影響連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工過(guò)程中的變形控制要素分析

■種永峰

(福建省公路管理局，福州 350004)

1 引言

連續(xù)剛構(gòu)施工變形控制的目的就是將結(jié)構(gòu)在施工中的實(shí)際變形和線性狀態(tài)與設(shè)計(jì)計(jì)算的理想狀態(tài)之間的誤差控制在容許范圍，確保施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性，保證橋梁成橋橋面線形以及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于分節(jié)段懸臂澆注施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋來(lái)說(shuō)，施工控制的目的就是根據(jù)施工監(jiān)測(cè)所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段計(jì)算和不斷的修正參數(shù)，確定出每個(gè)懸澆節(jié)段的立模標(biāo)高，并在施工過(guò)程中根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和對(duì)下一施工階段立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)保證成橋后橋面線形、合攏段兩端懸臂端標(biāo)高的相對(duì)偏差不大于規(guī)定值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。以下結(jié)合國(guó)道528線上的建西大橋項(xiàng)目施工，對(duì)項(xiàng)目施工過(guò)程中箱梁的變形控制影響要素進(jìn)行了探討、分析和總結(jié)。

2 變形影響要素

2.1 掛籃變形

掛籃變形主要包含兩部分，一部分是掛籃的非彈性變形，主要是由掛籃固件聯(lián)接緊密度決定，若固件聯(lián)接緊密，則非彈性變形小甚至可忽略不計(jì)，一般要在掛籃組裝完成后進(jìn)行預(yù)壓，用于消除掛籃組裝后形成的非彈性變形；另一部分是掛籃的彈性變形，主要是由掛籃結(jié)構(gòu)形式和材料性質(zhì)決定，由于彈性變形理論成熟，可以通過(guò)計(jì)算確定某一荷載作用下，掛籃的整體變形量，在施工變形控制中屬于可控要素。掛籃變形屬于不利影響要素，理論上希望掛籃整體剛度盡量大，變形盡可能的小。初始施工階段，由于梁體懸臂長(zhǎng)度小、箱梁抗彎剛度大，主要變形源自掛籃自身變形，掛籃自重對(duì)結(jié)構(gòu)變形可忽略不計(jì)，隨著橋梁懸臂長(zhǎng)度逐步變大，掛籃自身變形對(duì)梁體變形影響逐漸減小，其重量對(duì)梁體變形影響會(huì)變得更加顯著，屬于影響結(jié)構(gòu)變形的敏感要素。

2.2 橋墩結(jié)構(gòu)

連續(xù)剛構(gòu)橋梁橋墩結(jié)構(gòu)形式一般為單薄壁墩和雙薄壁墩，兩種墩結(jié)構(gòu)都屬于柔性橋墩，通過(guò)橋墩的柔度來(lái)適應(yīng)結(jié)構(gòu)由于預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變以及溫度變化等因素產(chǎn)生的次內(nèi)力和位移，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，施工安全更容易得到保障。計(jì)算結(jié)論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，墩的結(jié)構(gòu)形式對(duì)懸臂梁變形影響會(huì)有所不同，雙薄壁墩對(duì)墩頂負(fù)彎矩的改善能力要優(yōu)于單薄壁墩，項(xiàng)目中橋墩結(jié)構(gòu)的采用宜考慮橋梁墩高、主跨跨徑、河道通航等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 梁截面形狀

梁的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸是梁體變形的主要決定要素。連續(xù)剛構(gòu)橋梁的截面形狀一般采用單箱單室箱或是單箱雙室結(jié)構(gòu)，主要是箱梁結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小可以決定梁的抗彎慣性矩，從而影響到梁體的抗彎剛度，最終影響梁的變形量，因此在施工過(guò)程中，對(duì)于能否按照設(shè)計(jì)箱梁截面形狀和尺寸進(jìn)行施工，是確保施工變形能否接近設(shè)計(jì)計(jì)算變形量的重要環(huán)節(jié)。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼絞線

