預應力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工的監(jiān)控技術(shù)研究

楊亞芳

(中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西西安　030024)

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預應力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工的監(jiān)控技術(shù)研究

楊亞芳

(中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西西安030024)

摘要:結(jié)合鄭西高鐵咸陽渭河特大橋工程，總結(jié)了施工過程中影響大跨徑預應力混凝土連續(xù)彎梁橋應力、應變的主要因素，分析了彎橋結(jié)構(gòu)在懸臂法施工階段的力學性能和線形變化規(guī)律，探討了曲率半徑和季節(jié)溫差對彎橋的作用效果。研究結(jié)果表明:隨著曲率半徑的減小，靜定T構(gòu)懸臂根部截面的扭矩增大，而彎矩和軸力有所減小，橫向位移增加明顯;季節(jié)溫差會引起靜定T構(gòu)端部截面產(chǎn)生較大的橫向位移;日照溫差應按二維溫度梯度模式進行溫度作用效應計算，不同的溫度梯度模式引起的效應差別很大。

關(guān)鍵詞:預應力連續(xù)彎梁橋施工監(jiān)控懸臂法施工曲率半徑溫差

連續(xù)梁具有結(jié)構(gòu)整體性能好、剛度大、抗震性能好、行車舒適、養(yǎng)護簡易、橋面伸縮縫少等諸多優(yōu)點。為了保證橋梁在整個施工過程中的安全以及對施工進行優(yōu)化，使橋梁在各個施工階段的幾何線性及應力分布能夠最大程度地接近設(shè)計要求，需要對橋梁施工進行控制與監(jiān)測［1-3］。HASSAN，MURIA-VILA等［4-5］通過對橋梁長期監(jiān)測與分析，及時了解和控制橋梁的受力狀況，使橋梁健康評估更精確可靠;李祥輝［6］在研究橋梁檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到橋梁在運營階段的收縮徐變，提出了一種較為實用的橋梁健康狀況評估方法;李國平等［7］提出了最優(yōu)施工控制的理論和方法，并應用于大跨度連續(xù)梁橋;顧安邦等［8］提出隨機最優(yōu)監(jiān)控理論，在重慶黃花園嘉陵江大橋施工監(jiān)控中予以運用。

本文總結(jié)了施工過程中影響大跨徑預應力混凝土連續(xù)彎梁橋應力、應變的主要因素，運用Midas/Civil仿真軟件分析了該橋在懸臂法施工階段的力學性能和線形變化規(guī)律。

1　懸臂法施工

1. 1施工流程

主梁采用懸臂灌筑法施工，墩頂梁段在各墩頂灌筑，其余梁段用活動掛籃懸臂灌筑。

0#塊施工工藝流程:墩頂臨時固結(jié)施工→支架搭設(shè)及預壓→0#塊底模板、外模板安裝→0#塊混凝土澆筑→0#塊與臨時墩固結(jié)→張拉錨固相應預應力筋。

活動掛籃懸臂法施工工藝流程:掛籃前移就位→調(diào)平模板→(鋼筋制作)安裝底板及腹板鋼筋→安裝內(nèi)?！壴敯邃摻睢惭b預應力管道→監(jiān)理工程師驗收→澆筑混凝土(制作試塊)→混凝土養(yǎng)護、拆模及接縫處理→預應力筋下料、穿束→張拉預應力筋→封錨、壓漿→掛籃前移就位。

1. 2施工關(guān)鍵技術(shù)

1)施工穩(wěn)定性設(shè)置

在懸臂法施工過程中，可能會出現(xiàn)不對稱懸臂或橫向不對稱荷載，此時必須保證梁段上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，0#塊梁與橋墩之間需要采取一定固結(jié)措施，使梁段在整個施工階段處于穩(wěn)定和可靠狀態(tài)。

2)預拱度設(shè)置

通過設(shè)置預拱度來實現(xiàn)梁體的線形要求。在各個施工階段進行合理的撓度控制，采用Midas/Civil軟件倒序法進行撓度計算，根據(jù)每個階段的撓度值來設(shè)置預拱度，達到預期目標。

