公路橋梁高墩施工階段穩(wěn)定性分析與施工控制技術(shù)

黃雄輝

摘 要：為持續(xù)提升公路橋梁高墩施工穩(wěn)定性，保障橋梁建設(shè)質(zhì)量，延長服務(wù)年限，分析公路橋梁高墩施工內(nèi)容，總結(jié)公路橋梁高墩施工內(nèi)容和施工特點。從溫度因素、彈性因素、線性因素入手，分析其對高墩施工穩(wěn)定性的影響。整合現(xiàn)有技術(shù)資源，完善技術(shù)路徑，創(chuàng)新技術(shù)策略，依托施工控制技術(shù)，引導(dǎo)施工企業(yè)形成正確的觀念認(rèn)知，為后續(xù)系列研究活動高質(zhì)量開展奠定堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；高墩施工；穩(wěn)定性；影響因素；控制技術(shù)

中圖分類號：U445.559? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2024）02-0031-03

0 引言

在橋梁高墩結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)根據(jù)公路橋梁的功能定位，勘察地形、地質(zhì)、水文等因素，綜合評估這些因素對施工的影響，通過施工控制技術(shù)的精準(zhǔn)化應(yīng)用，增強公路橋梁高墩施工穩(wěn)定性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承壓與剛度性能達到預(yù)期，減少病害發(fā)生。

1 公路橋梁高墩施工概述

高墩作為公路橋梁支撐結(jié)構(gòu)，能夠有效克服河流、山地等特殊地形，有效應(yīng)對環(huán)境因素對公路項目建設(shè)施工活動的影響，降低公路項目建設(shè)施工對環(huán)境的破壞作用，節(jié)約物力、人力，有效控制成本投入規(guī)模，是一種成熟、完備、實用的建筑結(jié)構(gòu)[1]。

與公路橋梁其他結(jié)構(gòu)相比，高墩施工工藝復(fù)雜、施工周期長、穩(wěn)定性差。公路橋梁高墩一次澆筑高度應(yīng)當(dāng)保持在4～6 m，對于20 m以上的高墩往往需要組織技術(shù)人員進行多次澆筑，這種施工特性在很大程度上增加了工藝復(fù)雜性，延長了施工周期。

公路橋梁高墩施工中，受溫度、風(fēng)力等因素影響，易因結(jié)構(gòu)承壓和剛度發(fā)生變化，出現(xiàn)承壓能力下降等問題，嚴(yán)重影響總體穩(wěn)定性，從而誘發(fā)裂縫、沉降等結(jié)構(gòu)性病害，影響高墩實際使用效果。因此，為保證公路橋梁高墩施工高質(zhì)量開展，施工企業(yè)要針對施工內(nèi)容和施工特點，制定指向明確、系統(tǒng)全面的施工技術(shù)方案，增強穩(wěn)定性，簡化工藝，壓縮工期，形成最優(yōu)化高墩施工控制技術(shù)方案。

2 公路橋梁高墩施工階段穩(wěn)定性分析的必要性

分析公路橋梁高墩施工階段穩(wěn)定性，全方位掌握實現(xiàn)施工過程管理、施工技術(shù)管理、施工效率管理，能夠推動高墩施工活動穩(wěn)妥開展。

公路橋梁高墩施工過程中，極易受到結(jié)構(gòu)偏向力、穩(wěn)定、風(fēng)力因素影響，一旦處理不當(dāng)，極易影響高墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為此應(yīng)穩(wěn)步提升高墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保其內(nèi)部結(jié)構(gòu)承受的外部負(fù)荷達到極限后，仍能夠承擔(dān)重力，不會發(fā)生裂紋、斷裂、沉降等系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)病害[2]。

施工單位要切實發(fā)揮主觀能動性，借助各類專業(yè)設(shè)備，定向評估高墩穩(wěn)定性，根據(jù)評估結(jié)果，制定切實可行的應(yīng)對舉措，強化高墩剛度，確保結(jié)構(gòu)可靠性。完整的安全管理體系能夠科學(xué)防范突發(fā)事故，有利于營造平穩(wěn)施工氛圍。

