大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工控制研究

唐建昌

(成都公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，成都 611130)

前言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋作為一種結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力大的橋型，在近幾十年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。采用掛籃懸臂澆筑節(jié)段混凝土來(lái)建造大跨度混凝土梁橋，已成為該類橋梁建造方法的主流技術(shù)［1］。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋采用懸臂法澆筑施工的過程中，由于結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化和測(cè)量系統(tǒng)誤差的存在及干擾，隨著施工階段的推移誤差逐漸累積，若不進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致橋梁無(wú)法順利合攏或者合攏后的線形極其不流暢。由于橋梁施工是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過程，只有及時(shí)消除這些隨機(jī)殘余誤差帶來(lái)的不利影響，才能有效地避免成橋階段橋梁結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力出現(xiàn)較大的偏差。發(fā)現(xiàn)誤差只是其中的一小部分工作，關(guān)鍵的步驟是誤差處理工作，即結(jié)合橋梁的誤差調(diào)整理論，對(duì)存在的這些誤差進(jìn)行辨識(shí)、調(diào)整、修正甚至預(yù)測(cè)。從而使橋梁結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)盡可能地符合理想設(shè)計(jì)狀態(tài)，確保整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)受力的安全和線形的相對(duì)完美，最終使實(shí)際的成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求［2］［3］。

本文結(jié)合一實(shí)際三跨連續(xù)梁橋的施工過程，對(duì)該類橋梁施工控制過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題開展了理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1 工程概況

成都第二繞城高速公路西段府河特大橋?yàn)槿邕B續(xù)梁橋，上部結(jié)構(gòu)為(72 +120 +72)m 變截面連續(xù)箱梁，主梁為單箱單室PC 箱梁，上下行分離，箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工法。頂板寬16.25m，厚0.32m，設(shè)2%橫坡;底板寬8.55m，厚由0.32m按2 次拋物線變化至0.80m，橫橋向底板保持水平;箱梁根部梁高7.2m，跨中梁高3.0m，梁高按1.7 次拋物線變化;腹板厚度為0.5～0.9m 按線性變化。在中跨合攏段設(shè)置一道0.50m 寬的橫隔板，在墩頂處設(shè)置寬度為2.2m 的橫隔板，邊跨端部設(shè)1.4m 邊隔板。下部結(jié)構(gòu)為實(shí)心墩，墩身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩橫橋向與箱梁底部同寬，為8.55m;順橋向?qū)挾?.2m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橋墩承臺(tái)12.2m×12.2m×3.5m。橋梁總體布置圖如圖1 所示。

2 計(jì)算模型

施工過程結(jié)構(gòu)分析的目的在于按照確定好的施工方案，根據(jù)橋梁所受荷載實(shí)際材料特性及現(xiàn)場(chǎng)外界條件進(jìn)行理論計(jì)算。根據(jù)每一施工步的內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)變形結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的實(shí)測(cè)偏差，預(yù)測(cè)下一階段的變形量值并提供給施工單位。施工單位(或監(jiān)測(cè)單位)根據(jù)監(jiān)控計(jì)算提供的結(jié)果，隨時(shí)監(jiān)測(cè)主梁施工(安裝)情況，最后順利建成橋梁并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)施工圖紙建立施工控制計(jì)算模型，本橋梁體和墩柱均采用空間梁?jiǎn)卧M，計(jì)算模型如圖2 所示。全橋共離散為109 個(gè)單元，111 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)布置圖(單位:cm)

圖2 全橋離散模型圖

在建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型時(shí)注意了以下幾點(diǎn):

(1)施工階段劃分。全橋共劃分21 個(gè)施工階段，安裝掛籃、澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束均按不同的階段考慮，以便對(duì)橋梁的應(yīng)力和線形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分別為:承臺(tái)施工、橋墩施工、0#塊～15#塊依次施工、邊跨現(xiàn)澆段施工、邊跨合攏施工、跨中合攏施工等。

(2)混凝土材料的時(shí)變效應(yīng)。根據(jù)混凝土材料的施工時(shí)間和硬化周期，明確每一施工梁段混凝土材料的加載齡期和計(jì)算齡期，分析混凝土由于時(shí)變效應(yīng)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的變化值。

