(80+155+80) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控

張國勝

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司, 天津 300162)

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(80+155+80) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控

張國勝

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司, 天津 300162)

【摘要】某特大橋?yàn)?80+155+80)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。針對各種環(huán)境及施工等影響因素，通過建立有限元模型對大橋進(jìn)行了施工前的預(yù)測計(jì)算、施工過程中因素影響性分析，求解出施工各個階段的過程控制目標(biāo)值，運(yùn)用自校正調(diào)節(jié)法分析和校正結(jié)構(gòu)施工過程中監(jiān)測結(jié)果與理想狀態(tài)的偏差，對各個預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁澆筑節(jié)段的線形進(jìn)行控制，橋梁的實(shí)際線形與預(yù)期狀態(tài)之間的誤差在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，保證了橋梁順利合龍，最終成橋線形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力；混凝土；剛構(gòu)橋；施工；監(jiān)控

1工程概況

某特大橋?yàn)?80+155+80) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，邊、主跨比值0.516，橋型布置見圖1。

(a) 結(jié)構(gòu)布置

(b)支座截面

(c)跨中截面

主橋上以主跨跨中向兩端設(shè)置i=0.3 %的縱坡下坡，變坡點(diǎn)豎曲線半徑為R=20 000 m。橋梁橫坡為雙向橫坡，坡度為1.5 %。橋面鋪裝為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土(AC13-Ⅰ)+5 cm中粒式瀝青混凝土(AC20-Ⅰ)+6 cm C40防水混凝土，主梁上部的三角墊層與主梁同時澆筑。主梁為單箱單室箱形截面，根部梁高8.50 m，高跨比1/18.2，主跨跨中及邊跨端部梁高3.50 m，高跨比1/44.3，靠主墩邊68.25 m段梁底設(shè)計(jì)為R=468.306 m的圓曲線，其余梁底均為直線段。

箱梁橫截面尺寸為箱頂寬10.5 m，底寬7.0 m，兩翼懸臂長1.75 m。全橋頂板厚28 cm，底板跨中處厚30 cm，支點(diǎn)處厚80 cm，中間為30～80 cm變厚度?？缰刑幐拱搴?0 cm，支點(diǎn)處70 cm，在第9、10兩段內(nèi)直線均勻變化。

主梁采用C55混凝土。主墩墩身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩高94 m。因墩梁結(jié)合部受力復(fù)雜，故墩頂1.5 m范圍內(nèi)采用C55鋼筋混凝土，其余采用C40鋼筋混凝土。墩身截面為縱向長7.5 m、橫向?qū)?.0 m的等截面矩形空心墩，壁厚1.5 m，上端高2.0 m及下端高5.0 m為實(shí)心段，并各有高2.0 m的過渡段。主墩承臺置于含碎石亞黏土及中風(fēng)化凝灰?guī)r中。由于中風(fēng)化巖層較厚，故每墩設(shè)4根直徑為3.0 m的人工挖孔樁。

該橋設(shè)計(jì)參數(shù)：

(1)設(shè)計(jì)速度：40 km/h；

(2)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅱ級；

(3)橋面寬度：單幅全寬10.5 m，兩側(cè)剛性防撞護(hù)欄寬為0.5 m；

(4)橋面橫坡：雙向坡1.5 %；

(5)橋面縱坡：橋上設(shè)置半徑20 000 m的凸形豎曲線，變坡點(diǎn)樁號為K42+050，縱坡坡度0.3 %；

(6)平曲線半徑：直線；

(7)地震烈度：基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ度設(shè)防；

(8)設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100。

2施工方法及監(jiān)控原則

該大橋三跨懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，上部箱梁施工流程為：(1)兩個單T懸臂對稱澆筑；(2)邊跨現(xiàn)澆段澆筑，實(shí)現(xiàn)邊跨合龍；(3)中跨合龍段澆筑，二期恒載，成橋。施工時，箱梁兩T同時施工，在兩T澆筑完畢后立即進(jìn)行邊跨合龍，最后進(jìn)行中跨合龍。