在高墩穩(wěn)定性分析中，使用靜力準(zhǔn)則，能夠掌握結(jié)構(gòu)直線平衡與曲線平衡狀況。借助動力準(zhǔn)則，可分析影響高墩穩(wěn)定性的主要原因，發(fā)現(xiàn)干擾因素會引起高墩結(jié)構(gòu)振動，誘發(fā)安全風(fēng)險，影響公路橋梁施工進度，延長施工周期，引發(fā)額外的施工成本[3]。通過靜力平衡法、能量法、動力法、差分法、漸近法等方法路徑，系統(tǒng)、全面地完成高墩穩(wěn)定性分析，為施工企業(yè)掌握準(zhǔn)確的開發(fā)建設(shè)管理標(biāo)準(zhǔn)，消除施工管理活動的盲目性，排除干擾因素對正常施工活動的影響，推動高墩施工活動穩(wěn)步有序開展。

3 公路橋梁高墩施工階段穩(wěn)定性的影響因素

分析公路橋梁高墩施工階段穩(wěn)定性影響因素，明確溫度因素、彈性因素、線性因素對高墩施工產(chǎn)生的影響。

3.1 溫度因素對高墩施工的影響

公路橋梁高墩施工環(huán)節(jié)，使用的建筑材料在溫度因素影響下，極易發(fā)生屬性變化，影響高墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前，公路橋梁高墩主要使用混凝土材料，混凝土材料的力學(xué)優(yōu)勢可以最大限度地保證高墩承壓和剛度。公路橋梁高墩一般應(yīng)用于河流、山谷等地形，這些地形晝夜溫差較大，容易引發(fā)混凝土應(yīng)力和變形，導(dǎo)致裂縫發(fā)生，影響高墩結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定性。公路橋梁結(jié)構(gòu)在服務(wù)過程中，在日照溫度、晝夜溫差影響下，高墩承受的溫度荷載變化明顯，使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均衡。公路橋梁高墩不同溫度作用特點匯總?cè)绫?所示。

在低溫環(huán)境下，高墩內(nèi)部液體水發(fā)生結(jié)冰后，混凝土體積會出現(xiàn)9％左右的增長，并伴隨2 500 kg/cm2的冰脹應(yīng)力，這個應(yīng)力值常常大于高墩混凝土內(nèi)部形成的強度上限，進而誘發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)環(huán)境溫度較高時，高墩混凝土體積膨脹，破壞了高墩內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平衡狀態(tài)，易引發(fā)高墩結(jié)構(gòu)變形和裂縫，降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，縮短高墩使用壽命。

在溫度影響下，公路橋梁高墩的空間位置、橫截面尺寸、設(shè)計厚度有著不同的力學(xué)表現(xiàn)，從而形成承壓和高度變化，進而明顯影響高墩穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高墩橫向與縱向兩側(cè)溫度差達到5℃時，高墩頂部橫向與縱向位置的變形量分別達到2.5 cm和5.6 cm，超過規(guī)定的2.0 cm，即會影響高墩結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定性。

3.2 彈性因素對高墩施工的影響

公路橋梁高墩多數(shù)情況下采用墩壁薄建設(shè)模式，這種建設(shè)模式難度較低，效率較高，符合公路橋梁建設(shè)與使用要求。墩壁薄建設(shè)模式也存在局限性：高墩結(jié)構(gòu)彈性易受到風(fēng)力影響，容易發(fā)生高墩結(jié)構(gòu)受力不均勻、結(jié)構(gòu)變形等情況，造成施工穩(wěn)定性降低。

施工周期內(nèi)，施工企業(yè)要全面掌握高墩承受的自重載荷、施工載荷、風(fēng)載荷、溫度載荷相關(guān)情況。為掌握高墩彈性穩(wěn)定性，施工團隊借助SOLID65單元，建立起有限元分析模型，通過在理想狀態(tài)、初始缺陷狀態(tài)、風(fēng)載作用下，論證高墩結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，針對受力狀態(tài)，制定有效的技術(shù)方案，努力消除彈性因素帶來的影響，保證高墩施工穩(wěn)定性。

3.3 線性因素對高墩施工的影響

為兼顧實用性、經(jīng)濟性，施工團隊會選擇單肢空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)，這類高墩結(jié)構(gòu)受線性因素的影響較大，因為墩壁薄剛度較小，頂部區(qū)域在溫度、風(fēng)力的影響下，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)性偏移。部分公路橋梁高墩設(shè)計團隊和施工人員，沒有認(rèn)識到線性影響因素的危害性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、方案制定等方面存在規(guī)范把握不嚴(yán)、技術(shù)不到位的情況，從而放大了線性影響因素對高墩施工穩(wěn)定性的影響程度，導(dǎo)致整個高墩線性穩(wěn)定性較差，加大了安全事故發(fā)生概率。

