高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋線形控制關(guān)鍵技術(shù)研究

李城，鄔曉光，肖飛，陶甫先

（長安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064）

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋線形控制關(guān)鍵技術(shù)研究

李城，鄔曉光，肖飛，陶甫先

（長安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064）

橋梁線形控制是施工監(jiān)控的關(guān)鍵內(nèi)容，是保證橋梁順利合龍和成橋線形達(dá)到設(shè)計要求的技術(shù)保障。影響連續(xù)剛構(gòu)橋線形的因素繁多，一旦控制不好會影響成橋后行車舒適度，甚至造成橋梁跨中下?lián)系葒?yán)重工程事故，文章結(jié)合怒江特大橋的監(jiān)控實例，綜合分析了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的線形監(jiān)控要點，采用有限元仿真計算與現(xiàn)場實時監(jiān)控數(shù)據(jù)相結(jié)合的監(jiān)控方法，通過調(diào)整施工立模標(biāo)高，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)整體線形的目的，并對比分析監(jiān)控數(shù)據(jù)的理論計算值與實測值。實踐表明，在怒江特大橋施工監(jiān)控過程中所采用的技術(shù)措施，不僅為大橋的成功修建起了重要作用，也為連續(xù)剛構(gòu)橋施工線形控制積累一定的經(jīng)驗。

連續(xù)剛構(gòu)橋；預(yù)拱度；線形控制；立模標(biāo)高

引言

為滿足國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的需求，大跨橋梁日益增多。而連續(xù)剛構(gòu)橋由于結(jié)構(gòu)整體性好、跨越能力大、抗震能力強(qiáng)、抗扭潛力大、施工簡單、伸縮縫少和行車平順舒適等優(yōu)點，在我國大跨橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。

連續(xù)剛構(gòu)橋是墩梁固結(jié)的超靜定結(jié)構(gòu)，對施工荷載、預(yù)應(yīng)力、墩臺不均勻沉降、溫度和混凝土收縮徐變等的影響均較敏感，且施工過程中，結(jié)構(gòu)體系不斷變化，其應(yīng)力和位移亦處于動態(tài)，如果不通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)實測值與計算理論值相差過大的問題并采取措施進(jìn)行調(diào)整，就可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)跨中下?lián)匣蚱渌鹿?。下?lián)线^大，不僅影響外觀，也會影響橋梁的使用安全。因此，為了保證橋梁在施工過程中結(jié)構(gòu)的安全、橋梁的順利合龍及合龍后成橋線形良好，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制必不可少［1］。

結(jié)合怒江特大橋的施工監(jiān)控實例，將掛籃預(yù)壓及預(yù)拱度設(shè)置作為關(guān)鍵技術(shù)，通過調(diào)整立模標(biāo)高來控制橋梁結(jié)構(gòu)的線形。K0+360怒江特大橋位于云南省道S22S線六庫～躍進(jìn)橋段二級公路1合同段，為跨越怒江而設(shè)。主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋跨布置為SS+160+SS米，主橋由兩個160米T構(gòu)組成對稱結(jié)構(gòu)，采用掛籃懸臂施工法。主橋立面、典型橫斷面如圖1、圖2所示。

1 有限元分析

首先對監(jiān)控橋梁進(jìn)行有限元分析，它的精確與否直接關(guān)系到橋梁施工監(jiān)控的有效性。本橋采用空間有限元軟件Midas Civil根據(jù)施工工藝和工序、掛籃的結(jié)構(gòu)形式和臨時施工荷載，并綜合考慮混凝土收縮徐變、溫度效應(yīng)的影響，計算施工過程中各個施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，為施工監(jiān)控提供理論計算值。

1.1 計算模型

怒江大橋采用空間梁單元建模。整個橋梁共劃分為167個節(jié)點，162個單元，本橋采用分階段懸澆施工，每階段施工順序為：掛籃安裝—立?！獫沧⒒炷痢B(yǎng)護(hù)—預(yù)應(yīng)力筋張拉—掛籃前移。計算模型根據(jù)本橋的實際施工劃分為24個施工階段和1個運(yùn)營階段，考慮施工過程中各梁段混凝土的不同齡期，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)計算。有限元整體模型如圖3所示。

