大跨徑連續(xù)梁橋施工監(jiān)控研究與實(shí)踐

楊 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

近幾年來(lái),隨著鐵路事業(yè)的快速發(fā)展,大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋因其結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力大、施工技術(shù)成熟而得到了廣泛應(yīng)用。施工時(shí)主要采用掛籃分段懸臂澆筑的方法,其主要特點(diǎn)是：施工時(shí)需要分節(jié)段立模澆筑混凝土梁段,然后再分批張拉鋼束,逐步完成體系轉(zhuǎn)換和合龍等眾多施工工藝,所以,整個(gè)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中,其線形和應(yīng)力會(huì)發(fā)生比較復(fù)雜的變化。為了保證成橋時(shí)的線形及每一節(jié)段施工中的安全和質(zhì)量,對(duì)于大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁,在施工時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和力學(xué)分析。

1 工程概況

中平跨京珠高速公路特大橋是石武客運(yùn)專線上的一座重要橋梁,其橋跨布置為(80.6+128+80.6) m的3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,截面形式采用單箱單室、變高度、變截面直腹板形式,梁頂板寬12 m,底板寬7 m。中支點(diǎn)梁高9.6 m(高跨比1/13.3),邊支點(diǎn)及跨中梁高5.6 m(高跨比1/22.8),梁底按二次拋物線變化。主梁施工采用掛籃懸臂澆筑法,全橋除0號(hào)塊外共分為21對(duì)梁段,中支點(diǎn)0號(hào)塊梁段長(zhǎng)18 m,邊跨、中跨合龍段長(zhǎng)度均為2.0 m,邊跨現(xiàn)澆直線段長(zhǎng)16.45 m,最大懸臂澆筑塊重21 332.5 kN。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用19-7φ5 mm、15-7φ5 mm鋼絞線,豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ25 mm的螺紋鋼筋,橫向預(yù)應(yīng)力束采用4-7φ5 mm鋼絞線。

2 施工監(jiān)控思路

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工控制是一個(gè)理論計(jì)算預(yù)測(cè)→按預(yù)測(cè)進(jìn)行階段施工→階段施工完后量測(cè)、反饋→根據(jù)量測(cè)反饋進(jìn)行參數(shù)識(shí)別、修正→進(jìn)行下一階段理論計(jì)算預(yù)測(cè)的循環(huán)過(guò)程。其工作內(nèi)容主要分為2個(gè)部分：一部分是數(shù)據(jù)的采集,預(yù)先在橋上埋設(shè)各類傳感器和監(jiān)控系統(tǒng),每個(gè)施工工況完成后采集數(shù)據(jù)；另一部分是根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,以確定下一個(gè)施工階段的參數(shù)。因此,在施工監(jiān)控中需要采集大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和進(jìn)行大量的計(jì)算工作。

3 分析模型的建立

3.1 結(jié)構(gòu)單元的劃分

中平特大橋的計(jì)算采用橋梁專用分析軟件Midas/Civil進(jìn)行分析模擬計(jì)算,全橋采用空間直線梁?jiǎn)卧?共323個(gè)節(jié)點(diǎn),322個(gè)單元。全橋模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

主梁采用C50混凝土,其彈性模量為3.55×104MPa,混凝土容重γ=25 kN/m3?？v向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度級(jí)別1 860 MPa,公稱直徑為15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,彈性模量為195 GPa。鋼束與管道壁的摩擦系數(shù)取0.25,偏差系數(shù)取0.003,錨具回縮取6 mm。

4 監(jiān)控方案

4.1 主梁線形控制

在掛籃懸臂法澆筑施工中,每一梁段預(yù)拱度的設(shè)置對(duì)于保證成橋線形是最為關(guān)鍵的。只有合理設(shè)置預(yù)拱度,才能在最后合龍階段保證2個(gè)懸臂端可能在同一水平線上,也才能保證梁部結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了施工階段和運(yùn)營(yíng)一定時(shí)間后,其橋面線形能盡量與設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)相吻合。對(duì)于主梁的橋面線形,其影響因素有很多,主要如下：(1)施工階段時(shí)主梁的自重和預(yù)加應(yīng)力,即通常所說(shuō)的一期恒載；(2)施工過(guò)程中的臨時(shí)荷載；(3)懸澆時(shí)采用的機(jī)具設(shè)備重(掛籃、模板等)；(4)二期恒載、風(fēng)荷載、濕度變化、溫度變化；(5)基礎(chǔ)沉降、橋墩變位、施工誤差等。