(3)邊界條件。計(jì)算模型的邊界條件，根據(jù)實(shí)橋設(shè)計(jì)情況進(jìn)行定義。施工過程中，橋墩承臺(tái)處近似處理為固結(jié)狀態(tài)，主梁與主墩之間通過構(gòu)造措施處理為墩—梁固結(jié)狀態(tài)。邊跨現(xiàn)澆段采用滿堂支架施工法，直至主梁合攏。主梁合攏后，拆除墩梁固結(jié)區(qū)域的臨時(shí)約束，將橋梁支撐約束設(shè)定為連續(xù)梁的設(shè)計(jì)約束狀態(tài)。

3 監(jiān)控目的及理論

3.1 監(jiān)控目的

大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋成橋的主梁線形和結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的內(nèi)力與施工方法有著密切的關(guān)系，不同的施工方法和工序會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力。另一方面，由于各種因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變系數(shù)、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載和溫度影響等)的隨機(jī)性，以及在測(cè)量等方面產(chǎn)生的誤差，結(jié)構(gòu)的實(shí)際測(cè)量值難以與原理論設(shè)計(jì)值做到完全一致。尤其值得注意的是，某些偏差(如主梁的豎向撓度誤差)具有累積特性。

為了確保箱梁在施工過程中結(jié)構(gòu)受力和變形始終處于安全可控的范圍內(nèi)，且成橋后的主梁平、豎曲線符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)接近設(shè)計(jì)期望，必須在主橋施工過程中進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制。在施工過程中，采取有效的技術(shù)措施和管理措施，及時(shí)對(duì)施工中所暴露出來(lái)的問題進(jìn)行調(diào)整和處理，確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 監(jiān)控理論

連續(xù)梁橋是施工量測(cè)－識(shí)別－修正－預(yù)告－施工的循環(huán)過程，實(shí)質(zhì)上是使施工按照預(yù)定的理想狀態(tài)(主要是施工標(biāo)高)順利推進(jìn)。

已建成梁段的線形誤差在本階段是無(wú)法調(diào)整的，殘存的誤差只能通過下一個(gè)施工節(jié)段實(shí)際立模標(biāo)高值的設(shè)置來(lái)調(diào)整;其次，及時(shí)識(shí)別參數(shù)誤差，重新計(jì)算未澆筑梁段的預(yù)拱度值，修正下一施工節(jié)段的立模標(biāo)高值;所以，要保證控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，最根本的就是對(duì)立模標(biāo)高做出盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，即主要依靠預(yù)測(cè)控制。無(wú)論施工過程如何，總是以最終橋梁成型狀態(tài)作為目標(biāo)狀態(tài)，以此來(lái)控制各施工塊件的立模標(biāo)高［4］。

3.2.1 線形監(jiān)控

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的線形監(jiān)控中，主要目的是測(cè)量到各施工節(jié)段真實(shí)的幾何形態(tài)，主要包括平面線形和高程線形涉及到的結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)主要有預(yù)拱度值、高程觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高值、立模標(biāo)高值、軸向水平偏移、跨徑、各施工梁段的長(zhǎng)度、各施工截面的幾何尺寸以及成橋后的線形等。為了保證成橋之后的線形盡可能地接近理想狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制預(yù)拱度值、高程觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高值、立模標(biāo)高值、軸向水平偏移和各施工截面的幾何尺寸這五個(gè)結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)［5］。

3.2.2 應(yīng)力監(jiān)控

在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋上，主要測(cè)試大橋的橋墩和箱梁截面的應(yīng)力，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋還必須注意墩梁臨時(shí)固結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力情況。一般來(lái)說，橋墩上測(cè)點(diǎn)布置在墩底、橫系梁及墩頂截面處，主梁上測(cè)點(diǎn)布置在懸臂根部、L/4、L/2等關(guān)鍵截面上。