圖1怒江大橋主橋立面示意圖

圖2典型橫斷面圖

圖3有限元整體模型圖

1.2 邊界及荷載

在結(jié)構(gòu)計算中，主墩底部視為固定支座，邊跨端視為活動鉸支座，墩梁固結(jié)處采用彈性連接模擬?？紤]的荷載主要有：自重（墩身和主梁分別采用C50、C55混凝土，計算時容重取26 kN/m3），掛籃荷載，施工荷載（主要包括模板、人群、機(jī)具、材料重量等），預(yù)應(yīng)力荷載，混凝土濕重，混凝土收縮徐變，溫度荷載（溫升、溫降20℃），二期恒載，移動荷載（公路-I級荷載）及合龍時壓重。

2 預(yù)拱度控制關(guān)鍵因素

懸臂施工屬于典型的自架設(shè)施工方法，施工過程中的已成結(jié)構(gòu)（懸臂階段）狀態(tài)是無法實時調(diào)整的，因此怒江大橋主要采用預(yù)測控制法。將參數(shù)誤差以及其它因素引起的主梁標(biāo)高的變化反應(yīng)在立模標(biāo)高中并予以修正，最終通過調(diào)整立模標(biāo)高進(jìn)行主梁線形控制［2］。

2.1掛籃變形控制

由監(jiān)控單位配合施工單位進(jìn)行掛籃荷載試驗，測量掛籃變形值，為懸澆施工時高程控制提供參數(shù)，并通過加載試驗消除掛籃的塑性變形（非彈性變形），改善掛籃的工作狀況。本橋預(yù)壓荷載取：預(yù)壓荷載=1.2×（混凝土自重+混凝土振搗荷載+人群及機(jī)具荷載）= 1.2×（72×2.6+3.5×12×0.2+3.5×12×0.25）= 247.32 t，分20%、60%、100%、120%四級加卸載，測點布置如圖4所示，掛籃變形曲線如圖5所示。

圖4掛籃預(yù)壓沉降變形觀察點平面布置圖

圖5掛籃變形曲線圖

由圖5知該掛籃的平均彈性變形大于規(guī)范要求的2 cm。掛籃彈性變形量過大，不僅增加了施工過程中橋梁整體線形的控制難度，嚴(yán)重時還會引起掛籃傾覆、坍塌等工程事故。為了保障施工質(zhì)量和施工安全，必須找出該掛籃下?lián)线^大的原因，并提出掛籃改進(jìn)措施以減小下?lián)狭?。?jīng)掛籃預(yù)壓及有限元驗算后發(fā)現(xiàn)掛籃最大豎向位移發(fā)生在構(gòu)件的前端頭，且該位移主要由材料位移和主桁架其它部位位移組成。因此，根據(jù)怒江大橋施工現(xiàn)場的實際情況，采取的掛籃改進(jìn)措施是將主桁架底梁架設(shè)在外側(cè)豎向預(yù)應(yīng)力筋上方，掛籃到位后將主桁架底梁采用大螺栓帽錨固在豎向預(yù)應(yīng)力筋上，增加主桁架的豎向約束，如圖6所示。該措施在怒江大橋的實際應(yīng)用中取得了較好的效果，保證了橋梁的施工安全，并對橋梁施工控制起了重要作用［3］。

圖6掛籃增加錨固后有限元模型

2.2 標(biāo)高控制點布置

在離塊件前端10 cm處，采用Φ16鋼筋在垂直方向與頂板上下層鋼筋點焊牢固，預(yù)埋3個鋼筋頭觀測點A、B、C，梁底選擇3個觀測點a，b，c（在梁段端頭底模上），如圖7所示。施工過程中，對每一個當(dāng)前梁段進(jìn)行立模，澆筑砼前、后，鋼束張拉前、后的標(biāo)高進(jìn)行實時觀測，觀察各點的撓度變化及箱梁曲線變化歷程，并將實測值與計算值進(jìn)行對比分析［4］。

圖7各懸澆節(jié)段測點布置示意圖

2.3 預(yù)拱度設(shè)置

對于使用懸澆施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，為了滿足線形設(shè)計和施工要求，懸臂施工的兩端應(yīng)保持平衡并預(yù)設(shè)上拱度，即設(shè)置預(yù)拱度。

