通河松花江特大橋施工控制

齊 琳

(黑龍江省公路勘察設(shè)計院)

1 工程概況

通河松花江特大橋全橋跨徑布置為 21×40m+(63m+4×110m+63m)+7×40m+(63m+4×110m+63m)+8×40m,橋梁全長 2578.28m。主橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,引橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁。

主橋箱梁采用單箱雙室斷面,主跨墩頂處梁高為 6m,跨中高度 2.5m,其間的梁高在縱橋向按 1.65次拋物線變化,拋物線方程為 Y=0.005397X1.65+2.5。箱梁全寬21.5m,底板寬 14.5m,翼緣板長度為 3.5m。箱梁設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力?？v向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用符合 GB/T5224-1995標準的 270級Φs15.2低松弛高強鋼絞線,錨具采用群錨張拉錨固體系;橫向預(yù)應(yīng)力為 Φs15.2鋼絞線,錨具采用BM15-4張拉錨固體系;豎向預(yù)應(yīng)力采用高強精軋螺紋粗鋼筋,錨具采用YGM張拉錨固體系。

每個 T墩包括 20個節(jié)段(0～19號),每節(jié)箱梁底按直線變化。箱梁懸澆長度為 2.0～3.75m。合攏段長度中跨為 2m,邊跨為 1.5m,邊跨現(xiàn)澆段長度為 7.5m。

懸澆梁段頂板鋼束,通過平彎錨固于頂板承托處,懸澆梁段腹板束通過豎彎錨固于腹板上;現(xiàn)澆合攏段頂、底板鋼束及腹板鋼束錨固于梁段齒板上。

主橋主墩均采用鋼筋混凝土實體墩,設(shè)置破冰體。墩身截面尺寸橫橋向為 14.5m,順橋向為 5～6.317m。承臺尺寸長為 20.1m,寬為 14m,厚度為 3.5m。每個承臺下設(shè) 12根直徑為 2.0m的鉆孔灌注樁,樁長為 68m。

2 施工控制的原則與方法

2.1 施工控制原則

施工控制是通過對施工過程的監(jiān)控,適時調(diào)整、修正所有影響成橋目標實現(xiàn)的因素,保證橋梁施工過程安全和設(shè)計成橋(狀態(tài))目標的實現(xiàn),確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計要求。

本橋施工控制的原則是變形、穩(wěn)定性與內(nèi)力控制綜合考慮,在結(jié)構(gòu)幾何線形滿足要求的前提下,對各施工階段主梁、墩柱的穩(wěn)定性和各控制截面的應(yīng)力、應(yīng)變進行控制。

2.2 最優(yōu)施工控制方法

連續(xù)梁橋是施工施工的循環(huán)過程,其實質(zhì)就是使施工按照預(yù)定的理想狀態(tài)(主要是施工標高)順利推進。而實際上不論是理論分析得到的理想狀態(tài),還是實際施工都存在誤差,所以,施工控制的核心任務(wù)就是對各種誤差進行分析、識別、調(diào)整,對結(jié)構(gòu)未來狀態(tài)作出預(yù)測。

連續(xù)梁橋在梁段澆筑完成后出現(xiàn)的誤差,除張拉預(yù)備預(yù)應(yīng)力索外,基本沒有調(diào)整的余地,而只能針對已有誤差在下一未澆筑梁段的立模標高上作出必要的調(diào)整。所以,要保證控制目標的實現(xiàn),最根本的就是對立模標高作出盡可能準確的預(yù)測,即主要依靠預(yù)測控制。無論施工過程如何,總是以最終橋梁成型狀態(tài)作為目標狀態(tài),以此來控制各施工塊件的預(yù)拋高值(立模標高)。

采用自適應(yīng)控制法對連續(xù)梁橋進行施工控制是很有效的。當結(jié)構(gòu)的實測狀態(tài)與模型計算結(jié)果不符時,通過將誤差輸入到參數(shù)辨識算法中去調(diào)節(jié)計算模型的參數(shù),使模型的輸出結(jié)果與實測結(jié)果一致,得到修正的計算模型參數(shù)后,重新計算各施工階段節(jié)段的理想狀態(tài)。經(jīng)過幾個節(jié)段的反復(fù)辨識后,計算模型就基本與實際結(jié)構(gòu)一致,從而對施工過程進行有效的控制。