連續(xù)剛構(gòu)橋梁的承載力主要是由縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線承擔(dān)，目前較長(zhǎng)采用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線主要特點(diǎn)是低松弛高強(qiáng)度，影響預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉應(yīng)力主要取決于兩個(gè)因素，第一個(gè)因素是張拉應(yīng)力，張拉應(yīng)力的大小對(duì)懸臂梁的撓度變形影響較大，影響張拉應(yīng)力的一個(gè)方面是張拉工藝，目前采用的智能張拉可以較好的保證鋼絞線一次張拉到位，是避免二次張拉引起的預(yù)應(yīng)力損失比較有效的措施；第二個(gè)方面是張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼絞線的伸長(zhǎng)量，伸長(zhǎng)量是衡量預(yù)應(yīng)力大小的量化指標(biāo)，是現(xiàn)場(chǎng)控制錨下預(yù)應(yīng)力大小的最簡(jiǎn)潔有效的判斷方法；第三個(gè)方面是預(yù)應(yīng)力鋼絞線的斷絲率，規(guī)范中規(guī)定了各類預(yù)應(yīng)力鋼絞線的容許斷絲率，但斷絲會(huì)造成預(yù)應(yīng)力的損失，且不易判斷，因此不利于撓度變形控制。第二個(gè)因素是錨墊板及其配件，由于錨下張拉應(yīng)力較大，極容易在張拉過(guò)程中造成錨墊板變形或壓裂等情況，因此采用合規(guī)格的錨墊板及其配件，對(duì)控制應(yīng)力是極其關(guān)鍵的，因?yàn)殄^墊板在壓裂情況下，會(huì)造成預(yù)應(yīng)力大量損失，從而影響梁的撓度變形。

2.5 溫度

溫度是影響橋梁結(jié)構(gòu)變形的不可控因素，溫度梯度所形成的溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)作用主要表現(xiàn)形式有兩種，一種是在溫度應(yīng)力作用下，混凝土產(chǎn)生裂縫；另一種是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋梁而言，溫度梯度對(duì)整個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)造成的影響特點(diǎn)是：溫度上升所形成的溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生懸臂下?lián)献冃?，溫度下降?huì)產(chǎn)生懸臂上撓變形，變形量的大小取決于溫度梯度大小、懸臂長(zhǎng)度和箱梁截面尺寸大小等因素，因此在懸臂澆筑混凝土的時(shí)候，選擇合適的溫度且穩(wěn)定的時(shí)間段，盡可能避免溫度應(yīng)力對(duì)懸臂的變形影響。

2.6 施工荷載

施工荷載主要包括原材料、掛籃、小型施工設(shè)備等重量荷載，懸臂較短時(shí)，由于箱梁截面抗彎剛度較大，施工荷載對(duì)梁的變形影響不顯著，但隨著懸臂長(zhǎng)度變長(zhǎng)，施工荷載對(duì)懸臂梁的變形影響逐漸顯著，因此在施工過(guò)程中，一是小型施工設(shè)備和鋼材原則上都要堆放在墩頂位置，且避免出現(xiàn)施工荷載不對(duì)稱情況；二是在掛籃設(shè)計(jì)的時(shí)候，在滿足整體剛度要求下，要盡可能減小掛籃重量；三是施工過(guò)程中需要移動(dòng)掛籃等荷載時(shí)，應(yīng)注意緩慢對(duì)稱作業(yè)，避免快速移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，影響懸臂梁安全。

2.7 混凝土配合比

混凝土配合比是影響混凝土彈性模量的重要因素，而彈性模量又是影響連續(xù)剛構(gòu)箱梁抗彎剛度的重要因素，因此應(yīng)嚴(yán)格管理混凝土原材料，準(zhǔn)確按照設(shè)計(jì)配合比要求進(jìn)行混合料拌和，確保獲得符合力學(xué)要求的混凝土，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制梁體變形的目標(biāo)。

2.8 混凝土收縮和徐變

混凝土收縮和徐變變形分為施工階段變形和后期變形。施工階段混凝土收縮和徐變，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的收縮和徐變變形可按結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的初始彈性變形乘以系數(shù)取值，其對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較??；后期變形計(jì)算亦是根據(jù)規(guī)范規(guī)定的混凝土收縮和徐變經(jīng)驗(yàn)公式確定，不同的計(jì)算方法得到的結(jié)果不一致，因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮其他因素合理確定。