因此，施工團隊在高墩施工過程中，要充分利用ANSYS有限元分析軟件，建立高墩單元有限模型，結(jié)合施工階段對應(yīng)單元承受的荷載，科學(xué)計算不同狀態(tài)下的高墩彈性穩(wěn)定性，科學(xué)修正高墩施工方案。

3.4 非線性因素對高墩施工的影響

公路橋梁高墩在穩(wěn)定性分析中，在進行溫度影響因素、彈性影響因素、線性影響因素分析評估基礎(chǔ)上，還需要進行非線性影響因素評估。目前，對于公路橋梁高墩的非線性影響因素評估，主要集中在高墩施工初期，這一時期高墩受溫度、風(fēng)力等因素影響程度較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性缺陷的出現(xiàn)，主要與高墩結(jié)構(gòu)施工材料的選擇、混凝土灌注養(yǎng)護有關(guān)。借助這種內(nèi)在的邏輯關(guān)系，施工團隊可以調(diào)整施工材料屬性，優(yōu)化混凝土灌注養(yǎng)護手段，以應(yīng)對非線性影響因素對施工活動所帶來的影響。

4 公路橋梁高墩施工穩(wěn)定性控制技術(shù)應(yīng)用要點

為持續(xù)提升公路橋梁高墩施工的穩(wěn)定性，更好地兼顧施工質(zhì)量與施工效率，施工單位要遵循客觀規(guī)律，立足穩(wěn)定性影響因素，采取針對舉措，健全完善穩(wěn)定性施工控制技術(shù)機制，確保高墩開發(fā)建設(shè)活動有序進行。

4.1 做好高墩施工準(zhǔn)備工作

公路橋梁所處環(huán)境特殊，彈性因素和線性因素會對高墩穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。所以施工團隊?wèi)?yīng)當(dāng)扎實做好基礎(chǔ)性工作，針對性地組織開展地基處理、模板安裝等施工任務(wù)，提升高墩施工穩(wěn)定性。

地基處理是公路橋梁高墩施工的重要步驟，可根據(jù)河流環(huán)境與地質(zhì)條件等，使用專業(yè)施工技術(shù)設(shè)備進行處理作業(yè)，防止后期出現(xiàn)地基沉降或支架變形等不良問題。地基處理的過程需要計算外部承載力，可通過調(diào)控受力限度，輔助高墩完成應(yīng)力分配，提高結(jié)構(gòu)剛度，保證高墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為配合公路橋梁高墩混凝土澆筑，施工企業(yè)應(yīng)當(dāng)認(rèn)真、細(xì)致地開展支架搭設(shè)，組織技術(shù)人員開展拉線和放底座作業(yè)，連接掃地桿，安裝可調(diào)頂托結(jié)構(gòu)。根據(jù)項目類型與施工作業(yè)難度等，優(yōu)化選擇鋼支架和木支架，優(yōu)化門式支架與碗扣支架的載荷效果，并對其穩(wěn)定性系數(shù)等進行驗算。

在模板安裝前，應(yīng)對模板狀態(tài)進行檢查確保，其表面不得存在附著雜物，且不得存在表面凹凸等狀況。在底模和側(cè)模安裝中，應(yīng)選擇特定尺寸的方木，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的安裝位置，確保底模中心線與頂托中心線之間的銜接重合，依次安裝施工。在模板安裝完成后，應(yīng)進行必要測量，清晰標(biāo)明控制標(biāo)高。

結(jié)合項目需求，可選擇高強度竹膠板等作為模板材料，對其進行逐一編號。模板施工應(yīng)注意其邊緣區(qū)域的平直性狀態(tài)，使用鐵釘?shù)葘ζ溥M行固定，使用密封條進行封堵，避免出現(xiàn)漏漿等問題。在支架預(yù)壓中，需根據(jù)沉降數(shù)據(jù)，檢查支架基礎(chǔ)承載能力，以相對均勻方式進行預(yù)壓，并布設(shè)充足測點，配合做好施工沉降觀測。

4.2 完善高墩垂直施工控制機制

公路橋梁高墩施工穩(wěn)定性提升環(huán)節(jié)，施工單位應(yīng)當(dāng)吸收過往經(jīng)驗，通過垂直度控制保證高墩受力的均衡性，實現(xiàn)承壓和剛度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)?？墒褂眉す獯箿?zhǔn)儀、全站儀進行數(shù)據(jù)測量，建立起控制網(wǎng)，實時掌握高墩施工進度，確保垂直度達到預(yù)期，合理控制施工體量和施工周期，有效防范溫度因素對高墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

