基于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂掛籃施工線形控制研究

劉錫良

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

山區(qū)橋梁中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是最為常見的一種橋型[1]，通常采用對稱懸臂澆筑法對其上部結(jié)構(gòu)進行施工。對于高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋而言，施工階段和成型階段各種復(fù)雜原因的作用下，橋梁成橋線形都會產(chǎn)生一定程度的變形。橋跨彎曲變形的問題不僅影響橋梁表面質(zhì)量和作業(yè)完成，還制約著橋梁受力結(jié)構(gòu)與運營狀態(tài)。所以，橋梁施工的線形控制已成為必須面對且解決的問題[2-6]。李國平等[7]將現(xiàn)代計算機控制相關(guān)理論應(yīng)用于大跨連續(xù)梁橋線形施工領(lǐng)域，提出一種最優(yōu)控制的方法，橋梁施工期間成橋線形和運營狀態(tài)得到最佳控制?？紤]實際施工現(xiàn)場各方面影響因素，選取控制狀態(tài)與變量、目標(biāo)函數(shù)、確定最優(yōu)實施線形曲線等，其研究理論與方法在橋梁施工中收到了不錯的驗證。馬顯紅等[8]以某一施工大橋作為研究對象，從混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、溫度荷載等幾個方面分析對該橋梁施工控制精度的影響，搭建橋梁懸臂掛籃線形控制的數(shù)學(xué)分析模型。莊緒杰[9]通過使用midas Civil仿真軟件對張家洞大橋施工階段和成形階段進行線形和非線形穩(wěn)定分析，分析墩混凝土強度等級、橫隔板的厚度及位置、風(fēng)荷載等因素對研究橋梁高墩穩(wěn)定性的影響。

1 大跨徑連續(xù)橋懸臂掛籃施工線形控制

1.1 大跨徑連續(xù)橋懸臂掛籃施工過程計算分析方法

將衢州特大橋作為工程依托，大跨徑連續(xù)橋梁在懸臂掛籃施工過程可利用midas Civil仿真軟件，進行線形、穩(wěn)定性等一系列分析，完成懸臂掛籃施工的線形控制仿真[10，11]。目前對橋梁施工結(jié)構(gòu)變形和受力分析計算方法，主要分為正裝計算法與倒裝計算法，正裝計算法即按照懸臂掛籃施工的作業(yè)順序進行結(jié)構(gòu)變形及受力分析，而倒裝計算法則是按照懸臂掛籃施工的作業(yè)，倒拆順序分析不同階段的結(jié)構(gòu)變形及受力情況[2，3]。使用正裝計算法和倒裝計算法的分析方法都假定一定的理想狀態(tài)，且都各有千秋。使用正裝計算法結(jié)構(gòu)分析時，前提是荷載與位移處于理想狀態(tài)，而現(xiàn)實作業(yè)環(huán)境里，節(jié)點坐標(biāo)跟著荷載變化不斷改變，如果只是使用正裝計算分析，則不能達到線形控制的效果。采用倒裝計算法對橋梁結(jié)構(gòu)進行分析時，沒有考慮混凝土收縮的影響，也不能很好達到線形控制的目的[12]。因此在懸臂掛籃施工過程中，為了有效實現(xiàn)線形控制的效果，且滿足圖紙要求，取Hyjn=H1mm-fgi+fn作為主梁的初始標(biāo)高；使用正裝計算法把初始標(biāo)高作為初始點進行結(jié)構(gòu)和力學(xué)變形的研究。實際上，由于非線形的影響，計算結(jié)果往往不收斂，正裝計算法不可能一次滿足設(shè)計要求，需重復(fù)新一輪的正裝計算步驟，直至計算結(jié)果收斂閉合，滿足設(shè)計要求。

1.2 成橋預(yù)拱度設(shè)置

(1)

1.3 施工現(xiàn)場監(jiān)測

為確?，F(xiàn)場撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，應(yīng)選用測量精度高的水準(zhǔn)儀，觀測時在主橋連續(xù)梁截面處選擇5個高程觀測點，將4個觀測點安裝在模板表面，調(diào)控立模的位置與標(biāo)高[17]。3個安裝于梁頂表面，采集施工過程中梁體的位移數(shù)據(jù)，通過調(diào)整模板的標(biāo)高預(yù)抬升量，從而能夠達到梁體高程監(jiān)測的目的，現(xiàn)場高程觀測撓度位置布置圖見圖1。

