大型橋梁線形控制監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用與研究

張俊仁

(沐城測繪(北京)有限公司, 北京 100102)

0 引言

近些年,伴隨高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,大型橋梁建設(shè)也隨之空前發(fā)展,不僅帶動了諸如設(shè)計、勘測、施工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也促進了沿線城市經(jīng)濟的快速增長。與此同時,大型橋梁建設(shè)的施工及運營安全可靠性也逐漸成為社會及管理部門普遍關(guān)注的重點問題。

為保證橋梁施工期間的安全可靠及運營期間的行車安全舒暢等,在其施工期間進行過程監(jiān)測監(jiān)控,已成為橋梁建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。由于成橋的線形與內(nèi)力受諸如材料性能、立模標高、施工工藝等因素影響[2],若施工過程中橋梁線形控制不嚴,將會影響正常合龍,甚至給后期運營造成長期隱患。因此,一方面必須在橋梁施工過程中利用測量手段對重要的數(shù)據(jù)進行采集,及時掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài),并不斷地通過計算修正參數(shù),來調(diào)整和控制主梁立模標高及軸線位置[3],最終使成橋后的線形符合設(shè)計標準。另一方面由于施工中的各種狀況與理想狀態(tài)下的設(shè)計假定往往存在差異,因此還必須對關(guān)鍵控制截面進行應(yīng)力監(jiān)測,對比結(jié)構(gòu)實際狀況和設(shè)計狀況的差異,為結(jié)構(gòu)主要計算參數(shù)識別提供依據(jù)[4]。

1 工程概況

云南新亞美谷物流園鐵路專線螳螂江特大橋為兩聯(lián)6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,跨徑組合為(48+80+51.15)+(51.15+80+48)m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱但是直腹板、變高度梁體結(jié)構(gòu),下部基礎(chǔ)均采用灌注樁基礎(chǔ),中支點截面箱梁中心線處高6.0 m,跨中及邊跨直行段箱梁中心線處高3.3 m;梁部混凝土為C55;采用三向預(yù)應(yīng)力體系。該橋用掛籃懸臂澆筑施工,共分4個T構(gòu)對稱澆筑,懸臂澆注0～9#共10個梁段,中跨合龍段為2 m,中跨合龍后懸臂澆注部分邊跨段,最后為邊跨合龍。

2 線形控制監(jiān)測目的

線形控制監(jiān)測是通過對墩頂標高、懸臂梁頂面標高、主梁立模標高、主梁頂面高程、對稱截面高差、多跨線形通測、結(jié)構(gòu)幾何形狀等數(shù)據(jù)采集結(jié)合仿真分析、建模計算等過程對在建橋梁結(jié)構(gòu)實施的動態(tài)監(jiān)控過程。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析計算每個節(jié)段澆注的立模高度,并預(yù)測和調(diào)整下一節(jié)段的立模高度[5],確保分段施工后的合龍精度及成橋后的線形符合要求。同時在橋梁分段施工中,校核實測應(yīng)力與理論計算應(yīng)力符合情況,掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài),指導和控制參數(shù)調(diào)整,來確保結(jié)構(gòu)安全[6]。

3 線形控制監(jiān)測

3.1 主梁線形監(jiān)測

3.1.1墩頂測點布置

利用橋梁沿線兩側(cè)的控制網(wǎng)點,采用全站儀后方交匯法測出線路外預(yù)設(shè)基點的三維坐標[7]。將該點作為箱梁高程的水準基點并定期聯(lián)測。

以0#塊為例,布設(shè)高程觀測點來控制底板的設(shè)計標高,并作為后續(xù)各懸澆節(jié)段的高程基準。0#塊的頂板共布設(shè)6個觀測點,為方便梁底標高的獲取,在箱梁里側(cè)墩頂橫隔板處增設(shè)一高程控制點。0#塊測點位置如圖1，其他塊參照0#布置。

圖1 0#塊高程觀測點布設(shè)示意圖

3.1.2截面測點布置

圖2 懸臂前端觀測點布設(shè)示意圖

各梁段的觀測點采用預(yù)埋方式,布設(shè)位置要求便于梁體標高的數(shù)據(jù)采集及成橋后線形的復測,并采取保護措施。各梁段高程觀測點布設(shè)在梁段底板前端處,在澆筑過程中采取保護措施。梁段懸臂前端觀測點的布設(shè)如圖2所示,其底板觀測點可用來控制梁底標高,亦可對梁段標高進行精確控制。

3.1.3主梁平面線形控制測量

主梁各階段的平面線形控制測量均在拆模后采用高精度全站儀進行。線形控制測量步驟如下:

(1)主梁各節(jié)段的線形觀測

在懸澆節(jié)段的過程中,每個梁段均在懸臂底板布置測點進行監(jiān)測。

(2)調(diào)整模板標高時測量

監(jiān)控小組現(xiàn)場對底模進行精確測設(shè),使測設(shè)的模板標高與立模標高精確符合,誤差不超過、-0～+10 mm。

(3)混凝土澆筑完后測量

在混凝土澆筑完,并且達到測量條件后,將該梁段的2個底板測點與上1個澆筑梁段的梁頂測點聯(lián)測。

(4)預(yù)應(yīng)力張拉前測量

在混凝土養(yǎng)護時間滿足預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉條件的前半日內(nèi),對該梁段2個底板測點進行測量。