（1）施工預(yù)拱度

設(shè)置施工預(yù)拱度是為了消除施工過程中各種荷載對橋梁線形產(chǎn)生的影響。而在懸澆施工之前，準(zhǔn)確計算各個施工階段的撓度值是計算施工預(yù)拱度的關(guān)鍵。目前我國撓度的計算主要有三種方法，即相對撓度法（長線法）、短線法和絕對撓度法。怒江大橋的施工預(yù)拱度計算采用絕對撓度法，也就是i梁段只有在立模以后才會有撓度，各節(jié)段撓度相互獨(dú)立，各節(jié)段撓度等于本節(jié)段施工過程中產(chǎn)生的撓度。與其它兩種方法相比，絕對撓度法的優(yōu)點是后序節(jié)段的施工不受前面已澆節(jié)段施工誤差的影響，每一節(jié)段的立模過程都是對前面施工階段產(chǎn)生的偏差的修正過程［5］。

施工預(yù)拱度計算：

fs=fgi+fxi+fhi+∑fzi+∑fyi

式中，fs—施工預(yù)拱度；fgi—掛籃彈性變形值，由掛籃設(shè)計和預(yù)壓得知；fxi—混凝土收縮徐變對i階段的影響；fhi—1/ 2靜活載在i階段產(chǎn)生的撓度；∑fzi—各梁段自重在i階段產(chǎn)生的撓度；∑fyi—張拉預(yù)應(yīng)力對i節(jié)段撓度的影響。

根據(jù)設(shè)計要求，怒江大橋的施工預(yù)拱度計算只計算到橋面鋪裝結(jié)束［6］。施工預(yù)拱度如圖S所示。

（2）成橋預(yù)拱度

成橋后，橋梁在長期荷載作用下產(chǎn)生的變形受多種因素的影響，施工時難以預(yù)測和控制，為了能盡量減小成橋后的長期下?lián)?，確保結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，目前大多采用預(yù)先設(shè)置成橋預(yù)拱度的方法解決下?lián)蠁栴}。

成橋預(yù)拱度的設(shè)置方法主要有2種：經(jīng)驗曲線分配法和經(jīng)驗擴(kuò)大計算曲線法。經(jīng)驗曲線分配法是一種先確定跨中最大預(yù)拱度，再按經(jīng)驗曲線一次拋物線向墩頂分配的方法。擴(kuò)大計算曲線法是一種保留理論計算所得的線形規(guī)律，按照實際下?lián)铣^計算值的大小將曲線值進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)大的方法。根據(jù)多年來工程實踐知，目前我國跨中成橋預(yù)拱度值一般取L/1000～L/1500（中孔跨徑），邊孔最大撓度一般發(fā)生在3/4L處，約為中孔最大撓度的1/4。另外，連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩采用柔性墩，且墩梁固結(jié)，在后期運(yùn)營時會向跨中方向產(chǎn)生位移，由變形協(xié)調(diào)關(guān)系知，轉(zhuǎn)角位移使邊孔上撓及中孔跨中下?lián)稀Ｒ虼?，一般邊跨的成橋預(yù)拱度設(shè)置較小，在3/4L處設(shè)置fc/4預(yù)拱度（fc為中孔跨中成橋預(yù)拱度）。

圖8施工階段預(yù)拱度控制圖

怒江大橋采用經(jīng)驗曲線分配法，即：中跨預(yù)拱度在己計算的施工預(yù)拱度的基礎(chǔ)上，按L/1200+1/2d2（L為中跨跨徑，d2為活載撓度）提高預(yù)拱度（最大撓度在跨中，跨中成橋預(yù)拱度fc），邊跨按中跨最大撓度1/4計算（最大撓度在邊跨3/4L處）。然后將其余各點按余弦曲線分配［7_S］，如圖9所示。成橋預(yù)拱度見表1。

圖9怒江大橋成橋預(yù)拱度的分配曲線圖

表1怒江大橋10#～20#塊成橋預(yù)拱度表

怒江大橋中跨最大成橋預(yù)拱度值：

fc=L/1200+d2/2=133+10=143 mm

需說明的是，因為邊跨L/4截面不在接縫處，為保證施工時fc/4能夠?qū)嶋H存在，將其向中跨方向平移了0.35 m，使其在17號與1S號塊接縫處。曲線函數(shù)：

A曲線：

B曲線：

C曲線：

2.4 立模標(biāo)高確定

怒江大橋的立模標(biāo)高計算［9_10］：

式中，Hilm—待澆梁段前端掛籃底模板標(biāo)高；Hisj—待澆梁段前端底板設(shè)計標(biāo)高（由設(shè)計單位提供）；fy—本梁段預(yù)拱度，fy=fc+fs，其中，fc—本梁段成橋預(yù)拱度；fs—本梁段施工預(yù)拱度（包括恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工荷載引起的撓度）；ft—立模標(biāo)高調(diào)整值。

