西部山區(qū)半連續(xù)梁半剛構(gòu)高速公路橋梁施工線型監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)分析

大跨度半連續(xù)梁半剛構(gòu)橋能夠很好地適應(yīng)西部山區(qū)高低起伏的復(fù)雜地形，但此類橋梁在施工過(guò)程中由于結(jié)構(gòu)主梁規(guī)模及重量較大，易受施工環(huán)境的影響，為了確保橋梁能夠安全施工和成橋，對(duì)大跨度半連續(xù)梁半剛構(gòu)橋梁進(jìn)行施工線型監(jiān)控顯得尤為重要。以四川宜賓至威信高速公路某大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕idas/Civil軟件建立有限元模型，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬得到橋梁各個(gè)節(jié)段施工立模標(biāo)高，并將理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)線形控制在允許偏差范圍內(nèi)，監(jiān)控目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而結(jié)構(gòu)線形及施工安全性得以保證。

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋； 施工監(jiān)控； 參數(shù)識(shí)別； 最小二乘法； 有限元模型

U445.4A

［定稿日期］2022-08-10

［作者簡(jiǎn)介］孫文志（1972—），正高級(jí)工程師，主要從事鐵道工程、橋梁工程相關(guān)工作。

0 引言

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)有著迅速發(fā)展，尤其在西部山區(qū)，因其起伏較大的山勢(shì)地形，連續(xù)剛構(gòu)橋的成橋數(shù)量和施工技術(shù)都有著優(yōu)越的發(fā)展。連續(xù)剛構(gòu)橋在橋梁、橋墩的連接上沒(méi)有采用支座，而是使墩梁固結(jié)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性；并且該類橋梁在建造過(guò)程中采用懸臂法施工，使得其在獨(dú)特的山區(qū)地形條件下也能夠方便進(jìn)行施工。因此，在施工方面的便利以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，西部山區(qū)在道路橋梁建設(shè)中廣泛采用連續(xù)剛構(gòu)橋［1-2］。在近年來(lái)已完工的同類型橋梁中，橋梁主跨跨徑也在不斷的增大，在這種條件下，為了使大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)線形及受力狀態(tài)滿足要求，就必須對(duì)橋梁實(shí)施施工監(jiān)控［3］。施工監(jiān)控的目的在于測(cè)試施工過(guò)程結(jié)構(gòu)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)幾何受力狀態(tài)，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差，從而在主梁施工過(guò)程對(duì)其結(jié)構(gòu)受力和幾何變形實(shí)施有效地控制。目前，我國(guó)在橋梁施工監(jiān)控方面相應(yīng)的理論基礎(chǔ)已日趨成熟，涌現(xiàn)了不少成功的控制案例［4-6］。近年通車的港珠澳大橋［7］，其橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)采用全信息化管理，技術(shù)已經(jīng)十分成熟。

以西部山區(qū)某半連續(xù)梁半剛構(gòu)大橋?yàn)楸尘埃涫┕た刂浦饕蝿?wù)：首先，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)文件及施工組織設(shè)計(jì)文件，模擬分析橋梁施工過(guò)程。其次，對(duì)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)的受力及線形狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)確定各個(gè)梁段的立模標(biāo)高，通過(guò)誤差分析與參數(shù)修正，對(duì)后續(xù)節(jié)段進(jìn)行調(diào)整，保證能夠安全施工、結(jié)構(gòu)性能達(dá)到要求，從而保證施工能達(dá)到成橋控制目標(biāo)。

1 施工監(jiān)控內(nèi)容及方案

1.1 施工監(jiān)控參數(shù)修正

施工監(jiān)控的目標(biāo)在于保證施工過(guò)程結(jié)構(gòu)安全，完工后的結(jié)構(gòu)受力和成橋線形能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，但是由于結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬理論數(shù)據(jù)存在著一定的偏差，可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行偏差分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別來(lái)進(jìn)一步找出偏差原因，從而確定設(shè)計(jì)參數(shù)真實(shí)值。