以上影響橋面線形的因素,在對(duì)中平特大橋的線形控制中,都做了充分的考慮。下面簡(jiǎn)要介紹各梁段立模高程的確定方法。立模高程主要按下面的公式計(jì)算。

H=H1+H2+f

式中H1、H2、f分別為設(shè)計(jì)高程、立模預(yù)拱度及掛籃的變形值。

設(shè)計(jì)高程一般由設(shè)計(jì)院提供,通過(guò)橋梁專業(yè)軟件程序?qū)Y(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析可以得到預(yù)拱度(本文采用Midas模擬分析得到),掛籃變形值可以通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)而得到。

中平特大橋在每段懸澆梁端斷面頂板上各布置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn),分別是箱梁中心線上和距梁兩邊0.5 m的位置處,如圖2所示。根據(jù)施工每一懸澆梁段的過(guò)程,分別對(duì)混凝土澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉后及掛籃移動(dòng)后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在各施工工況中,如每一梁段混凝土澆筑前后,預(yù)應(yīng)力張拉前后,觀測(cè)其高程最能客觀反映實(shí)際施工時(shí)主梁的撓度變化,這是在對(duì)結(jié)構(gòu)線形監(jiān)控分析中最重要的依據(jù)。由于篇幅所限,這里僅列出施工中1號(hào)墩部分高程的情況,見表1。

圖2 位移(高程)測(cè)點(diǎn)截面布置(單位：cm)

表1 1號(hào)主墩8號(hào)塊澆筑后主梁高程

一般,希望成橋后的線形是理論成橋線形,根據(jù)成橋后的最后一個(gè)施工階段向前依次反推前一個(gè)施工階段的橋梁高程,通過(guò)這種分析方法便可以得到不同施工階段下每一個(gè)梁段的理論高程值,通過(guò)對(duì)比分析,便可以得知理論值與實(shí)際線形的偏差,從而調(diào)整后續(xù)梁段的立模高程,以此來(lái)保證主梁線形,起到監(jiān)控作用。另外,成橋后的橋面平順與否是線形控制的主要目標(biāo),在各施工節(jié)段中,不必刻意地去追求個(gè)別點(diǎn)的理論高程,如果實(shí)測(cè)高程與理論計(jì)算值有偏差時(shí),不必非要在下一個(gè)梁段施工中立即修正過(guò)來(lái),而應(yīng)該先分析產(chǎn)生偏差的原因,而后修正后續(xù)梁段的立模高程,逐漸將高程偏差糾正過(guò)來(lái)。最后成橋時(shí)可能很多梁段的實(shí)際高程與設(shè)計(jì)高程不符,但橋面整體線形平順。

從表1高程數(shù)據(jù)可以看出：各梁段高程偏差基本控制在10 mm范圍內(nèi),最大差異也僅有7 mm,是比較小的,說(shuō)明線形得到了很好的控制。

4.2 應(yīng)力監(jiān)控

應(yīng)力監(jiān)測(cè)是保證大橋在施工階段和成橋運(yùn)營(yíng)時(shí)安全的主要依據(jù),也是大跨徑連續(xù)梁橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容之一。通過(guò)在需要測(cè)試截面的梁段混凝土中預(yù)先埋入應(yīng)力測(cè)試元件,并在以后的各施工階段進(jìn)行測(cè)試。由于需要在橋梁每一梁段施工中根據(jù)各荷載工況分別進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,因此在選擇測(cè)試元件時(shí),要求元件應(yīng)具備抗干擾能力強(qiáng),性能穩(wěn)定,埋設(shè)方便及對(duì)施工干擾小等特點(diǎn)。通過(guò)以前的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和對(duì)國(guó)內(nèi)元件的綜合分析比較,采用埋入式應(yīng)變傳感器,讀數(shù)儀器采用配套的SS-Ⅱ型鋼弦式頻率測(cè)定儀。

中平特大橋的主梁選擇9個(gè)測(cè)試截面,分別設(shè)置在0號(hào)塊、2號(hào)塊、邊跨跨中及中跨跨中處,如圖3所示,鋼筋應(yīng)力計(jì)分別布置在頂板上層鋼筋和底板下層鋼筋上,每個(gè)測(cè)試斷面布置4根鋼筋應(yīng)力計(jì),如圖4所示。本橋應(yīng)力監(jiān)控采用階段應(yīng)力分析方法,其優(yōu)點(diǎn)是可充分反應(yīng)梁體在各個(gè)施工階段所產(chǎn)生的應(yīng)力變化情況,根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)階段進(jìn)行分析和處理。由于所采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較多和篇幅所限,僅給出2號(hào)塊截面施工階段下的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析,如圖5、圖6所示。