圖1 高程觀測位置布置圖

圖1中，n1、n2、n3、ns表示立?？刂票O(jiān)測點，其中n1、n2是監(jiān)測調(diào)整底模的位置與標(biāo)高，n3、n5是監(jiān)測調(diào)整頂模的位置與標(biāo)高的調(diào)整，通過全站儀監(jiān)測調(diào)整立模的位置與標(biāo)高；n3、n4、n5三處位置則觀測橋梁施工期間的結(jié)構(gòu)變形情況。在橋梁施工過程中，觀測混凝土預(yù)應(yīng)力張拉前后高程、澆筑前后高程的測試數(shù)據(jù)，可以實時采集不同截面施工結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)與追蹤橋梁曲線變化情況，讓箱梁懸臂端的合龍精度與橋面線形時刻滿足設(shè)計需求。此外，在作業(yè)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)記規(guī)章事項：作業(yè)時需注意將平衡施工作為第一原則，避免因作業(yè)荷載與橋面雜物失衡導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確影響最終結(jié)論[19]。數(shù)據(jù)的采集應(yīng)在作業(yè)當(dāng)日早晨日出前實施，嚴(yán)禁在惡劣天氣環(huán)境下采集數(shù)據(jù)。

1.4 立模標(biāo)高的確定

對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂掛籃施工時，在某些范圍內(nèi)，不同梁段立模標(biāo)高取值正確與否直接制約主梁設(shè)計達標(biāo)程度、線形平穩(wěn)性。設(shè)置一定范圍的逆向拱度，減少完工后所出現(xiàn)的撓度變形，因此，橋梁的立模標(biāo)高和設(shè)計標(biāo)高會有一些范圍的偏差。確定立模標(biāo)高應(yīng)考慮多種因素的影響，為了減緩施工過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變形問題，提前設(shè)置逆向拱度。按照以下公式確定

h1mn=Hsjn+∑f1n+∑f2n+f3n+f4n+fgl

(2)

式中:H1mn表示n節(jié)點立模標(biāo)高；Hsjn表示n節(jié)點設(shè)計標(biāo)高；∑f1n、∑f2n分別表示n節(jié)點中各個節(jié)點自重以及張拉各個單元預(yù)應(yīng)力形成的總撓度；f3n、f4n分別表示n節(jié)點混凝土收縮、漸變形成以及施工過程中臨時荷載形成的總撓度；fgi為懸臂掛籃載荷形成的撓度，可按照掛籃載荷-撓度曲線查找得到。而∑f1n+∑f2n+f3n+f4n之和即倒裝計算輸出結(jié)果中的預(yù)拱度，因此可由公式(3)及公式(4)得到預(yù)期標(biāo)高Hyjn。

H1mn=Hsjn+fgl·

(3)

Hyjn=H1mn-fgl+fn·

(4)

式中:Hyjn為預(yù)期標(biāo)高；fn為塊件澆筑后n節(jié)點的撓度。

懸臂掛籃施工產(chǎn)生的撓度一般分為階段撓度與累計撓度。階段撓度即某工序?qū)κ┕み^程產(chǎn)生的撓度，減緩混凝土收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。累計撓度即工程開始一定階段，橋梁結(jié)構(gòu)變形和受力產(chǎn)生的總撓度，隨著時間加長，混凝土收縮徐變將逐漸加大，這是制約橋梁線形結(jié)構(gòu)控制的重要因素。當(dāng)施工過程中正確取值最大預(yù)拱度、立模標(biāo)高等參數(shù)，則產(chǎn)生的撓度變形數(shù)據(jù)就可以理論計算得到并有效控制撓度范圍。通過對累計撓度進行對比研究，修訂混凝土收縮徐變?nèi)≈捣秶?，從而累計撓度的參?shù)模型滿足圖紙要求。施工監(jiān)測過程中對各個施工環(huán)節(jié)、節(jié)點均進行了跟蹤測量，實時分析研究橋梁結(jié)構(gòu)在各施工工況下的實際變形情況，同時比較分析理論計算數(shù)值，以便對誤差得到反饋控制。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 大橋懸臂掛籃施工線形控制

