連續(xù)剛構橋懸臂施工過程幾何控制機理研究

楊椿健

隨著預應力混凝土工藝的不斷完善,采用掛籃懸臂澆筑梁節(jié)段混凝土來建造大跨徑混凝土橋,實現(xiàn)無支架而靠自身結構進行施工的先進方法,使得預應力混凝土連續(xù)橋梁、連續(xù)剛構橋和混凝土斜拉橋得到較大發(fā)展[1-4]。分段懸臂澆筑法是目前國內(nèi)外大跨徑預應力混凝土橋梁的主要施工方法[6,7],當橋梁墩柱結構施工完成后,從橋墩頂部澆筑 0號塊開始至全橋合龍,其間經(jīng)歷逐段立模澆筑混凝土梁節(jié)段,分批張拉預應力鋼索和合龍等眾多施工工藝,在整個施工過程中,由于混凝土材料的非勻質性、混凝土的收縮和徐變、大氣溫度、溫差的影響,加之各梁節(jié)段混凝土加載齡期不同的影響,會造成各梁節(jié)段的內(nèi)力和位移隨著混凝土澆筑過程而偏離預計值。因此,在梁的整個懸臂澆筑過程中必須進行施工控制,以保證成橋的梁線形與設計一致。

1 基于自適應控制原理的幾何線形控制理論分析

目前在國內(nèi)對于大跨徑橋梁的上部結構線形施工監(jiān)控監(jiān)測,一般有兩種方法。方法一:采用糾偏終點控制的方法,即在施工過程中,對產(chǎn)生主梁線形偏差的因素跟蹤控制,隨時糾偏,最終達到理想線形,這種方法常用 Kalman濾波法和灰色理論等。方法二:應用現(xiàn)代控制理論中的自適應控制方法,所謂的自適應控制法又稱參數(shù)識別修正法,就是在重復性很高的分段施工特別是懸臂[5]施工中,將可能引起結構狀態(tài)誤差的參數(shù),例如截面幾何特性、材料容重、彈性模量、混凝土收縮徐變等參數(shù)作為未知變量,在各個施工階段中進行實時識別,并將識別結果用于下一個階段的實時機構分析,如此循環(huán)經(jīng)過若干個施工階段的計算可以使模型參數(shù)的取值和實際情況相吻合,從而主動降低模型的參數(shù)誤差。下面就采用自適應控制方法,考慮影響橋梁線形控制的多種因素推導各梁段的立模標高。箱梁各節(jié)段理論立模標高一般按下式確定:

考慮到混凝土結構的溫度、收縮徐變和非線性等因素影響,實際情況和理論計算不可能一致,因此對理論立模標高要不斷修正。箱梁實際立模標高的計算公式可修正為:

2 幾何線形控制中關鍵參數(shù)的確定

自幾何線形控制中,預拱度、預拋高和掛籃變形需要重點考慮的幾個因素。預拱度指的是為抵消荷載在結構作用下產(chǎn)生的撓度,而在施工中預留與位移方向相反的值。預拋高是懸臂施工中的一個重要參數(shù)。目前國內(nèi)一般做法是:各跨跨中預拋高值由設計單位根據(jù)計算結果給出,然后按二次拋物線過渡,并疊加到設計線形上,最終形成預拋高曲線。掛籃是施工過程中的臨時結構,由于是后支點掛籃,對于整個橋梁結構的受力來說,相當于簡支結構,所以掛籃的受力變形將單獨考慮,掛籃變形主要包括彈性變形和非彈性變形,其中非彈性變形相對難以控制,主要是由掛籃支座誤差和連接處變形所產(chǎn)生的。此外,預應力瞬時效應和時間效應。預應力本身的松弛,梁底面在高應力狀態(tài)下的徐變,對長期應力有影響。內(nèi)力增加,在靜定結構中,一般考慮截面應力的分布,混凝土的收縮對預應力也會產(chǎn)生影響,從而影響梁體的位移。溫度的影響體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的觀測和立模標高時產(chǎn)生的誤差。

3 工程實例分析

船嶺崠特大橋位于廈門—昆明國家重點公路干線福建省龍巖—長汀(閩贛界)高速公路A 16合同段內(nèi),是一座預應力混凝土連續(xù)剛構橋。主橋型布置為(85+155+85)m預應力混凝土連續(xù)剛構。主橋采用單箱單室變截面連續(xù)剛構箱梁。中間支點處梁高 9m,邊跨直線段及主跨跨中處梁高 3.5m,梁高變化段梁底曲線采用二次拋物線。箱梁橫坡由腹板高度調節(jié),底板保持水平。主橋箱梁采用雙向預應力體系。

3.1 幾何線形控制的計算分析

在對特大橋各施工階段實施控制時,先采用公路交通部公路科學研究所自主研發(fā)的Bridge SB對其進行各施工階段的模擬。

依據(jù)設計參數(shù)和控制參數(shù),結合橋梁結構的結構狀態(tài)、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等實際情況將橋離散成 145個單元,經(jīng)過施工分析和荷載分析,輸入總體信息、施工信息和運營信息進行計算,輸出計算結果,從而獲得結構按施工階段進行的每階段的內(nèi)力和位移,然后將計算模型導入Bridge monitor中,按照實驗確定好的掛籃變形等,進而計算各施工階段的預拋高值及立模標高。

3.2 預拱度曲線的確定

依據(jù)橋梁施工的具體過程,模型的分析過程共劃分為:懸臂澆筑階段、施工合龍段和施加二期恒載。其中懸臂施工階段共劃分為 20個施工步驟(即每個施工階段為一個施工步驟),每個施工階段按 7 d考慮;合龍段施工分為三個階段:先邊跨合龍,最后是中跨合龍;二期恒載主要考慮了 6cm防水混凝土、9cm瀝青混凝土、兩側防撞欄桿、10年的收縮徐變。經(jīng)過計算機數(shù)值模擬分析計算,得到預拱度曲線。

3.3 預拋高的確定

船嶺崠特大橋預拋高值的確定為:跨中設 13cm、邊跨設 1cm預拋高值,然后用二次拋物線擬合。疊加上面求出來的預拱度曲線得到最終預拱度曲線。

3.4 計算值與實測值的對比

用 Bridgemonitor軟件得出的最終曲線指導大橋的立模標高,經(jīng)過三階段的測量數(shù)據(jù)對比,得出的數(shù)據(jù)曲線和理論曲線相吻合。下面就 2號墩最大懸臂的測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進行對比,如表1所示。

表1 2號墩底板理論和實測數(shù)據(jù)對比 m

由表1可知:實測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)吻合的比較好,成橋線形、高程均符合設計要求。

4 結語

預應力大跨徑橋梁的施工工藝復雜,施工過程中許多難以預料和估計的因素可能導致橋梁線形控制不合理,導致橋梁難以合龍以及成橋線形的美觀,本文的橋梁施工階段的線形監(jiān)控,可為橋梁施工的各個階段提供準確可靠的測量數(shù)據(jù),以保證施工工程質量和美觀,并可為同類的橋梁提供參考價值。

[1] 范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 向中富.橋梁施工控制技術[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3] 范立礎.預應力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,1988.

[4] 雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京:人民交通出版社,2000.

[5] 張繼堯,王昌將.懸臂澆筑預應力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7] 鋼構—連續(xù)組合梁橋監(jiān)測監(jiān)控技術研究[J].公路工程,2008,33(4):137-144.