2.9 墩頂偏角

連續(xù)剛構(gòu)橋梁在懸臂施工過(guò)程中，特別是長(zhǎng)懸臂施工階段，由于平曲線半徑和不對(duì)稱荷載的作用，會(huì)引起墩頂水側(cè)傾和偏角，對(duì)梁體變形和橋梁線性形成不容忽視的影響。

3 工程實(shí)例

建西大橋是國(guó)道G528線上的一座大型橋梁，橋梁全長(zhǎng)為652m，橋梁寬度18.5m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用3×35+3×35+3×40+(62+110+62)+2×40m， 其中主橋橋墩采用雙薄壁墩，墩的最大高度25m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)變截面箱梁橋，由單箱雙室箱形斷面組成，箱梁0號(hào)塊中心高度6.8m，跨中梁中心高度2.8m，其間梁高按二次拋物線變化，主橋位于半徑為600m曲線上，施工方案確定0號(hào)、1號(hào)梁體采用托架整體一次澆筑成型，主跨分12個(gè)懸澆段，每個(gè)懸澆段長(zhǎng)度為4m。

4 變形控制

4.1 掛籃

本項(xiàng)目施工掛籃采用菱形結(jié)構(gòu)，單套初步設(shè)計(jì)總重量為80t，因掛籃重量對(duì)梁體變形影響會(huì)隨著懸臂長(zhǎng)度增加而變得顯著，以掛籃正常使用階段彈性變形最大不超過(guò)2cm為目標(biāo)，盡量使掛籃重量減小。經(jīng)重新優(yōu)化設(shè)計(jì)后，單套掛籃總重量為65t，在1.3倍2號(hào)梁段重量荷載作用下掛籃總變形量為2.3cm，在1.0倍2號(hào)梁段重量荷載作用下總變形為1.8cm，優(yōu)化后的掛籃在總重量減小情況下，結(jié)構(gòu)變形符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 橋墩結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目橋墩結(jié)構(gòu)采用雙薄壁墩，主墩高25m，雙薄壁墩順橋向抗彎剛度大，抗推剛度小，既可有效降低溫度、混凝土徐變和墩頂位移等引起的次內(nèi)力，亦可對(duì)墩頂負(fù)彎矩產(chǎn)生削峰作用，從而改善結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形，這是雙薄壁墩結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。按照建西大橋設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)模型計(jì)算，雙薄壁墩模型下跨中懸臂端最大變形為5.3cm；按單薄壁墩模型下跨中懸臂端最大變形為11.7cm。因此，從控制施工變形角度看，采用雙薄壁墩是合理的選擇，但雙薄壁墩抗外力撞擊能力較差，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重防撞設(shè)計(jì)。

4.3 溫度

均勻溫度作用對(duì)變形的影響，主要取決于梁體溫度與設(shè)計(jì)溫度是否相吻合。懸臂施工階段，結(jié)構(gòu)為靜定體系，由溫度梯度引起的梁體變形和結(jié)構(gòu)次內(nèi)力可以通過(guò)柔性墩調(diào)整，在施工過(guò)程中，一是要盡量選擇在與設(shè)計(jì)溫度偏差較小時(shí)段澆筑混凝土和張拉；二是加強(qiáng)施工過(guò)程中的測(cè)量觀測(cè)，以掌握溫度變化規(guī)律，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度修正。通過(guò)溫度對(duì)梁體變形的影響特點(diǎn)，采取合理施工措施，可有效降低溫度對(duì)橋梁施工過(guò)程中變形的影響。

