大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工線形控制分析

于松波

(陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋因其結(jié)構(gòu)形式簡單、受力合理、適應(yīng)性強等原因在很多橋梁建設(shè)中得到應(yīng)用。但在施工過程要確保橋梁線形和結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計與規(guī)范要求，因為施工環(huán)境和橋梁本身特點的不同，影響橋梁線形和結(jié)構(gòu)受力的因素復(fù)雜多變，應(yīng)對橋梁施工過程開展橋梁線形和結(jié)構(gòu)受力等內(nèi)容的研究分析，以確保橋梁線形順暢穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

連霍高速西寶高速公路改擴建項目涼泉村大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長336 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為(65+120+65)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁，由單箱單室變截面組成。箱梁根部高度7.2 m，跨中梁高3.0 m，期間梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂板寬15.9 m，底板寬8.4 m，頂板厚0.32 m，底板厚由跨中跨中0.32 m按1.8次拋物線變化至根部0.9 m，腹板厚跨中段為0.55 m，根部變?yōu)?.70 m，漸變段長4.0 m。

橋墩頂部范圍內(nèi)箱梁頂板厚0.50 m，底板2#墩頂厚1.20 m，3#墩頂厚1.5 m，腹板厚0.90 m，橋面橫坡采用不同腹板高度予以調(diào)整。主橋箱梁除墩頂快件外，各單“T”箱梁均采用掛籃懸臂澆筑法施工，分14對梁段。橋墩墩頂快件長12.0 m，中孔合龍段長2.0m，邊孔現(xiàn)澆段長3.8 9m，邊孔合龍段長2.0 m。主梁采用縱、橫、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系，該橋通過自適應(yīng)控制法進行橋梁施工監(jiān)控。

2 橋梁線形有限元分析

2.1 計算模型建立

為簡化計算，采用平面桿系簡化模擬(65+120+65)m的橋梁主橋結(jié)構(gòu)，建立MIDAS/CIVIL(V8.2.1)三維計算模型，共分為94個單元，其中主梁82個單元，橋墩12個單元。邊界條件為：2#墩梁固結(jié)，3#墩采用支座連接，墩底剛接，不考慮樁基變形?？紤]混凝土5年的收縮徐變影響，將建設(shè)期間最低的早晨溫度作為模擬計算溫度，不考慮梁體內(nèi)溫度梯度變化的影響。主橋為橫向、縱向、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系，在模擬計算時只考慮縱向預(yù)應(yīng)力，忽略計算豎向、橫向及普通鋼筋的影響。整個模擬過程一共包含78個施工階段、1個運營階段，合攏順序為先邊跨后中跨，采用正裝分析法進行計算分析。計算參數(shù)按照實際設(shè)計參數(shù)選取，計算模型如圖1，圖2，圖3所示。

圖1 懸澆施工階段三維數(shù)值模型

圖2 大里程邊跨合龍階段三維數(shù)值模型

圖3 小里程邊跨、中跨合龍階段三維數(shù)值模型

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

橋梁懸臂施工過程中主要控制的結(jié)構(gòu)變形階段為：最大懸臂階段、順利合龍后及成橋，三個階段的最大結(jié)構(gòu)變形直接決定著橋梁線形是否滿足設(shè)計要求。

通過仿真模擬分析，得出三階段情況下橋梁結(jié)構(gòu)累計變形規(guī)律見圖4。結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果和大量工程實踐，通過對涼泉村大橋進行驗算，該橋邊跨的成橋預(yù)拱度設(shè)置為20 mm，預(yù)拱度最大值設(shè)置在活荷載影響下的最大撓度截面處(距梁端20 m)，在各跨中位置的成橋預(yù)拱度設(shè)置為80 mm。各孔預(yù)拱度按余弦曲線在孔內(nèi)其他點分配，各測點預(yù)設(shè)預(yù)拱度值見圖5所示。

注：帶“’”號塊為邊跨方向，不帶“’”號塊為中跨方向圖4 預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)累計變形圖

圖5 各測點預(yù)設(shè)預(yù)拱度

3 橋梁施工線形控制

3.1 立模標高確定

在預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工過程，通過設(shè)定立模標高來控制橋梁線形，實時監(jiān)測控制結(jié)構(gòu)標高，確保橋梁線形滿足施工要求，立模標高計算見式(1)

Hlm=Hsg+Hypg+Hgl

(1)