該橋施工監(jiān)控采用了參數(shù)識(shí)別法，即基于現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的實(shí)測(cè)值，不斷識(shí)別調(diào)整理論設(shè)計(jì)所采用的參數(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整理論值，來(lái)修正下一個(gè)工況的施工控制參數(shù)。參數(shù)識(shí)別方法應(yīng)用較廣泛的主要有最小二乘法和灰色系統(tǒng)理論方法。該橋采用的是應(yīng)用較為成熟并且國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的最小二乘法，在調(diào)整參數(shù)誤差的過(guò)程中，通過(guò)最小二乘法可以快速求解未知數(shù)據(jù)，并使得理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差平方和達(dá)到最小值，其中未知量即為設(shè)計(jì)參數(shù)的誤差調(diào)整值。因此，該方法適用于懸臂施工的半連續(xù)梁半剛構(gòu)橋的參數(shù)修正。

將計(jì)算分析得到的設(shè)計(jì)參數(shù)誤差按照矩陣排列如式（1）所示。

θ=［θ1，θ2，...，θn］T（1）

由于現(xiàn)場(chǎng)施工與數(shù)值模擬過(guò)程的誤差，梁截面變形的理論值與實(shí)測(cè)值之間也會(huì)存在誤差向量，誤差數(shù)值如式（2）排列。

Y=［y1，y2，…，yn］T（2）

參數(shù)誤差與梁節(jié)段的變形誤差的關(guān)系見(jiàn)式（3）。

Y=φθ（3）

式中：φ為設(shè)計(jì)參數(shù)θ到誤差向量Y的線性變換矩陣，由橋梁本身結(jié)構(gòu)性能來(lái)確定。利用最小二乘法修正預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)參數(shù)還需要引入一個(gè)加權(quán)矩陣ρ見(jiàn)式（4）。

ρ10L00ρ2L0LLLL00Lρn（4）

將所求數(shù)據(jù)代入式（5）即可求得設(shè)計(jì)參數(shù)的誤差值。

θ=（φTρφ）-1φTρY（5）

1.2 線形監(jiān)測(cè)

該橋?yàn)榉止?jié)段澆筑，在主梁澆筑時(shí)須調(diào)整模板的標(biāo)高，然后再根據(jù)各節(jié)段主梁的變形在后續(xù)施工過(guò)程預(yù)測(cè)其立模標(biāo)高，因此監(jiān)控時(shí)必須將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)比之后修正模型，從而達(dá)到最佳的控制效果。

主梁節(jié)段立模標(biāo)高可根據(jù)式（6）計(jì)算得出。

Hlmi=Hsji+Hypgi+fgl （6）

式中：Hsji為節(jié)段設(shè)計(jì)標(biāo)高；Hypgi為施工模擬分析計(jì)算值；fgl為掛籃變形值。

箱梁頂板測(cè)點(diǎn)用16 mm的鋼筋制作，鋼筋長(zhǎng)度為相應(yīng)位置橋面板厚度+5 cm，頂端打磨為冠狀。各截面標(biāo)高控制點(diǎn)及零號(hào)塊頂面測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1、圖2。

2 工程算例

2.1 工程概況

大橋主橋采用（60+110+60） m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁，橋型布置如圖3所示。剛構(gòu)-連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用雙幅單箱單室直腹板橫斷面，左右幅之間預(yù)留0.3 m。箱梁的頂板寬為12.6 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)為3.05 m，懸臂板端部厚為0.2 m，根部厚為0.7 m；頂板厚為0.3 m，底板厚度在箱梁中支點(diǎn)處為，跨中為0.3 m。順橋向梁高為2.0次拋物線變化，中支點(diǎn)處的梁高為7.0 m，邊支點(diǎn)梁高為3.0 m，合龍段及兩邊現(xiàn)澆段均為直線段。箱梁為直腹板，腹板寬0.5～0.75 m。7號(hào)為主墩為最高墩，采用柱式空心墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。圖4為主梁跨中橫斷面，圖5為主梁支點(diǎn)橫斷面。