3)懸臂法施工過程中的糾偏措施

由于計算的誤差以及施工過程的偶然因素，梁體線形有可能達不到預期的設(shè)計目標，會出現(xiàn)一定的偏差，此時必須采取一定的糾偏措施。主要措施:通過測量梁體撓度，并與預期的恒載位移進行疊加得到梁體線形;如果梁體線形不合理，則運用最小二乘法與目標線形擬合，確定后續(xù)施工需要調(diào)整的節(jié)段及線形調(diào)整量。

2　工程條件

2. 1橋梁上部結(jié)構(gòu)形式

該工程為位于新建鐵路鄭州至西安客運專線引入西安樞紐客運北環(huán)線的咸陽渭河特大橋，上部結(jié)構(gòu)為4聯(lián)14跨雙線鐵路預應力混凝土連續(xù)彎梁橋，全橋長1 326. 9 m，最大跨度120 m;分跨情況為( 75. 75 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 75. 75) m。該連續(xù)梁橋位于半徑為3 500 m的曲線上?？缥己舆B續(xù)梁橋立面見圖1。

圖1跨渭河連續(xù)梁橋立面(單位: m)

梁體采用單箱單室直腹板的變高度預應力混凝土箱梁，箱梁頂寬13. 4 m，底寬6. 7 m。箱梁梁底按二次拋物線變化，拋物線方程為y = 0. 002 7x1. 8。中支點處梁高9. 6 m，直線現(xiàn)澆段梁高5. 8 m，邊支座中心線至梁端為0. 75 m。箱梁頂板厚0. 4～1. 2 m，底板厚0. 5 ～1. 40 m，腹板厚0. 55～1. 20 m。箱梁懸臂端部厚0. 2 m，根部厚0. 65 m。

2. 2施工概況

由于3跨一聯(lián)和4跨一聯(lián)的連續(xù)梁的跨度、箱梁結(jié)構(gòu)形式、臨時支座和永久性支座類型、預應力鋼束及鋼筋的布置形式完全相同，所以連續(xù)梁的施工工藝基本相同，但3跨一聯(lián)和4跨一聯(lián)連續(xù)梁的合龍順序不同。

主要施工步驟:在中墩兩側(cè)承臺上施工臨時墩→在中墩頂安裝永久支座→搭支架澆筑0#塊，并與臨時墩固結(jié)→在0#塊兩端安裝掛籃，澆筑1#塊→移動掛籃，逐段對稱懸臂澆筑各梁段→澆筑邊跨現(xiàn)澆段;中跨合龍，拆除臨時墩→邊跨合龍。

施工時形成10個T構(gòu): a～j，見圖1。箱梁梁段劃分見圖2，1#～14#梁段采用菱形掛籃懸臂澆筑施工，0#段及邊跨直線段采用支架施工，合龍段采用吊架施工。

圖2箱梁梁段劃分(單位: m)

3預應力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工建模

3. 1模型簡化

利用Midas/Civil建模，共劃分99個單元，進行預應力混凝土彎橋懸臂法施工仿真分析。橋梁模擬過程中做以下簡化:①單元為空間直梁單元，節(jié)點的空間坐標由梁頂截面形心點表示，計算坐標時單元的弦長近似為弧長;②僅考慮各施工段橋梁截面形狀，忽略預埋件、普通構(gòu)造鋼筋等對截面的影響;③考慮預應力孔道造成截面的改變，忽略對墩頂橫隔板的構(gòu)造作用;④考慮自重對結(jié)構(gòu)受力的影響，不考慮橋墩變形;⑤假設(shè)0#塊梁底作用在剛性平面上，而不對橋墩加以模擬;⑥設(shè)計梁底的線形呈拋物線變化，建模時把每個截面尺寸輸入到軟件中，將各梁段簡化為按折線變化。