式中：Hlm為立模標高，m；Hsg為設(shè)計標高，m；Hypg為理論預(yù)拱度值，m；Hgl為掛籃變形值，m。

通過模擬計算的理論預(yù)拱度值和掛籃靜載試驗得到全橋立模標高，本文僅對個別截面立模標高予以列出，見表1。

表1 全橋立模標高

3.2 現(xiàn)場施工監(jiān)測

科學可靠的監(jiān)測成果是達到最優(yōu)控制的基礎(chǔ)條件，高程觀測的數(shù)據(jù)成果用來對成橋線形進行實時監(jiān)控。涼泉村大橋各懸臂施工梁段變形觀測點布置如圖6所示，在每一個懸臂澆筑箱梁節(jié)段頂板各布設(shè)3個測點，觀測點沿箱梁中線對稱布設(shè)，測點距節(jié)段前端面20 cm。懸澆箱梁節(jié)段的變形觀測點不僅是控制箱梁中線平面位置的觀測點，同時也是箱梁的標高控制點、撓度變形觀測點。

為最大可能的避免溫度的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的撓度觀測應(yīng)在太陽未出來之前的早晨進行。在監(jiān)測過程中，混凝土澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉后、合龍前后各階段各工況的撓度監(jiān)測是重點。

圖6 懸澆階段變形觀測點布置示意圖

(1)橋梁線形監(jiān)測結(jié)果分析

梁體結(jié)構(gòu)變形隨著施工的進行，因受各種因素的影響而處于不斷變化狀態(tài)。對橋梁線形監(jiān)測取得的數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)，得出的實測變形規(guī)律與數(shù)值模擬理論值進行對比分析，依此對橋梁施工進行信息化指導(dǎo)，確保橋梁線形符合設(shè)計要求。由于本文篇幅有限，本章只給出懸臂澆筑完成后和合龍后的梁體撓度變化規(guī)律。

懸臂階段撓度監(jiān)測分析

懸臂階段施工結(jié)束進行高程量測，測出的高程與裸梁設(shè)計高程相比，得出各位置實測撓度與理論撓度之差，詳見表2。

表2 涼泉村大橋懸臂施工觀測成果表

由表2分析可知，涼泉村大橋懸臂施工最大撓度誤差為13 mm，位于右幅1#～2#懸臂階段，滿足精度±15 mm的要求。

(2)合龍階段撓度監(jiān)測分析

對懸臂結(jié)構(gòu)出涼泉村大橋合龍后裸梁高程控制結(jié)果詳見表3、表4。

表3 涼泉村大橋左幅合龍后裸梁高程控制結(jié)果

表4 涼泉村大橋右幅合龍后裸梁高程控制結(jié)果

由表3，表4可以看出，涼泉村大橋主橋合龍之后裸梁頂實測標高和期望預(yù)拋高之間的最大正誤差：16mm，誤差值小于規(guī)范要求值。主要原因是箱梁頂板混凝土收面時控制不嚴格，造成局部梁段頂板厚度不均勻所致?？傮w而言，該橋裸梁梁頂線形滿足期望值(誤差小于20mm)，主橋懸澆箱梁未出現(xiàn)明顯的線形不順暢現(xiàn)象，線形控制良好。

(3)成橋監(jiān)控結(jié)果分析

在主橋主梁合龍后，對裸梁標高進行了聯(lián)測，根據(jù)實測標高并兼顧通車運營舒適性，參考同類高速公路橋梁經(jīng)驗，對涼泉村大橋橋面施工標高進行了重新擬合，給出了大橋鋪裝層施工時的控制標高，涼泉村大橋擬合線形如圖7，圖8所示。

圖7 左幅擬合線形

圖8 右幅擬合線形

分析圖7、圖8的橋梁線形監(jiān)控結(jié)果可知，進行實測標高時設(shè)置了結(jié)構(gòu)的預(yù)拱度，比設(shè)計標高要高，同時與理想預(yù)拱度十分接近。由理論分析可知，預(yù)應(yīng)力損失、砼收縮徐變等因素的影響作用下，橋梁在通車后隨著時間的推進，其跨中截面將會發(fā)生下?lián)犀F(xiàn)象，該現(xiàn)象恰好與成橋線形和設(shè)計線形的偏差相反，將會使懸臂施工的橋梁成橋線形與設(shè)計線形更加吻合。故涼泉村大橋的線形控制滿足施工及成橋后運營適用性的要求。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值分析、現(xiàn)場監(jiān)測、理論計算相結(jié)合的手段，對涼泉村大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁線形控制進行研究分析，得出了以下結(jié)論。

建立了MIDAS/CIVIL(V8.2.1)懸臂施工三維模型，進行了主橋橋梁懸臂施工階段、合龍階段、成橋狀態(tài)下的橋梁結(jié)構(gòu)累計變形規(guī)律分析，給出了懸臂施工各測點預(yù)設(shè)拱度。

結(jié)合數(shù)模分析結(jié)果，以及掛籃靜載試驗，通過理論計算給出了懸臂施工立模標高。

進行懸臂階段、合龍階段、成橋后線形現(xiàn)場觀測，并對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，懸臂施工最大撓度誤差為13 mm，滿足精度±15 mm的要求；裸梁梁頂線形滿足期望值(誤差小于20 mm)，主橋懸澆箱梁未出現(xiàn)明顯的線形不順暢現(xiàn)象，線形控制良好。