2.2 有限元建模計(jì)算

采用Midas/Civil有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，共劃分了76個(gè)單元，77個(gè)節(jié)點(diǎn)，箱梁節(jié)段施工共劃分為0到14個(gè)節(jié)段、兩邊現(xiàn)澆段及合龍段，如圖4所示，為結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。零號(hào)塊長(zhǎng)度為12 m，1～5號(hào)塊長(zhǎng)度為3 m，6～11號(hào)塊長(zhǎng)度為3.5 m，12～14號(hào)塊長(zhǎng)度為4 m，合龍段長(zhǎng)度2.0 m，兩邊托架現(xiàn)澆段長(zhǎng)度6 m。

在施工階段模擬過(guò)程中，不考慮下部結(jié)構(gòu)的作用，首先是進(jìn)行零號(hào)塊的澆筑與張拉鋼束，零號(hào)塊施工完畢后，墩頂須進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)（圖7），以抵消懸臂施工過(guò)程中兩側(cè)不平衡彎矩，防止施工過(guò)程中出現(xiàn)梁體側(cè)翻。主梁懸臂施工段采用后支點(diǎn)掛籃對(duì)稱懸臂澆筑，單個(gè)掛籃（含模板）的施工荷載為600 kN。1～14號(hào)梁段的受力均簡(jiǎn)化為3個(gè)階段，即移動(dòng)掛籃、混凝土澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋；梁段施工完畢之后，需要對(duì)橋梁進(jìn)行合龍，即體系轉(zhuǎn)換，此項(xiàng)工作是結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到施工預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵工序。合龍順序?yàn)橄冗吙绾笾锌纾吙?、中跨合龍后，體系即由靜定的簡(jiǎn)支體系轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定的連續(xù)體系，如圖8、圖9所示。預(yù)應(yīng)力混凝土梁塊以節(jié)點(diǎn)荷載計(jì)入。考慮的施工階段荷載有自重、掛籃荷載、混凝土濕重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、整體升溫、整體降溫、溫度梯度及移動(dòng)荷載。

3 監(jiān)控結(jié)果及分析

3.1 線形控制結(jié)果

南廣河大橋施工階段的線形控制主要通過(guò)主梁設(shè)計(jì)立模標(biāo)高，考慮施工階段主梁預(yù)拱度、成橋1/2活荷載預(yù)拱度以及掛籃變形來(lái)確定。表1中分別列出了主梁主要節(jié)段頂板中心位置標(biāo)高理論值與測(cè)量實(shí)際值的對(duì)比。根據(jù)表1可以得出，在整個(gè)施工過(guò)程中實(shí)測(cè)高程與理論預(yù)計(jì)高程的差值不大，誤差控制在10 mm以內(nèi)，一般實(shí)測(cè)值比理論值偏高，施工模擬線形與成橋線形基本吻合。

4 結(jié)論

以南廣河大橋?yàn)槔?，研究了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土半連續(xù)梁半剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控技術(shù)要點(diǎn)，得到結(jié)論：

（1）大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，使得施工監(jiān)控成為此類型橋梁施工過(guò)程中必不可少的一環(huán)。在現(xiàn)場(chǎng)施工中監(jiān)控過(guò)程中以結(jié)構(gòu)應(yīng)力及線形檢測(cè)為主要任務(wù)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)關(guān)鍵截面的應(yīng)力及變形，以使在施工過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的受力和幾何變形始終是安全可控的，在完工后結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）運(yùn)用有限元對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析也是施工控制中不可缺少的一部分，通過(guò)對(duì)施工階段出現(xiàn)的各種工況進(jìn)行分析以及結(jié)構(gòu)完成時(shí)內(nèi)力和線形的計(jì)算，可以確定橋梁結(jié)構(gòu)的施工預(yù)拋高值，預(yù)測(cè)下一施工狀態(tài)及施工成橋狀態(tài)的內(nèi)力與位移。

（3）成橋過(guò)程中各結(jié)構(gòu)安全可靠，控制截面線形變化趨勢(shì)與理論狀態(tài)接近。

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