要求。大橋合龍相對誤差在1.3 cm以內(nèi)，大橋合龍后各測點實測標高與目標標高偏差均小于2 cm，滿足規(guī)范要求，合龍后線形平順良好，成橋線形達到理想效果，起到了指導(dǎo)施工的目的，保證了橋梁的施工質(zhì)量。合龍口偏差見表1。

表1 某特大橋左右幅合龍口偏差表

4 結(jié)束語

本文對施工前的有限元模型分析、施工過程中0#塊首塊波形鋼腹板空間定位安裝、掛籃堆載試壓、立模高程的確定方法、線形控制、應(yīng)力監(jiān)測及合龍口高程監(jiān)測進行了闡述，表明主橋的監(jiān)控工作取得了預(yù)期的效果。橋梁結(jié)構(gòu)施工全過程處于良好的受控狀態(tài)，線形與受力與目標狀態(tài)基本吻合。主梁線形平順，滿足車輛運營的各項要求；結(jié)構(gòu)受力安全，應(yīng)力儲備足夠，達到了施工控制的目的和要求，取得了預(yù)期的效果。