3. 2施工步的實現(xiàn)

懸臂法施工步的模擬要與實際施工順序吻合。結(jié)合施工順序，分19個施工階段模擬:階段1為0#塊施工，階段2～15為梁段的懸臂澆筑，階段16為中跨合龍，階段17為體系轉(zhuǎn)換，階段18為邊跨合龍和張拉所有鋼筋，階段19施加二期恒載。

4　結(jié)果分析

4. 1模型驗證

本橋監(jiān)測應力的截面選在距離中墩兩側(cè)的L/4截面，全橋共28個斷面。應力測點布置見圖3( a)，位移測點布置見圖3( b)。圖3中位移測點1～3分別監(jiān)測掛籃施工前移后、混凝土澆筑后和預應力張拉后3個階段的撓度。日照溫差測試采用測點預埋的方法，用帶溫度測試功能的JMZX-215AT型應變傳感器進行觀測，記錄箱梁日照溫差的變化情況，測點位置與撓度測點相同。

圖3測點布置

c#墩懸臂端根部截面頂板應力監(jiān)測結(jié)果見表1。由表1可知:箱梁縱向應力、主拉應力各測點的實測值相近且與理論值的變化規(guī)律一致; 11#號梁段張拉后測點的應力差異較大，原因是懸臂長度加大引起了動力效應和施工誤差;測點2的應力實測值偏小，原因是結(jié)構(gòu)受到截面翹曲、剪力滯和局部應力的影響。分析應力實測值和理論值可知，在施工過程中主橋各截面應力沒有超過規(guī)范要求，說明施工順序合理，結(jié)構(gòu)安全。

表1 c#墩懸臂端根部截面頂板應力監(jiān)測結(jié)果　MPa

4. 2曲率對T構(gòu)力學性能的影響

對于高速鐵路彎梁橋，曲率半徑對結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的力學性能影響很大。改變結(jié)構(gòu)的曲率半徑，分析在不同施工狀態(tài)、不同曲率半徑下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、應力的變化情況。取半徑R = 2 500，3 000，3 500(本橋)，4 000 m，其余參數(shù)不變。

4. 2. 1最大雙懸臂狀態(tài)

1)不同曲率半徑對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

在自重、預應力和施工荷載作用下，T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時，彎矩、扭矩最大的截面在臨時支承處，軸力最大的截面在永久支座處。T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時截面最大內(nèi)力見表2。由表2可知，隨著曲率半徑的增大，截面扭矩明顯減小，其余內(nèi)力均增大，但不明顯。

表2 T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時截面最大內(nèi)力

2)不同曲率半徑對結(jié)構(gòu)應力的影響

表3為T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時截面最大應力，截面最大應力發(fā)生位置見圖4。此時截面最大正應力發(fā)生在臨時支承截面的上、下邊緣點，即圖中點1，2;最大剪應力發(fā)生在9#塊根部截面的中性軸，即點3。

表3 T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時截面最大應力　MPa

圖4截面最大應力發(fā)生位置

由表3可知，隨著曲率半徑的增大，上、下邊緣混凝土的最大壓應力和剪應力都略有增大，但在最后一個懸澆段梁頂會出現(xiàn)拉應力，且拉應力隨著曲率半徑的增加有所減小。施工階段容許壓應力為0. 7f'ck= 32. 2 MPa，容許拉應力為0. 7f'ct= 2. 31 MPa。

3)不同曲率半徑對結(jié)構(gòu)位移的影響

表4為T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時懸臂端部的位移。由表4可知，隨著曲率半徑的減小，懸臂端內(nèi)、外側(cè)的位移差變大，向內(nèi)側(cè)的橫向位移和扭轉(zhuǎn)角均增大。

表4 T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時懸臂端部的位移

4. 2. 2邊跨合龍前狀態(tài)

邊跨合龍前狀態(tài)為中跨已經(jīng)合龍，且已完成3個中墩的體系轉(zhuǎn)換，此時邊跨為最大懸臂狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系為帶雙懸臂的連續(xù)梁。