衢州特大橋位于水庫下游約3.4 km處跨越江面，交叉角度接近正交，江面為不通航河流，橋位位于該鎮(zhèn)之間，有通往水庫的道路可直接到達橋位處。橋梁上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁+預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁組合的設(shè)計結(jié)構(gòu)，引橋下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、Y型墩配鉆孔樁基礎(chǔ)，主橋下部結(jié)構(gòu)為薄壁空心墩配樁基礎(chǔ)組合的設(shè)計結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)全長540 m，跨徑布置為5×30 m(預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁)+85 m(連續(xù)剛構(gòu))+160 m(連續(xù)剛構(gòu))+85 m(連續(xù)剛構(gòu))+2×30 m(預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁)。研究對象左線沾益方向引橋位于曲率R=1 250 m的平曲線、回旋線長150 m末端(占回旋線長度為95.467 m)，主橋及會澤方向引橋均為直線段，縱坡為-2%；右線沾益方向引橋位于曲率R=1 100 m的平曲線、回旋線長150 m末端(占回旋線長度為93.529 m)，主橋及會澤方向引橋均為直線段，縱坡為-2%。對所研究的大橋懸臂掛籃施工進行線形控制，依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范JTC D60-2015》，對計算模型的參數(shù)進行取值計算：由該公路設(shè)計計算報告可知，①公路荷載等級為：公路—I級；②車道系數(shù)為：二(三)車道；③中跨活載最大撓度為：d2=2.18 cm。

故此可由公式(5)計算出中跨最大預(yù)拱度

=0.1 m+0.021 8 m2=0.110 9 m

(5)

由公式(5)計算可得中跨預(yù)拱度為110 mm，邊跨預(yù)拱度一般為中跨最大預(yù)拱度的25%，則該大橋邊跨預(yù)拱度取值29.8 mm，橋梁其他坐標(biāo)點的預(yù)拱度按照式(1)計算得到，將預(yù)拱度數(shù)據(jù)與橋梁坐標(biāo)點關(guān)系表示為曲線關(guān)系圖。

2.2 施工線形控制結(jié)果和分析

研究對象橋梁有3個跨、4個墩，對橋梁主跨的6#和7#墩采集橋梁施工張拉后高程和澆筑后高程數(shù)據(jù)為研究對象，由公式(2)～(4)可計算得到橋梁預(yù)期標(biāo)高，即為本工程中的設(shè)計高程，對澆筑完成的橋梁工程進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)整理可得表1、表2。

如表1、表2所示，從以上兩個表格數(shù)據(jù)里，上半部分?jǐn)?shù)值對應(yīng)左側(cè)頂板測試結(jié)果，下半部分?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)右側(cè)頂板測試結(jié)果。澆筑混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形基本一致，分析得出以下結(jié)論。

表1 6#墩大里程方向頂板測試數(shù)據(jù)

表2 7#墩大里程方向頂板測試數(shù)據(jù)

(1)6#墩左側(cè)與7#墩右側(cè)的波動范圍基本一致，張拉后與設(shè)計高程差值最大是10.0 mm，澆筑后與設(shè)計高程差值最大為15 mm，都在設(shè)計圖紙可控范圍內(nèi)，表示該實例施工線形控制確定影響參數(shù)數(shù)據(jù)實際情況符合。

(2)6#墩右側(cè)與7#墩左側(cè)的波動范圍基本一致，隨著懸臂節(jié)段慢慢加大，混凝土澆筑后高程、張拉后高程和設(shè)計標(biāo)高之間的差值也逐漸增加，然而最大差值數(shù)據(jù)仍在設(shè)計圖紙可控范圍內(nèi)。

(3)從表1、表2頂板數(shù)據(jù)對比分析，當(dāng)張拉后梁段標(biāo)高明顯提高，橋梁起拱度相應(yīng)變化。從監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，最大預(yù)抬值為10.0 mm，施工后期階段合攏后該大橋標(biāo)高有所減少。施工過程中采集監(jiān)測梁段標(biāo)高對應(yīng)數(shù)據(jù)正確有效，按照測試數(shù)據(jù)采取相關(guān)措施，進行懸臂掛籃施工的線形控制。

3 結(jié) 論

針對目前橋梁施工現(xiàn)狀，提出一種大橋懸臂掛籃施工線形控制方法。采用正裝計算方法迭代計算施工橋梁的初始標(biāo)高，從理論分析如何設(shè)置懸臂掛籃過程成橋預(yù)拱度、立模標(biāo)高等參數(shù)數(shù)值，施工過程中采取測量精度高的測量儀器采集橋梁的撓度數(shù)據(jù)，分析衢州特大橋?qū)嵗┕埨蟾叱毯蜐仓蟾叱虜?shù)據(jù)后表明，所提施工線行控制方法控制效果好。