高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控

李世平 薛旭濤 劉 數(shù) 馬曉君 劉 進(jìn) 王 軍

1. 中國(guó)建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665；2. 中建四局第一建筑工程有限公司 廣東 廣州 510800

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力強(qiáng)，整橋的受力合理，整體性好、剛度大，因此被廣泛應(yīng)用于貴州等地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)[1]。該類型橋梁的缺點(diǎn)主要在于其墩梁固結(jié)的連接形式，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間通過剛性連接，不設(shè)置支座，導(dǎo)致橋梁本身對(duì)溫度變化、混凝土收縮徐變等因素產(chǎn)生的次內(nèi)力十分敏感。因此，需要在施工過程中對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]，以保證橋梁施工質(zhì)量和安全，確保在使用過程中不發(fā)生事故。

本次研究依托貴州省松桃至玉屏快速路項(xiàng)目中的某大橋，為高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，全橋墩柱高度最低為79 m，最高達(dá)到了112 m。墩身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為直立式矩形空心墩，壁厚0.8 m，每隔20 m設(shè)置一道橫隔板。該橋的跨度大，主跨的跨徑達(dá)到了125 m，主跨使用掛籃懸臂澆筑工藝進(jìn)行施工。

由于該大橋跨越山谷，為了滿足地形要求，墩柱設(shè)計(jì)較高，同時(shí)地勢(shì)環(huán)境惡劣，施工多為高空作業(yè)，極大地增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，給現(xiàn)場(chǎng)管理造成了很大困難。為保證橋梁的施工質(zhì)量和施工安全，對(duì)橋梁施工進(jìn)行全過程監(jiān)控，主要內(nèi)容有橋梁墩柱標(biāo)高和梁段的應(yīng)力情況。技術(shù)人員使用有限元軟件對(duì)橋梁的受力情況進(jìn)行模擬，預(yù)先計(jì)算出施工中各階段橋梁的內(nèi)力和位移，將施工中的實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較，在發(fā)現(xiàn)較大的誤差時(shí)可迅速調(diào)整施工參數(shù)，使橋梁在施工各階段的內(nèi)力和變形在設(shè)計(jì)和規(guī)范的允許范圍內(nèi)，保證橋梁的內(nèi)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)線形滿足設(shè)計(jì)要求[3-8]。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的受力分析

對(duì)松桃至玉屏快速路項(xiàng)目中的某大橋建立三維模型，根據(jù)施工圖設(shè)置節(jié)點(diǎn)劃分梁段，便于后期比較同一梁段的理論計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的區(qū)別，計(jì)算兩者誤差，達(dá)到保證橋梁受力安全的目的。該大橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆箱梁，設(shè)計(jì)采用C55混凝土，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.187，容重取24.7 kN/m3。

由于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行受力分析時(shí)是作為典型的彎壓構(gòu)件考慮，所以結(jié)構(gòu)材料需考慮非線性影響[5]。設(shè)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為fc，參照德國(guó)學(xué)者Rusch的混凝土軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線模型[6]，該模型的本構(gòu)關(guān)系如式（1）所示：

橋梁墩柱設(shè)計(jì)的材料為C40混凝土，C40混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8 MPa，因此本項(xiàng)目所用混凝土在計(jì)算時(shí)的名義屈服應(yīng)力取21.44 MPa。

根據(jù)本橋設(shè)計(jì)圖，使用Midas Civil軟件建立有限元分析模型，如圖1所示。

圖1 大橋有限元模型

2 橋梁豎向線形誤差調(diào)整方法

受高空作業(yè)限制，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的豎向線形監(jiān)測(cè)和調(diào)整非常困難，由于受到施工圖設(shè)計(jì)過程中繪圖參數(shù)精度誤差、結(jié)構(gòu)分析理論計(jì)算誤差、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差等多種因素的影響，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算理論結(jié)果出現(xiàn)誤差。

在本工程橋梁上部結(jié)構(gòu)的施工過程中，豎向線形誤差預(yù)測(cè)的理論方法主要是灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)理論[7]，通過預(yù)測(cè)預(yù)應(yīng)力張拉后橋梁的預(yù)拱度，調(diào)整模板預(yù)拱度設(shè)置值，使施工過程中橋面的標(biāo)高誤差能夠盡量縮小，達(dá)到理想的計(jì)算結(jié)果。

2.1 灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)方法原理

由于橋梁施工過程中，存在已知和未知2種不同類型的數(shù)據(jù)信息，對(duì)于重要未知信息需要提前預(yù)測(cè)，降低出現(xiàn)誤差的可能性以及誤差的數(shù)值。因此，在橋梁工程施工中需要依靠灰色系統(tǒng)理論建立誤差微分方程模型，針對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，掛籃就位后需根據(jù)誤差的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)下一階段的模板標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到控制誤差的目的。

2.2 灰色系統(tǒng)誤差微分方程模型建立

結(jié)合灰色系統(tǒng)誤差分析方法，在使用掛籃懸臂澆筑施工時(shí)，掛籃就位后需在下一梁段施工前調(diào)整掛籃底模標(biāo)高，預(yù)測(cè)其在梁段預(yù)應(yīng)力張拉后的預(yù)拱度，在計(jì)算得到施工梁段張拉后的理論標(biāo)高，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到實(shí)際標(biāo)高后，通過之前采集數(shù)據(jù)分析標(biāo)高的誤差，計(jì)算下一階段的預(yù)拱度調(diào)整誤差值。微分方程模型建立方法如下：