在施工過程中，考慮到環(huán)境溫度所產(chǎn)生的潛在破壞作用，技術(shù)人員在高墩混凝土制備、澆筑和養(yǎng)護施工中，合理調(diào)整施工方案，盡量在清晨、晚上等溫度波動幅度較小的時間段進行施工，通過這種方式，切實增強高墩垂直度的可控性[4]。

4.3 健全高墩施工質(zhì)量管控方案

公路橋梁高墩施工過程中，施工企業(yè)要完善施工質(zhì)量管控方案，通過對施工材料的科學(xué)管理，施工方案的高效優(yōu)化，施工團隊的穩(wěn)步調(diào)控，介入高墩施工流程，不斷提升施工穩(wěn)定性。

施工材料管理中，管理團隊加強對混凝土進行管理，通過分離模式、整合模式以及組合模式的運用，實現(xiàn)混凝土與鋼筋兼容，借助這種施工材料管理舉措，提升高墩非線性穩(wěn)定性。對施工過程中所使用的機械設(shè)備，應(yīng)當(dāng)進行必要的參數(shù)調(diào)整和常規(guī)保養(yǎng)維護，最大限度排除干擾因素對高墩施工穩(wěn)定性的影響。

4.4 提升高墩偏位沉降測量能力

為保證高墩施工階段穩(wěn)定性，施工團隊在整個施工階段，需要建立起完整的監(jiān)管機制。技術(shù)人員要充分吸收過往經(jīng)驗，必須利用動態(tài)監(jiān)測技術(shù)加強實時動態(tài)控制，形成完整的應(yīng)力檢測體系。在技術(shù)支持下，掌握溫度載荷、風(fēng)力載荷以及施工載荷等變化情況，評估高墩基本狀態(tài)，同步開展數(shù)據(jù)記錄檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)要及時應(yīng)對，避免發(fā)生裂縫、沉降、偏移等結(jié)構(gòu)性病害，最大程度地提升公路橋梁高墩結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定性。

4.5 做好橋梁高墩結(jié)構(gòu)的合理選擇

基于實際使用場景，著眼高墩施工穩(wěn)定性影響因素，施工企業(yè)在整個開發(fā)建設(shè)周期內(nèi)，要注重做好高墩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計，借助合理化、科學(xué)化、系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)布局，穩(wěn)步增強高墩下部結(jié)構(gòu)承壓能力。

對高度小于40 m的橋梁高墩通常采取柱式墩或者Y型薄壁墩，兩種墩臺結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量可控，與樁基銜接難度較低，對視線有著一定誘導(dǎo)性，有著較強的美觀屬性。

對于高度超過40 m的橋梁高墩，設(shè)計團隊要注重橋墩的穩(wěn)定性，按照J(rèn)TG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，準(zhǔn)確把握橋梁高墩長細(xì)比與剛度之間的關(guān)系，遵循技術(shù)規(guī)律，采用肋式臺、柱式臺、重力式U型臺，確保墩臺結(jié)構(gòu)布局達到使用要求。

以重力式U型臺為例，這類橋梁高墩結(jié)構(gòu)較好地適應(yīng)橫向、縱向橫坡，可以在減少開挖土方開挖量的基礎(chǔ)上，提升施工效率，壓縮施工成本。但是考慮到實際施工難度，還應(yīng)當(dāng)做好重力式U型臺的臺階處理，通過臺階化結(jié)構(gòu)布局，持續(xù)增強U型臺支撐能力。

5 結(jié)束語

公路橋梁高墩施工階段，為最大程度地增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，強化承壓與剛度等關(guān)鍵參數(shù)，在掌握高墩穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，通過對控制技術(shù)的科學(xué)運用，將外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境聯(lián)動起來，穩(wěn)步提升公路橋梁施工水平，保證總體施工質(zhì)量。

參考文獻

[1] 李浩然.公路橋梁高墩翻模施工技術(shù)及質(zhì)量控制[J].交通世界，2022（27）：26-28.

[2] 葉先鴻.高速公路橋梁高墩施工技術(shù)控制[J].交通科技與管理，2023，4（8）：119-121.

[3] 白朋朋.高速公路橋梁高墩施工技術(shù)及實施要點分析[J].科技資訊，2021，19（31）：50-52.

[4] 武飛，楊恒鋼，林志龍.橋梁高墩施工關(guān)鍵技術(shù)與控制標(biāo)準(zhǔn)[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2022（24）：213-215.