連續(xù)梁橋施工控制流程如圖 1所示,具體包括以下幾方面的內(nèi)容。

圖 1 施工控制流程圖

3 施工控制分析

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是采用懸臂施工方法分階段逐步完成的,結(jié)構(gòu)的最終形成必須經(jīng)歷一個漫長而又復(fù)雜的施工過程。對施工過程中每個階段進行詳細的變形計算和受力分析,是施工控制中最基本的內(nèi)容之一。為了達到施工控制的目的,首先必須通過施工控制計算來確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個階段在受力和變形方面的理想狀態(tài)(施工階段理想狀態(tài)),以此為依據(jù)來控制施工過程中每個階段的結(jié)構(gòu)行為,使其最終成橋線形和受力狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

3.1 施工控制中的結(jié)構(gòu)分析

在對通河松花江特大橋的各施工階段實施控制時,將其簡化為平面結(jié)構(gòu),各節(jié)段離散為梁單元,主墩與主梁臨時固結(jié),連接處按剛臂處理,兩邊跨端部以及轉(zhuǎn)換體系后的主跨支點處均為活動鉸支座。在施工控制過程中,從前進分析、倒退分析、實時跟蹤分析三方面入手,相互結(jié)合,實現(xiàn)成橋結(jié)構(gòu)在線形、內(nèi)力各方面滿足設(shè)計要求的目標。

3.2 誤差分析與參數(shù)識別、預(yù)測

采用懸臂現(xiàn)澆法施工時,由于施工過程復(fù)雜,影響參數(shù)如結(jié)構(gòu)剛度、梁段重量、施工荷載、混凝土的收縮、徐變、溫度和預(yù)應(yīng)力等眾多,在設(shè)計階段,一般要假定這些參數(shù)為理想值,根據(jù)擬定的施工過程,確定橋梁施工過程中的控制變量,如各施工階段的標高、應(yīng)力等。但在設(shè)計階段采用的上述參數(shù)在施工過程中由于各種原因很難和原先的理論值一致,如果在施工計算中仍然采用原先的理論值進行,那么施工完成后的成橋狀態(tài)必將偏離理想的成橋狀態(tài)。所以在施工過程中,必須根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的實際反應(yīng)來適當調(diào)整計算參數(shù),使得按照調(diào)整后的參數(shù)實施的每一施工階段能盡量和實際的施工階段一致,從而在施工結(jié)束后橋梁基本達到原先的理想成橋狀態(tài),這就是施工控制中參數(shù)識別與調(diào)整所要解決的問題。

進入懸臂澆筑施工之后,各種施工誤差會不斷出現(xiàn),為此確定混凝土彈性模量 E、混凝土容重 r、截面面積 A、截面抗彎剛 EI、收縮和徐變調(diào)整系數(shù) kφ五個基本參數(shù)作為實時控制調(diào)整原點。

通過施工期試驗值 E、r及截面尺寸測量值、結(jié)構(gòu)變位測量值f,對這些基本參數(shù)進行跟蹤修正,使實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)與修正后的結(jié)構(gòu)理想控制目標相互靠近,并以此為基礎(chǔ)預(yù)測未來狀態(tài)。

在節(jié)段施工過程中,需要進行如下幾個階段的變形測量,詳見表 1。

表 1 節(jié)段施工撓度測量

3.3 施工狀態(tài)修正

根據(jù)已建結(jié)構(gòu)狀態(tài)及未建結(jié)構(gòu)預(yù)測參數(shù),重新建立未建結(jié)構(gòu)各個施工階段的理想控制目標,并預(yù)先驗算應(yīng)力狀態(tài)。上述彈性模量、混凝土容重、截面面積、剛度、混凝土收縮徐變系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)作為上述結(jié)構(gòu)狀態(tài)理論值與實際值偏差的源點因素,因它們基于實測數(shù)據(jù),在施工初期由于實測數(shù)據(jù)偏少可能存在估計偏差,所以經(jīng)過一段穩(wěn)定施工過程之后,可對初期參數(shù)重復(fù)調(diào)整、修改,并重新進行結(jié)構(gòu)計算。

3.4 施工過程穩(wěn)定分析

在懸臂施工的各個階段,都要對主梁和墩柱的穩(wěn)定進行細致分析,以確保橋梁安全施工。穩(wěn)定分析包括墩柱的自體穩(wěn)定性、墩柱懸澆穩(wěn)定性、全橋穩(wěn)定性及墩身在各階段的最大內(nèi)力。通過穩(wěn)定分析,計算結(jié)構(gòu)在自重、施工荷載、縱向風(fēng)載、橫向風(fēng)載作用下的穩(wěn)定安全系數(shù),并結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、變形情況來綜合評定、控制其穩(wěn)定性。施工中,除橋梁結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性必須得到控制外,施工過程中所用的支架、掛籃等施工設(shè)施的各項穩(wěn)定系數(shù)也應(yīng)滿足要求。