在第i＋1號(hào)梁段施工前，通過計(jì)算得到已施工完梁段i在預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉后的理論標(biāo)高值，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉后的實(shí)測(cè)標(biāo)高值，對(duì)兩者建立誤差序列，建立誤差微分方程，計(jì)算方式如式（2）所示[8]：

對(duì)公式（2）中的各項(xiàng)參數(shù)分別進(jìn)行介紹：x為施工完梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的理論標(biāo)高值序列；y為施工完梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的實(shí)際標(biāo)高值序列；x(n)為第n號(hào)梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的理論標(biāo)高值；y(n)為第n號(hào)梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的實(shí)際標(biāo)高值。根據(jù)每一個(gè)梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的理論標(biāo)高值和實(shí)際標(biāo)高值之差，建立誤差序列，對(duì)于第k號(hào)梁段，其誤差如式（3）所示：

在式（3）中，a＝max[|x(k)－y(k)|]，其中k＝1,2,…,n。

在橋梁施工過程中，影響施工質(zhì)量的因素有很多種，對(duì)于某一種變量，使用δ(k)為數(shù)據(jù)，組成新序列X(0)，進(jìn)而經(jīng)過計(jì)算，由X(0)得出X(1)。以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化誤差分析的精確度如式（4）所示：

式（4）中X(1)(i)按式（5）計(jì)算：

X(1)(k)和X(1)(k＋1)的平均值，組成式（6）所示數(shù)列Z(1)：

對(duì)于X(0)、X(1)，設(shè)有系數(shù)b、v，則各數(shù)據(jù)之間存在的數(shù)學(xué)關(guān)系如式（7）所示：

由式（7）可知，灰色系統(tǒng)誤差微分方程為〔式（8）〕：

對(duì)于本工程在實(shí)際施工過程中灰色系統(tǒng)控制理論的應(yīng)用，現(xiàn)選用建立的有限元模型中8號(hào)橋墩5#塊為例，展示在實(shí)際施工過程中，灰色系統(tǒng)控制的應(yīng)用。此處橋梁標(biāo)高均以毫米作為單位，便于誤差計(jì)算。

8號(hào)橋墩5#塊梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的理論標(biāo)高值為：[83 762 83 758 83 743 83 766 83 752]。

8號(hào)橋墩5#塊梁段在預(yù)應(yīng)力張拉后的實(shí)際標(biāo)高值為：[83 764 83 760 83 744 83 769 83 754]。

誤差序列為：[－2－2－1－3－2]。

2.3 線形坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理與分析

2.3.1 觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

在施工過程中，通過灰色系統(tǒng)誤差微分方程模型完成施工誤差修正，使結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)接近理想狀態(tài)。在本工程施工過程中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高測(cè)量，得到標(biāo)高控制結(jié)果。

2.3.2 觀測(cè)結(jié)果和計(jì)算值分析

節(jié)點(diǎn)編號(hào)采用有限元計(jì)算時(shí)建立模型所設(shè)置的節(jié)點(diǎn)，以便于統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)編號(hào)。通過灰色控制理論的計(jì)算，針對(duì)性調(diào)整對(duì)本工程大橋每一梁段的預(yù)拱度值，將經(jīng)過計(jì)算后橋梁的標(biāo)高和實(shí)際測(cè)量的標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比，橋墩施工標(biāo)高控制結(jié)果如表1所示。

表1 本工程大橋橋墩標(biāo)高控制結(jié)果

對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可看出橋梁的實(shí)際標(biāo)高和計(jì)算標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求，且實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)標(biāo)高、計(jì)算標(biāo)高接近。由此可見：通過灰色系統(tǒng)微分方程模型計(jì)算后，調(diào)整橋梁預(yù)拱度，對(duì)橋梁豎向線形誤差的控制效果明顯。

3 大橋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

3.1 箱梁控制截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

箱梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)選取在橋梁結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵截面，共在9個(gè)截面布置傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，箱梁各根部截面應(yīng)布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器的布置方向均為順橋向布置。在試驗(yàn)前應(yīng)預(yù)先進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)模擬測(cè)試，觀測(cè)所用儀器的工作情況，確保試驗(yàn)所使用的傳感器均能正常工作，記錄數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

3.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

使用Midas Civil軟件對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)界面的應(yīng)力理論計(jì)算值，再與監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。應(yīng)力監(jiān)控作為確保橋梁施工中結(jié)構(gòu)安全的重要手段，在大跨徑連續(xù)梁的施工中得到廣泛應(yīng)用。使用傳感器對(duì)橋梁的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)與有限元模型計(jì)算出的理論值進(jìn)行對(duì)比，可以準(zhǔn)確判斷出橋梁是否處在安全的狀態(tài)下進(jìn)行施工。

計(jì)算值、監(jiān)測(cè)值兩者之間的對(duì)比，能夠精準(zhǔn)地將橋梁應(yīng)變控制在合理范圍內(nèi)，最大限度地保證施工安全。

通過對(duì)橋梁的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明橋梁混凝土應(yīng)力和理論值之間吻合性較好，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高。

4 結(jié)語

本文從工程實(shí)際出發(fā)，分析了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工監(jiān)控技術(shù)，對(duì)其施工過程中的線形控制和應(yīng)力控制作了簡(jiǎn)單的研究，主要研究結(jié)論為：

1）應(yīng)用以灰色系統(tǒng)理論為核心的施工質(zhì)量控制方法，通過現(xiàn)場(chǎng)線形和應(yīng)力測(cè)量、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)施工誤差進(jìn)行修正，確保大橋的施工監(jiān)控和施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

2）在應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面，采用Midas Civil軟件進(jìn)行，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)截面Midas軟件理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確保施工安全。

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