對于采用掛籃懸臂澆筑法施工的連續(xù)剛構(gòu)橋來說，橋梁最終結(jié)構(gòu)的形成要經(jīng)歷一個漫長而復(fù)雜的過程，而且施工期間橋梁結(jié)構(gòu)體系也將隨著施工階段的不同而不斷變化。施工過程中，因設(shè)計(jì)參數(shù)誤差(如材料特性、徐變系數(shù)等)、施工誤差(如制造誤差、安裝誤差等)、測量誤差及結(jié)構(gòu)分析模型誤差等種種原因，將導(dǎo)致施工過程中橋梁的實(shí)際狀態(tài)(線型、內(nèi)力)與理想目標(biāo)存在一定的偏差。這種偏離如不及時加以識別和調(diào)整，累積到一定程度后將對施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全帶來嚴(yán)重影響，并導(dǎo)致成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)要求；而且對于混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，已成結(jié)構(gòu)(懸臂階段)的狀態(tài)是無法事后調(diào)整的，一旦出現(xiàn)線型誤差時，該誤差將永遠(yuǎn)存在，而通過重新調(diào)整后續(xù)梁段的立模標(biāo)高能消除的已施工梁段的殘余誤差十分有限，有時甚至無法完全消除。因此，如何確保施工過程的科學(xué)、合理以及施工過程中結(jié)構(gòu)的安全、可靠，是大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中最為關(guān)鍵的問題。為此，就必須進(jìn)行施工過程的控制，即根據(jù)設(shè)計(jì)文件和施工方案，進(jìn)行施工過程計(jì)算，以確定每個懸澆階段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進(jìn)行分析、預(yù)測和調(diào)整后續(xù)梁段的立模標(biāo)高，以確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全，確保合龍段精度以及成橋后的橋面線型、內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求。

基于該特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定施工監(jiān)控原則為：線形、內(nèi)力控制綜合考慮，其中線形控制是前提和關(guān)鍵。而線形與內(nèi)力控制采取如下的控制策略：在嚴(yán)格控制各控制截面的撓度和軸線橫向偏移的同時，兼顧應(yīng)力(變)發(fā)展情況。上述策略的制定主要考慮到應(yīng)力反映的是截面上某一點(diǎn)的受力情況，而撓度是結(jié)構(gòu)整體位移的綜合反映，是結(jié)構(gòu)的整體表現(xiàn)，撓度和內(nèi)力都能反映出結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)，撓度的控制屬于宏觀控制，而應(yīng)力的控制相對來說屬于局部控制。

3施工監(jiān)控計(jì)算

采用MIDAS/ Civil建立全橋空間有限元模型(圖2)，全橋共150個單元，其中57～150為主梁單元，其他為墩柱單元。模型的邊界條件采用與施工過程一致，由于缺少支座剛度的資料，故模型中均不考慮彈性邊界條件，所有位移邊界條件均為剛性約束。計(jì)算采用以下假定:

圖2　全橋計(jì)算模型

(1)主梁為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，不考慮普通鋼筋參與結(jié)構(gòu)受力。

(2)墩身底部與承臺按固結(jié)約束考慮。

以設(shè)計(jì)提供的每節(jié)段標(biāo)高為基礎(chǔ)，當(dāng)一個節(jié)段施工完成后，進(jìn)行現(xiàn)場測量，測試此時狀態(tài)下的線形、應(yīng)力等控制信息。因各種因素的影響實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值會存在偏離，這時要對誤差進(jìn)行分析，修改計(jì)算模型或調(diào)整計(jì)算參數(shù)重新計(jì)算，并在后續(xù)狀態(tài)的預(yù)報(bào)中考慮誤差對施工目標(biāo)的影響，以此循環(huán)直到施工完成和獲得與設(shè)計(jì)相符的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

監(jiān)控計(jì)算內(nèi)容如下:

(1)成橋狀態(tài)的計(jì)算及復(fù)核和施工過程中整體結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算。本項(xiàng)內(nèi)容主要是對施工監(jiān)控計(jì)算的目標(biāo)狀態(tài)——成橋狀態(tài)及形成此狀態(tài)的施工過程中整體結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算(包括掛籃及支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算)并對設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行復(fù)核。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)識別。在本橋施工控制中，設(shè)計(jì)參數(shù)的識別就是通過量測施工過程中實(shí)際結(jié)構(gòu)的行為，分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，用誤差分析理論來確定或識別引起這種偏差的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)過修正設(shè)計(jì)參數(shù)來達(dá)到控制橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差的目的。本橋采用的施工控制技術(shù)為我公司開發(fā)的自校正調(diào)節(jié)法，該辦法是將自適應(yīng)控制和預(yù)測控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