(5)預(yù)應(yīng)力張拉后測量

在該梁段預(yù)應(yīng)力張拉完并且模板拆除后半日內(nèi)對該梁段2個底板測點進行測量。

(6)施工過程現(xiàn)場巡視

在每一道工序現(xiàn)場巡視主梁情況,并做好詳細記錄,發(fā)現(xiàn)異常上報。

(7)多跨線形的通測

為確保全橋線形的協(xié)調(diào)性,除各跨須滿足線形控制要求外,還須對主梁全程線形進行多次通測。

3.1.4施工過程控制精度要求

滿足《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準》TB10415的要求,主梁懸臂澆筑時,施工控制精度如下:

(1)立模標高允許偏差:10,-0 mm

(2)梁段軸線偏差≤15 mm;

(3)梁段頂面高程差:±10 mm;

(4)合龍段相對高程差合龍段長的1/100,

≤15 mm;

(5)懸臂梁段高程:-5≤h≤15(mm)。

3.2 主梁應(yīng)力監(jiān)測

3.2.1應(yīng)力監(jiān)測點布置

鑒于結(jié)構(gòu)的對稱性,以變截面梁段為重點監(jiān)測,監(jiān)測點布設(shè)原則為T構(gòu)的左右側(cè)交替埋設(shè),分別布設(shè)在梁段的頂板中間及腹板外側(cè)鋼筋,梁高>4 m的布設(shè)3個,梁高<4 m布設(shè)2個,監(jiān)測點均沿縱向布設(shè),測縱向應(yīng)變。各斷面測點布置如圖3所示。

圖3 梁體斷面監(jiān)測點布置示意圖

3.2.2測試儀器

采用預(yù)埋振弦式應(yīng)力計,量測精度控制在±1.0/100(F·S)以內(nèi),量程:±1 500 με。

3.2.3測試方式

將待埋設(shè)的應(yīng)力計按測試方向在主筋上固定,并將導線引到箱梁頂面,如圖4所示。每個施工節(jié)段混凝土澆筑完成并且預(yù)應(yīng)力張拉后,均測試應(yīng)力。根據(jù)施工單位提供的混凝土彈性模量的實驗值進行應(yīng)力計算。

圖4 應(yīng)力傳感器布設(shè)示意圖

4 理論計算分析

4.1 理論計算分析的目的及任務(wù)

本案例為大跨度橋梁,施工過程及工序復雜,影響成橋后的線形與受力參數(shù)因素較多,包括結(jié)構(gòu)剛度及自重、施工荷載、混凝土收縮徐變、溫度等[3]。而在線形控制計算立模標高時,都事先將這些參數(shù)假定為理想值。因此施工中可能會存在實際值與設(shè)計值不一致的情況,為了降低這種不一致性,在施工過程中需要對影響線形和受力的參數(shù)進行現(xiàn)場采集,判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)。同時通過計算,分析每個參數(shù)對主梁線形影響程度,進而調(diào)整和修正待澆注的主梁立模標高[8]。

因本橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,采用分節(jié)段逐步完成的懸臂施工方法,施工過程漫長而且復雜,因此在施工過程當中需要對每個階段進行變形計算和受力分析[1]。為了達到線形控制的目的,首先要依據(jù)設(shè)計資料對橋梁施工期間的受力及變形進行有限元分析計算,確定每個階段理想的受力和變形狀態(tài),據(jù)此指導和控制每個階段的結(jié)構(gòu)施工,并最終確保成橋后的線形和受力能夠符合設(shè)計標準。

4.2 有限元模型建立

結(jié)構(gòu)有限元分析的內(nèi)容有:按照施工既定工序,結(jié)合設(shè)計基本參數(shù),對結(jié)構(gòu)進行正裝、形變分析、控制截面應(yīng)變、應(yīng)力及內(nèi)力計算、結(jié)構(gòu)預(yù)拱度計算分析,以確定立模標高[9]。常用的有限元計算軟件有MIDAS/Civil、ANSYS和橋梁博士等。

本橋采用有限元計算軟件MIDAS/Civil建立有限元計算模型進行分析,將主梁每個節(jié)段劃分為2個單元,主梁共劃分為106個單元。通過模擬該橋的施工過程,預(yù)測各施工狀態(tài)下的受力和理論變形。全橋有限元計算模型如圖5所示。

圖5 全橋有限元計算模型

根據(jù)既定的施工流程模擬本橋的施工過程。結(jié)合懸臂澆注施工方法,本橋的主要施工階段為懸臂施工0#塊-9#塊,中跨合龍,懸臂澆筑部分邊跨段12#和13#塊,邊跨合龍。每個主梁節(jié)段施工分掛籃前移,混凝土澆筑,以及預(yù)應(yīng)力張拉3個階段。該橋施工過程共劃分了43個施工階段,詳細施工過程見表1。