墩柱的穩(wěn)定計算按軸心受壓構(gòu)件計算公式驗算。當長細比大于規(guī)范所列數(shù)值時,按臨界力控制穩(wěn)定,其穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于 4～5?？紤]到施工過程時間短,其穩(wěn)定安全系數(shù)至少應(yīng)大于 3。

3.5 施工過程風(fēng)載對結(jié)構(gòu)的影響

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在成橋運營階段剛度較大,具有較強的抗風(fēng)能力,而在最大雙懸臂階段剛度較低,在風(fēng)荷載作用下將在墩根部產(chǎn)生較大的內(nèi)力。計算時,首先確定橋址處的橫向風(fēng)壓和縱向風(fēng)壓,然后對結(jié)構(gòu)進行最不利情況加載,計算各施工階段的風(fēng)荷載內(nèi)力。

對懸臂施工的連續(xù)梁橋,橋梁的主梁在橫向風(fēng)作用下將產(chǎn)生靜的橫向力、豎向力、扭轉(zhuǎn)力矩及側(cè)向水平抖振和豎向抖振慣性力。其中橫向力將在主梁的懸臂根部產(chǎn)生較大的內(nèi)力,而由于風(fēng)的不均勻性及側(cè)向水平抖振將在墩中產(chǎn)生較大的扭矩。因此須對主梁懸臂根部最大的橫向內(nèi)力、墩底最大橫向內(nèi)力、墩底順橋向最大內(nèi)力進行計算。

4 施工監(jiān)測的主要工作內(nèi)容

施工監(jiān)測是施工監(jiān)控的重要組成部分,包括施工過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、線形、應(yīng)力、溫度、預(yù)應(yīng)力摩阻損失、施工荷載等方面的監(jiān)測。

4.1 主梁結(jié)構(gòu)部分設(shè)計參數(shù)的測定

在施工控制過程中,需對構(gòu)件實際尺寸、結(jié)構(gòu)彈性參數(shù)、節(jié)段重量參數(shù)、混凝土收縮和徐變系數(shù)、掛籃支反力及變形、鋼絞線管道摩阻系數(shù)等參數(shù)進行測定。

4.2 主梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

(1)變形監(jiān)測內(nèi)容

變形觀測是控制成橋線形最主要的依據(jù)。主梁變形監(jiān)測主要包括主梁標高測量、主梁中心線測量兩部分。作為標高或位移的控制測量結(jié)果,主要包括零號塊標高、掛籃就位標高、混凝土澆筑后標高、預(yù)應(yīng)力張拉前標高、預(yù)加應(yīng)力作用后標高、合攏段標高等工序中的測量和控制。

(2)測點布置

在墩頂現(xiàn)澆段(長度 11m)的頂板布置 42個高程測點,以控制頂板的設(shè)計標高,同時也作為以后各懸澆節(jié)段高程觀測的基準點。

具體測試時,采用精密水準儀結(jié)合全站儀測量測點標高,精度滿足二等水準要求。為盡量減少溫度對觀測的影響,觀測時間安排在日出之前。

4.3 主梁應(yīng)力監(jiān)測

結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力監(jiān)測是施工監(jiān)測的主要內(nèi)容之一,它是施工過程的安全預(yù)警系統(tǒng)。在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工過程中,主要測試橋墩和箱梁控制截面的應(yīng)力。橋墩上測點布置在墩底及墩頂截面處,主梁上測點布置在懸臂根部、L/4等關(guān)鍵截面上,以觀察施工過程中這些截面的應(yīng)力變化與應(yīng)力分布情況。

(1)測試儀器的選擇

考慮要適合長期觀測并能保證足夠的精度,選用振弦式應(yīng)力計和讀數(shù)儀作為應(yīng)力觀測儀器。該應(yīng)力計的溫度誤差小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強,適合于應(yīng)力長期觀測。

(2)測點布置

應(yīng)力計按預(yù)定的測試方向固定在主筋上,測試導(dǎo)線引至混凝土表面。每個 T構(gòu)的箱梁選取懸臂根部、L/4截面,每個 T構(gòu)共計 4個截面,每個截面 13個測點,總共布置 520個應(yīng)力量測點。每個 T構(gòu)的根部截面各布置 6個測點,共計60個測點。全橋共計 580個應(yīng)力量測點。