橋梁監(jiān)控過程中，每個梁段預(yù)應(yīng)力張拉后對當(dāng)前梁段和已澆筑的前三個梁段高程測點進(jìn)行測量，通過比較實測和理論值實時修正理論模型，然后通過調(diào)整立摸標(biāo)高消除后續(xù)梁段理論與實際的偏差?，F(xiàn)取怒江大橋2號T構(gòu)17#塊澆注完成后線形進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 2號T構(gòu)17#塊澆筑后主梁線形監(jiān)測

從圖10可以看出2號T構(gòu)在最初的幾個號塊的實際線形與設(shè)計線形偏差稍大，后續(xù)號塊在經(jīng)過各影響參數(shù)識別分析通過立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整后，實際線形與設(shè)計線形吻合較好。

3 成橋結(jié)果分析

通過對立模標(biāo)高的準(zhǔn)確給定和及時調(diào)整，使得怒江大橋在全橋合龍后，成橋線形流暢、平順，與監(jiān)控目標(biāo)線形吻合較好（圖11），本橋合龍誤差最大為1.4 cm，滿足設(shè)計圖紙上要求的箱梁合龍前合龍段兩側(cè)箱梁的相對豎向高差不大于2 cm的精度（表2）。全橋整體狀態(tài)良好，滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

圖11怒江大橋合龍后通測橋面線形圖

表2怒江大橋和龍精度表

4 結(jié)論

本文利用預(yù)測控制法對怒江大橋進(jìn)行線形監(jiān)控，結(jié)合怒江大橋的施工工藝，建立Midas Civil有限元模型，制定與該橋相應(yīng)的監(jiān)控方案。

（1）懸臂澆注以前必須對掛籃進(jìn)行預(yù)壓，若掛籃彈性變形大于規(guī)范要求時，需進(jìn)行原因分析并采取加固措施。

（2）運(yùn)用余弦曲線分配法進(jìn)行成橋預(yù)拱度的設(shè)置可以使主梁線形平順，設(shè)置邊跨成橋預(yù)拱度時，為保證施工時最大預(yù)拱度實際存在，可將其位置適當(dāng)移動至拼縫處，且不會對整體結(jié)構(gòu)線形產(chǎn)生太大影響。

（3）監(jiān)控過程中，每個梁段預(yù)應(yīng)力張拉完成后對當(dāng)前梁段和已澆筑的前三個梁段高程進(jìn)行復(fù)測，能夠為后期修正模型給出更精確的理論值提供有效的數(shù)據(jù)。

怒江大橋成橋線形美觀、預(yù)拱度合理、結(jié)構(gòu)安全、符合設(shè)計要求，監(jiān)控過程中還發(fā)現(xiàn)溫度變化對梁體的撓度影響比較明顯，為消除溫度變化的影響，監(jiān)測時間固定在早晨5∶00～7∶00，且效果較好。

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Key Technique Research of Linear Control for Long Span Continuous Rigid Frame Bridge with High_Rise Piers

LICheng，WU Xiaoguang，XIAO Fei，TAO Fuxian
（School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，China）

The bridge linear control is the key contentof constructionmonitoringwhich guarantees smooth closed and the linear of bridge tomeet the design requirements.There are a lot of influence factors of the continuous rigid frame bridge'linear. Once the control is bad will notonly affect the driving comfort，butalso even cause seriousengineering accidents ofmidsPan'down_ ward.So，in this PaPer，combined with themonitoring of Nujiang Giant Bridge tomake a comPrehensive analysis of the linear monitoring Points of the long_sPan continuous rigid frame bridge with high Piers，use themethod of the finite element simula_ tion calculation that combined with the real_timemonitoring tomonitor.Through the adjustmentof the verticalmold elevation，the PurPose of linear structure controlling is obtained，the theoretical calculated values and measured values are contrasted and analysed.Practice shows that the technicalmeasures adoPted in the Process of Nujiang bridge'construction monitoring，not only has Played an imPortant role in the success of the bridge construction，but also has accumulated some exPerience for the linear construction control of continuous rigid frame bridge.

continuous rigid_framed bridge；camber；linear control；the verticalmold elevation

U443.3

A

1673_1549(2014)02_0078_05

10.11863/j.suse.2014.02.17

2013_10_2S

李城（19S9_），男，山東日照人，碩士生，主要從事橋梁檢測、加固及監(jiān)控方面的研究，（E_mail）546517093@qq.com