1)不同曲率半徑對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

在自重、預應力和施工荷載作用下，邊跨合龍前結(jié)構(gòu)的最大彎矩和最大扭矩都發(fā)生在中墩d#墩頂截面，該值比體系轉(zhuǎn)換前要大得多。表5為邊跨合龍前截面內(nèi)力。由表5可知，曲率半徑對結(jié)構(gòu)的剪力和彎矩影響較小，對扭矩影響較大;體系轉(zhuǎn)換使截面最大內(nèi)力都明顯增加。

表5邊跨合龍前截面最大內(nèi)力

2)不同曲率半徑對結(jié)構(gòu)應力的影響

表6為邊跨合龍前截面最大應力，截面最大應力發(fā)生位置參見圖4。此時截面最大正應力發(fā)生在中跨墩頂截面的上、下邊緣點，即圖中點1，2;最大剪應力發(fā)生在中跨11#塊端部截面，即點3，此處扭矩和剪力都比較大，而截面尺寸較小。

表6邊跨合龍前截面最大應力　MPa

由表6可知，曲率半徑的改變對剪應力影響很大，曲率半徑為2 500 m時的剪應力約為4 000 m時的2倍，剪應力呈線性變化。

4. 3施工階段溫度作用［9］

4. 3. 1季節(jié)溫差

由于彎梁橋梁內(nèi)外側(cè)纖維長度不同，無論是靜定結(jié)構(gòu)還是超靜定結(jié)構(gòu)，季節(jié)溫差都會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向位移和軸向位移。中跨合龍前，平均氣溫達到30℃，比設(shè)計合龍溫度高15℃;考慮整體升溫15℃，單個靜定T構(gòu)懸臂端最大橫向位移為0. 25 mm。在邊跨合龍前，考慮整體降溫15℃，混凝土的溫度膨脹系數(shù)為1×10－5/℃。

邊跨合龍前，季節(jié)溫降引起的內(nèi)力分布見圖5。由圖5可知，系統(tǒng)溫降引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向彎矩較大，最大達到2 300 kN·m，扭矩和縱向彎矩則相對較小。

圖5季節(jié)溫降引起的內(nèi)力分布(單位: N·m)

4. 3. 2日照溫差

混凝土箱梁日照溫度場屬于三維溫度場，沿橋軸線方向箱梁各截面接受的日照輻射基本相同，因此沿該方向的溫度變化一般忽略不計，按豎向和橫向的二維溫度場考慮。目前，日照溫度梯度計算模式有新西蘭規(guī)范、BS 5400英國規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、我國《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( TB 10002. 3—2005)［10］等。表7為不同日照溫度梯度模式計算的梁高日照溫差。由表7可知，按不同溫度梯度模式計算的日照溫差不同。

表7不同日照溫度梯度模式計算的梁高日照溫差℃

利用Midas/Civil軟件，將計算的二維日照溫度分布值輸入梁截面溫度中，計算靜定T構(gòu)在最大懸臂狀態(tài)、不同曲率半徑下的位移。表8為不同日照溫差梯度模式引起的懸臂端位移。

表8不同日照溫差梯度模式引起的懸臂端位移　cm

由表8可知:

1)按二維溫度梯度計算的懸臂端橫向位移比按一維溫度梯度計算的結(jié)果要大得多，而按一維溫度梯度計算的懸臂端豎向位移要比二維的大近40% ;

2)不同的溫度梯度模式得到的懸臂端位移相差很大。新西蘭規(guī)范的計算結(jié)果是TB 10002. 3—2005計算結(jié)果的2倍，美國規(guī)范的計算結(jié)果比TB 10002. 3—2005的計算結(jié)果略小。原因是受地理緯度的影響，新西蘭規(guī)范的初始溫度很大，而美國規(guī)范考慮混凝土的導熱性很差，豎向溫度梯度很大。