表1 連續(xù)梁施工階段劃分

4.3 數(shù)據(jù)處理

結(jié)構(gòu)計算主要提供如下控制數(shù)據(jù):

(1)各施工梁段的計算撓度值

①箱梁結(jié)構(gòu)體自重、預(yù)應(yīng)力及混凝土收縮徐變所引起的懸臂前端撓度值;

②掛籃彈性變形;

③活載撓度值。

(2)各施工梁段的立模標高

本橋作為大跨度連續(xù)梁橋,其懸臂施工過程中撓度控制是施工控制的關(guān)鍵[10]。其目的是將計算結(jié)果以及各節(jié)段實測數(shù)據(jù)與設(shè)計計算結(jié)果比對,通過調(diào)整梁段預(yù)拱度值,確保成橋線形符合設(shè)計預(yù)期[11]。懸臂澆筑各節(jié)段立模標高計算公式如下:

(1)

式中:Hlmi為i節(jié)點的立模標高,其中i節(jié)點為待澆筑段箱梁底板前端點;Hsji為i節(jié)點的設(shè)計標高,因設(shè)計時提供的是軌底標高,所以各節(jié)段梁底的設(shè)計標高應(yīng)按照設(shè)計軌底標高和梁高反推出來;∑fdi為i節(jié)點在施工過程中由恒載引起的向下的撓度累積值;fli為i節(jié)點由靜活載所引起的撓度值;fgl為掛籃彈性變形量。

5 線形控制監(jiān)測結(jié)果

5.1 主梁線形

5.1.1合龍后全橋標高

在螳螂江大橋各節(jié)段施工監(jiān)控中,根據(jù)實測前期梁段的高程,計算本段梁體施工及后續(xù)梁段施工對本段梁體變位的影響,以及本段梁體的立模標高,保證橋梁合龍精度和成橋線型符合設(shè)計要求。在每節(jié)段主梁施工中,提供了梁段的立模標高,實測了混凝土結(jié)硬后及張拉鋼束后梁體的標高。以7#墩墩為例,主跨合龍后,在跨中鋼束張拉之前全橋梁底高程具體數(shù)值見表2。

表2 7#-墩全橋合龍后梁底高程 單位:m

螳螂江大橋合龍后,橋梁梁底的成橋線形與理論標高差值符合成橋線形和橋面高程的設(shè)計要求。

5.1.2施工過程中橋梁標高

施工過程中各節(jié)段標高和變形數(shù)據(jù)很多,也不一一列出,以7#墩主要梁段標高和變形為例,變化見表3和表4。

施工過程中,梁底實測標高與理論標高差值大部分控制在2 cm以內(nèi),符合設(shè)計要求。

表3 7#墩-8號塊(邊跨側(cè))實測標高和變形 單位:m

表4 7#墩-8號塊(中跨側(cè)) 實測高程和變形 單位:m

5.2 主梁應(yīng)力

5.2.1合龍后主梁應(yīng)力

跨中合龍時,以7#墩為例,主橋底、頂板應(yīng)力實際測試值與理論計算值見表5和表6。

表5 主橋7#墩底板應(yīng)力 單位:MPa

表6 主橋7#墩頂板應(yīng)力 單位:MPa

實測主橋底、頂板混凝土未出現(xiàn)拉應(yīng)力,混凝土無開裂現(xiàn)象。

實測主橋頂、底板混凝土最大壓應(yīng)力小于12.0 MPa,實測與設(shè)計的差值指標均滿足規(guī)范要求,應(yīng)力實測值與理論計算值符合良好。

5.2.2施工過程主梁應(yīng)力

因施工過程中測點應(yīng)力數(shù)值太多,僅以8#墩0號塊測點隨施工階段變化的情況為例,詳見表7。

表7 8#墩-0號塊應(yīng)力隨施工過程變化 單位:MPa

實測8#墩0號塊頂、底板混凝土均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,混凝土無開裂現(xiàn)象。實測8#墩0號塊底、頂板混凝土最大壓應(yīng)力均小于12.0 MPa,滿足相應(yīng)規(guī)范要求,應(yīng)力實測值和理論計算值符合良好。

6 結(jié)束語

盡管設(shè)計人員在橋梁設(shè)計時盡可能考慮了施工中出現(xiàn)的情況,但是由于影響因素太多,事先難以精確估計,因此在施工過程中對梁體結(jié)構(gòu)進行動態(tài)監(jiān)測,并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對施工過程中的控制參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整是保證橋梁質(zhì)量的重要一環(huán)[12]。

本案例經(jīng)理論計算和現(xiàn)場監(jiān)控驗證,各施工工序引起的橋梁變位的實測值和理論值符合良好,各施工階段高程控制準確,誤差在規(guī)范允許范圍之內(nèi),成橋線形流暢,達到線形控制的預(yù)期目標。但根據(jù)本項目特點,為保證橋梁運營質(zhì)量,除施工過程的監(jiān)測監(jiān)控外,后期還應(yīng)進行靜動載實驗及運營階段的狀態(tài)監(jiān)測。同時根據(jù)后期監(jiān)測資料分析研究混凝土收縮徐變對本橋的影響程度,為今后同類型橋梁提供借鑒資料。