(3)施工各階段的架設(shè)計(jì)算。施工架設(shè)過程計(jì)算與施工同步進(jìn)行，包括施工前的預(yù)測計(jì)算及施工后的校核計(jì)算。施工前的預(yù)測計(jì)算是結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)控參數(shù)，計(jì)算下一施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和位移狀態(tài)，并據(jù)此為施工單位提供各項(xiàng)施工控制參數(shù)的目標(biāo)值。施工前的預(yù)測計(jì)算包括參數(shù)識別、理論計(jì)算和預(yù)測控制參數(shù)等內(nèi)容。施工后的校核計(jì)算是本階段施工完畢后，將計(jì)算結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較，若兩者差別滿足要求，則繼續(xù)下階段的預(yù)測計(jì)算及施工；若不滿足要求，則根據(jù)最新的實(shí)測監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并對原施工控制參數(shù)的目標(biāo)值進(jìn)行必要的修正，提供修正計(jì)算后的施工控制參數(shù)。

4施工監(jiān)控主要成果

4.1主梁線形

主梁撓度的測試是在澆筑當(dāng)前節(jié)段之后，測試該澆筑節(jié)段對前幾個已施工完畢節(jié)段的撓度變化，該撓度變化值可反映當(dāng)前澆筑段混凝土的體積及容重的大小。一般情況下容重已知，那么撓度值的變化就是混凝土方量的大小的直接反映；另外也可間接反映出預(yù)應(yīng)力鋼束張拉的效果，雖然鋼束張拉力的大小屬于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，但是內(nèi)力的變化也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撓度的變化。因此，測試分析各階段主梁撓度值就十分有必要。

箱梁每一截面的控制點(diǎn)的位置如圖3所示。大橋主梁的軸線和里程用全站儀進(jìn)行測量，高程用自動安平水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。將軸線后視點(diǎn)引至過渡墩，用遠(yuǎn)點(diǎn)控制近距離點(diǎn)。

說明：N01～N02為撓度測點(diǎn)， CP為軸線偏位測點(diǎn)圖3　箱梁截面測點(diǎn)布置示意(單位：cm)

施工過程中，主梁實(shí)測線形與理論線形差值滿足階段撓度差值不得超過20 mm施工控制要求，主梁變位在合理范圍內(nèi)。說明施工控制計(jì)算參數(shù)取值合理，當(dāng)前計(jì)算模型與實(shí)際橋梁施工比較吻合。

圖4為二期恒載鋪裝后理論線形與實(shí)測線形對比圖。由圖可以看出，實(shí)測線形曲線與理論線形曲線吻合度較好。由于實(shí)測線形測點(diǎn)在縱橋向位置(如1/4、1/8處等)并不完全與相對坐標(biāo)吻合，鋪裝層厚度也因施工誤差并不能保證均勻，因此實(shí)測曲線并不連續(xù)，與理論線形差值最大為值3.2 cm，基本滿足線形控制要求和相關(guān)規(guī)范要求。

圖4　二期恒載鋪裝后實(shí)測線形與理論線形對比

4.2主梁應(yīng)力

對于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，箱梁結(jié)構(gòu)在混凝土懸澆中各截面的應(yīng)力分布有很大的差別，起控制作用的因素是主梁的自重、掛籃和預(yù)應(yīng)力，因此監(jiān)測主梁的上下緣正應(yīng)力就顯得尤為重要。

應(yīng)力測試斷面的選擇主要考慮以下因素：(1)結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵截面；(2)施工流程；(3)本橋自身特點(diǎn)；(4)結(jié)構(gòu)的對稱性；(5)兼顧荷載試驗(yàn)；(6)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力特點(diǎn)。基于此，箱梁共布置5個應(yīng)力測試斷面(圖5)，邊跨箱梁應(yīng)力監(jiān)測斷面在1/2跨處；中跨在1/4跨、1/2跨及0#塊處(墩頂附近箱梁根部截面)。箱梁各斷面應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖6。為補(bǔ)償砼內(nèi)部的無應(yīng)力應(yīng)變，在應(yīng)力測點(diǎn)附近同時布置無應(yīng)力計(jì)以消除無應(yīng)力應(yīng)變。

圖5　應(yīng)力測試斷面布置(單位：cm)

圖6　箱梁應(yīng)力測點(diǎn)布置示意(單位：cm)

表1　全橋竣工后實(shí)測應(yīng)力與理論應(yīng)力對比結(jié)果　MPa

5結(jié)論

[作者簡介]張國勝(1972～)，男，本科，工程師，從事施工管理工作。

【中圖分類號】U448.23

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-12-30