4.4 溫度場觀測

溫度是影響主梁撓度的主要因素之一。溫度變化包括季節(jié)溫度變化和日照溫度變化兩個部分。在季節(jié)溫度變化和日照溫度變化兩種因素中,日照溫度變化最為復(fù)雜,尤其是日照作用會引起主梁頂、底板的溫度差,使主梁發(fā)生撓曲,同時,也會引起墩身兩側(cè)的溫度差,使墩身產(chǎn)生偏移。而季節(jié)溫差對主梁撓度的影響比較簡單,由于其變化的均勻性,既不會使主梁發(fā)生撓曲,也不會使墩發(fā)生偏轉(zhuǎn),而是通過使墩身產(chǎn)生軸向伸縮從而對主梁的撓度產(chǎn)生影響。由于日照溫度變化的復(fù)雜性,在撓度理想狀態(tài)計算時難以考慮日照溫度的影響,日照溫度的影響只能通過實施觀測來加以修正。

(1)測試方法

日照溫差測試包括表面溫度測量和體內(nèi)溫度測量兩部分。體內(nèi)溫度測試采用在測點埋設(shè)溫度傳感器,引出測試導(dǎo)線,再用相應(yīng)的測試儀進行觀測,得到箱梁日照溫變的情況。對表面溫度采用表面溫度點測計測量,大氣溫度采用水銀溫度計進行。

(2)測點布置

在典型 T構(gòu)上每側(cè)選取墩頂、L/4斷面作為測試斷面,每個斷面布置 15個測點。全橋共計有 300個溫度測點。

墩柱的溫度場測量在墩頂和墩底進行,共有 2個測試斷面,采用表面溫度點測計測量其表面溫度。在施工期間,選擇有代表性的天氣進行連續(xù)觀測。

4.5 混凝土強度、彈性模量及容重的測試

彈性模量是混凝土的物理參數(shù),一般在施工中不產(chǎn)生變異,但彈性模量的增長往往滯后于混凝土強度,當箱梁塊件施工周期較短時,對梁端撓度的影響非常大。因此,在施工過程中,不能僅用混凝土的強度指標控制施工的間隔時間,還應(yīng)根據(jù)混凝土彈性模量的增長規(guī)律確定施工間隔。

采用現(xiàn)場取樣的方法,進行混凝土 2～35d等 11個齡期的彈性模量和強度試驗,得到混凝土的強度和彈性模量隨時間的變化規(guī)律,為確定合理的預(yù)應(yīng)力張拉時間提供依據(jù),同時也為主梁預(yù)拱度的修正提供數(shù)據(jù)。

混凝土容重的測定采用現(xiàn)場取樣,在實驗室用常規(guī)方法測定。

4.6 截面幾何尺寸測定

對每一節(jié)段的幾何尺寸進行測量。測量截面高度、箱梁頂板寬度、厚度、懸臂板長度、厚度、腹板厚度、底板長度和厚度等,將實際值與設(shè)計值進行比較,求出由此引起的節(jié)段重量、截面面積、慣性矩的變化。

4.7 混凝土收縮、徐變綜合調(diào)整系數(shù)的測試

混凝土的收縮、徐變對主梁的內(nèi)力與撓度均有較大影響,但理論值與實際往往有較大的差距,為此,需通過實測數(shù)據(jù)對理論值進行修正。

采用鋼筋混凝土小梁,進行自然條件下混凝土 3d、7d、14d、21d四個加載齡期的徐變、收縮試驗,得出在現(xiàn)場自然條件下混凝土的收縮、徐變系數(shù)變化規(guī)律以及徐變與加載齡期的關(guān)系,為主梁內(nèi)力和撓度的計算修正提供數(shù)據(jù)。

4.8 管道預(yù)應(yīng)力摩阻損失的測定

本測試旨在定量測定鋼絞線的摩阻損失,以確定實際有效的預(yù)應(yīng)力噸位和預(yù)應(yīng)力筋的延伸量。

4.9 掛籃預(yù)壓及承載力試驗

本橋采用掛籃懸臂施工方法,懸澆重量很大,掛籃的承載能力和變形性能是保證橋梁施工安全和線形控制的關(guān)鍵。因此,為確保掛籃的承載能力和變形性能達到要求,需進行掛籃的承載力實驗,以測定掛籃的彈、塑性變形和其實際承載能力。主要步驟為掛籃預(yù)壓、逐級加載試驗。試驗完成后,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出掛籃前端變形與加載噸位之間的關(guān)系曲線,作為以后懸臂施工設(shè)置預(yù)拋高的依據(jù)。

5 結(jié)束語

在通河松花江特大橋施工過程中,對各施工工況進行了詳細的計算和數(shù)據(jù)采集,并對標高進行調(diào)整,合攏后大橋線形平順,箱梁應(yīng)力水平在設(shè)計要求范圍之內(nèi),施工控制達到了預(yù)期的要求。