圖3 主梁測(cè)試斷面布置(單位：m)

注：圖中黑色小矩形塊表示鋼筋應(yīng)力計(jì)布置位置

圖5 連續(xù)梁2號(hào)段邊跨側(cè)距墩頂12 m截面混凝土應(yīng)力隨施工過(guò)程變化實(shí)測(cè)曲線

圖6 連續(xù)梁2號(hào)段中跨側(cè)距墩頂12 m截面混凝土應(yīng)力隨施工過(guò)程變化實(shí)測(cè)曲線

由圖5、圖6所反應(yīng)的混凝土應(yīng)力變化情況來(lái)看,2號(hào)塊截面各個(gè)施工階段下的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算的理論值變化趨勢(shì)基本一致,應(yīng)力相差也不大,實(shí)測(cè)值中最大值在9 MPa以內(nèi),說(shuō)明采用程序計(jì)算的理論結(jié)果是可靠的,能夠保證連續(xù)梁在整個(gè)施工過(guò)程中,其實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)一直處于安全有效的控制之中。

4.3 溫度監(jiān)控

由于橋梁施工監(jiān)控的周期長(zhǎng),氣候季節(jié)的變化,周圍溫度的改變和陽(yáng)光照射不同的原因,再加上混凝土結(jié)構(gòu)本身的熱傳導(dǎo)性能比較差,這些都將會(huì)使結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部形成較大的溫度梯度。本橋在1號(hào)墩靠近墩身處(1號(hào)段)預(yù)埋溫度傳感器,通過(guò)預(yù)埋元件監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù),獲得箱梁的溫度場(chǎng),進(jìn)而掌握箱梁的溫度變化規(guī)律,為預(yù)測(cè)高程和確定箱梁合龍溫度提供依據(jù)。

對(duì)1號(hào)塊從早上8：00點(diǎn)到晚上18：00點(diǎn)每隔2 h測(cè)1次懸臂前端斷面的高程,并記錄測(cè)量時(shí)的溫度,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以得知：當(dāng)外界氣溫變化時(shí),箱梁撓度不是立即跟著變化,而是具有滯后性,即當(dāng)溫度升高,箱梁不是立即跟著下?lián)稀?/p>

由于溫度的升高,箱梁有普遍下?lián)系囊?guī)律,因而對(duì)施工階段的高程觀測(cè)產(chǎn)生較大的誤差。所以,大跨連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控觀測(cè)應(yīng)在氣溫基本相同的情況下進(jìn)行。一般宜在早晨8：00之前結(jié)束當(dāng)次測(cè)試工作。本橋在監(jiān)控過(guò)程中,采用上述溫度—撓度變形測(cè)量的成果,在確定每一節(jié)段立模高程時(shí),分析影響因素,對(duì)其進(jìn)行修正,取得了較好的效果。

表2 1號(hào)塊箱梁溫度-撓度隨氣溫變化觀測(cè)結(jié)果

注：天氣狀況,晴天；施工工況,1號(hào)塊澆筑后。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)石武客運(yùn)專線中平特大橋的監(jiān)控分析,得出以下結(jié)論。

(1)從主梁的線形控制結(jié)果來(lái)看,雖然各梁段實(shí)測(cè)高程值與理論高程值有些偏差,但偏差范圍均控制在10 mm以內(nèi),符合規(guī)范的要求。這說(shuō)明將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論模型相結(jié)合來(lái)分析所得出的各節(jié)段立模高程值來(lái)指導(dǎo)施工,可有效地控制誤差的產(chǎn)生。

(2)從主梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,所布置監(jiān)測(cè)元件的測(cè)點(diǎn)截面,在各施工階段下的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的變化規(guī)律基本相符,吻合較好,說(shuō)明了本文采取的計(jì)算理論是正確的,計(jì)算結(jié)果是可靠的。

(3)通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)值與理論值,中平特大橋在懸臂施工過(guò)程中的線形和應(yīng)力都得到了很好的控制,因而所采用的施工監(jiān)控方案可以為以后類似橋形的施工控制提供借鑒。

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