4 監(jiān)控方案

4.1 線形監(jiān)控

主梁線形控制點(diǎn)布置在每個(gè)懸澆節(jié)段前端10cm處。測(cè)點(diǎn)采用一定長(zhǎng)度的鋼筋牢固焊接定位于頂(底)板鋼筋骨架上，鋼筋頂面加工成半球形，鋼筋頭應(yīng)高出混凝土頂面約2cm。各測(cè)點(diǎn)的橫向布置如圖3 所示。圖中測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3 距截面中心對(duì)稱布置，測(cè)點(diǎn)2 為控制截面梁頂面中線點(diǎn);測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5對(duì)稱布置在箱梁底板上。

圖3 主梁線形控制點(diǎn)布設(shè)位置圖

圖4 合攏后右幅主梁頂板線形控制成果對(duì)比圖

圖5 鋪裝后右幅主梁頂板線形控制成果對(duì)比圖

4.2 應(yīng)力監(jiān)控

結(jié)合理論分析成果及施工實(shí)際，選擇了懸臂根部、二分之一懸臂段兩個(gè)控制斷面作為主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面。埋設(shè)應(yīng)變測(cè)試元器件(振弦式應(yīng)變測(cè)試儀)跟蹤測(cè)量控制斷面的應(yīng)變，通過測(cè)試應(yīng)變計(jì)算得到應(yīng)力，從而建立施工預(yù)警機(jī)制。截面測(cè)點(diǎn)布置如圖6、圖7 所示。

5 監(jiān)控結(jié)果

為了合攏時(shí)兩側(cè)懸臂端誤差達(dá)到合攏精度要求，合攏后的橋梁成橋線型滿足設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)各懸臂施工節(jié)段的線型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便在施工中及時(shí)調(diào)整有關(guān)的線形參數(shù)，為隨后的施工控制指令發(fā)出提供數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)，保證施工的順利進(jìn)行。不同階段完成澆筑的梁段，其強(qiáng)度發(fā)展是不盡相同的，而且其所受的荷載也具有很大的不確定性。因此，對(duì)施工過程中的主梁應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論分析值進(jìn)行比較，是我們判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否處于安全范圍的重要依據(jù)之一［6］。

圖6 懸臂根部截面控制點(diǎn)布設(shè)位置圖

圖7 二分之一懸臂段截面控制點(diǎn)布設(shè)位置圖5 監(jiān)控結(jié)果

圖8 右幅21#墩懸臂根部截面小里程側(cè)頂板實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力對(duì)比(MPa)

圖9 右幅21#墩懸臂根部截面小里程側(cè)底板實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力對(duì)比(MPa)

5.1 線形監(jiān)控

主梁頂板線形控制成果對(duì)比如圖4、圖5 所示，從中可以看出，裸梁頂面中線實(shí)測(cè)標(biāo)高、鋪裝層頂面中線實(shí)測(cè)標(biāo)高與相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)高吻合較好，表明在施工過程中主梁線形控制較為得當(dāng)，合攏后整體線形比較平順，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 應(yīng)力監(jiān)控

懸臂根部截面小里程側(cè)頂板、底板應(yīng)力情況如圖8、圖9 所示。從圖中可以看出，該橋主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面(懸臂根部和二分之一懸臂)的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值變化規(guī)律基本吻合，數(shù)據(jù)變化較有規(guī)律，這也反映出該橋預(yù)應(yīng)力鋼束張拉是有效的、符合設(shè)計(jì)要求的。個(gè)別截面的實(shí)測(cè)值較理論值略偏大，這主要是由儀器誤差、材料容重、尺寸偏差、溫度應(yīng)力、收縮徐變、施工荷載等因素造成的。從整個(gè)施工過程的應(yīng)力變化趨勢(shì)及線形標(biāo)高數(shù)據(jù)上看，施工過程是正常的，未發(fā)現(xiàn)異?；蛭＜敖Y(jié)構(gòu)安全的情況。

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)連續(xù)梁橋的施工線形監(jiān)控和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，并應(yīng)用應(yīng)力誤差分析技術(shù)，取得到了較好的測(cè)試結(jié)果，有效地保證了橋梁建造質(zhì)量和施工安全。同時(shí)也為以后相似橋梁的施工控制提供了可供參考的依據(jù)。

［1］姚健鵬，梁明盛，陳忠誠(chéng).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋懸臂施工監(jiān)控［J］.公路，2012，(2):105-108.

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