3)相同的溫度梯度模式對不同曲率半徑下的懸臂端位移影響很小。

5　結(jié)論

1)通過對預應力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工的仿真分析，掌握了結(jié)構(gòu)在不同施工階段、不同荷載作用下的基本力學性能，了解了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、應力的分布規(guī)律。

2)隨著曲率半徑的減小，靜定T構(gòu)的懸臂根部截面的扭矩增大，而彎矩和軸力有所減小，梁頂最大正應力值有所減小。

3)由于季節(jié)溫差作用，靜定T構(gòu)端部截面會產(chǎn)生較大的橫向位移和很大的次內(nèi)力——橫向彎矩。日照溫差應該按二維溫度梯度模式進行溫度作用效應計算，不同的溫度梯度模式引起的效應差別很大。

參考文獻

［1］趙常煜．京滬高速鐵路大跨連續(xù)梁施工關(guān)鍵技術(shù)［J］．鐵道建筑，2012( 5) : 20-22．

［2］劉強，張保忠．大跨徑連續(xù)梁橋健康監(jiān)測技術(shù)工作方案探討［J］．公路，2015( 3) : 100-103．

［3］姚敏紅，張俊光．連續(xù)梁—剛構(gòu)組合梁橋施工監(jiān)測與仿真分析［J］．鐵道建筑，2010( 6) : 4-6．

［4］HASSAN K E，CABRERA J G，MALIEHE R S．The Effect of Mineral Admixtures on the Properties of High-performance Concrete［J］．Cement and Concrete Composites，2000，22( 4) : 267-271．

［5］MURIA-VILA D，GOMEZ R，KING C．Dynamic Structural Properties of Cable-stayed Tampico Bridge［J］．Journal of Structural Engineering，1991，117( 11) : 3396-3416．

［6］李祥輝．中、小跨徑預應力混凝土橋梁健康監(jiān)測技術(shù)研究［D］．長春:吉林大學，2011．

［7］李國平，劉健．大跨連續(xù)梁橋線形最優(yōu)施工控制的理論與方法［J］．華東公路，1992( 2) : 66-70．

［8］顧安邦，常英．重慶黃花園嘉陵江大橋施工控制［J］．重慶交通學院學報，1999，18( 4) : 54-60．

［9］王蕾，趙雪峰，歐進萍．東營黃河剛構(gòu)—連續(xù)梁橋長期監(jiān)測的溫度分布規(guī)律分析［J］．防災減災工程學報，2010，30(增1) : 206-211．

［10］中華人民共和國鐵道部．TB 10002. 3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

(責任審編鄭冰)

Research on monitoring technology for prestressed concrete continuous curved girder constructed by cantilever casting method

YANG Yafang

( The 1st Engineering Co．，Ltd．of China Railway 12th Bureau Group，Xi’an Shaanxi 030024，China)

Abstract:Combined with the Xianyang W eihe Bridge project in Zhengzhou-Xi'an high speed railway，the main factors of stress and strain of the long-span prestressed concrete continuous curved girder bridge during the construction process were summarized．T he mechanical properties and linear variation of curved bridge structure during cantilever construction were analyzed．T he effects of the radius of curvature and the seasonal temperature difference were discussed．T he results show that with the decreasing radius of curvature，cantilever root section torque of statically determinate T structure is increasing，while the axial force and bending moment are reduced，lateral displacement increases obviously．T he seasonal temperature difference will cause a larger lateral displacement of the end cross section of statically determinate T structure．For there is a large difference effects caused by temperature gradient mode，sunshine temperature difference should be calculated according to the two-dimensional temperature gradient mode for temperature effect．

Key words:Prestressed concrete curved girder bridge; Construction monitoring; Cantilever casting construction; T he radius of curvature; T emperature difference

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0031-06

作者簡介:楊亞芳( 1975—)，女，工程師。

基金項目:中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目( 2015JBM064)

收稿日期:2015-09-20;修回日期: 2015-12-24

中圖分類號:U445

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．07