4.4 混凝土收縮和徐變

混凝土的收縮和徐變對(duì)結(jié)構(gòu)變形會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響，考慮跨徑大小因素，對(duì)于不同階段會(huì)產(chǎn)生不同的影響。在施工階段，由于施工時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)梁體的變形影響較?。辉诔蓸螂A段，會(huì)隨著時(shí)間逐步對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生一定的影響，因此在施工階段就應(yīng)提前采取措施，消除因混凝土收縮和徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響。一般通過(guò)設(shè)置成橋預(yù)拱度，用于抵消因收縮和徐變產(chǎn)生的不利變形，建西大橋主跨成橋預(yù)拱度采用3年收縮徐變撓度值和1/2活載撓度值之和，按余弦曲線分配在各懸臂端；邊跨最大撓度根據(jù)模型計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般發(fā)生在3L/8位置，撓度值約為主跨最大撓度值的1/4，因此邊跨成橋預(yù)拱度可在3L/8處設(shè)置大小為1/4主跨成橋預(yù)拱度值，同樣按余弦曲線分配在各懸臂端。

4.5 墩頂偏角

直線橋理論上不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，只在施工荷載等作用下，可能會(huì)對(duì)墩產(chǎn)生變形影響，變形大小取決于墩高、墩的抗彎剛度及施工荷載大小和偏心量。建西大橋橋線形位于半徑600m的平曲線上，根據(jù)計(jì)算，第12號(hào)懸澆塊重心偏心量為9.37m，按最不利荷載組合作用下，墩的側(cè)傾變形計(jì)算值為0.86cm，墩頂偏角計(jì)算值不足0.01°，為了抵消偏心荷載等對(duì)墩的變形影響，在橋墩施工時(shí)采用預(yù)留側(cè)傾值予以糾正，隨著懸臂展開(kāi)，逐步抵消梁體重心偏移對(duì)墩產(chǎn)生的側(cè)傾變形。根據(jù)成橋坐標(biāo)測(cè)量值，成橋墩頂坐標(biāo)偏離設(shè)計(jì)值約0.1cm，實(shí)踐證明墩頂變形控制效果良好。

4.6 施工因素

在施工過(guò)程中，通過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捻?xiàng)目管理，可有效控制人為因素或設(shè)備因素對(duì)結(jié)構(gòu)變形形成的影響。如嚴(yán)格控制混凝土配合比和箱梁截面形狀，從而控制混凝土彈性模量和抗彎慣性矩，盡可能與設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的彈性模量和設(shè)計(jì)截面接近，使其對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響趨于最??；通過(guò)采用先進(jìn)的張拉設(shè)備和工藝，確保預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉過(guò)程中的斷絲率，確保錨墊板下張拉應(yīng)力符合設(shè)計(jì)值要求；加強(qiáng)橋面施工荷載管理，在控制橋面施工荷載量同時(shí)，應(yīng)制定嚴(yán)格的掛籃和鋼模板移動(dòng)工序，確保緩慢移動(dòng)平穩(wěn)，避免移動(dòng)速度過(guò)快而產(chǎn)生沖擊荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)建西大橋工程施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合力學(xué)模型計(jì)算對(duì)影響連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工過(guò)程中撓度變形的主要影響要素進(jìn)行了分析和總結(jié)。實(shí)踐證明，影響梁體變形的要素主要包括掛籃、橋墩結(jié)構(gòu)、墩頂偏角、混凝土的收縮和徐變、箱梁截面形狀、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、溫度、施工荷載和混凝土配合比等。

(2)影響要素中主要分為可控要素和不可控要素。不可控要素主要為溫度、混凝土收縮和徐變，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)氖┕ご胧┯枰钥刂?；其他為可控要素，可從設(shè)計(jì)方面和科學(xué)化施工各環(huán)節(jié)加以控制，即可依據(jù)橋梁計(jì)算模型準(zhǔn)確計(jì)算得出施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，在施工過(guò)程中采取措施并加以控制。

(3)本文以力學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)影響連續(xù)剛構(gòu)箱梁變形的要素逐一進(jìn)行了分析，并從設(shè)計(jì)和施工方面提出相應(yīng)的處置措施，實(shí)踐證明，分析結(jié)論在橋梁施工過(guò)程中證明是正確的，對(duì)應(yīng)的處置措施也是合理有效的，可以用于指導(dǎo)其他同類型橋梁的施工。