大跨徑橋梁施工控制不確定因素分析

王波 岳陽市城市建設工程有限公司

1 前言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多的新式建筑出現(xiàn)在人們的生活中，為了解決國家邊遠山區(qū)的交通問題，讓邊遠地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展不受交通限制，更多高速公路已經(jīng)在邊遠山區(qū)修建起來。但是山區(qū)的地形不像平原地區(qū)那樣適合修建高速公路，國家需要投入更多的資金在高速公路修建過程中，譬如為了跨越特殊地形，高速公路需要搭建大跨徑橋梁進行連接，因此我國的橋梁施工控制技術(shù)也隨之得到了提升。為了保證橋梁施工工程的施工質(zhì)量，需要在橋梁施工過程中不斷運用橋梁施工控制技術(shù)，并調(diào)整施工參數(shù)，以適應不同的橋梁施工現(xiàn)場實際情況?？偨Y(jié)來說，橋梁施工控制是保障橋梁安全施工的核心技術(shù)，在進行大跨徑橋梁施工時分析橋梁施工控制不確定因素是必要的一個步驟。

2 大跨徑橋梁

2.1 大跨徑橋梁的概念及施工特點

大跨徑橋梁指的是大幅度跨徑的橋梁，從相關(guān)橋梁技術(shù)手冊上查閱得知，按目前工程技術(shù)水平來看，大跨徑橋梁指的是跨度超過100m的橋梁。隨著技術(shù)水平的不斷提升，大跨徑橋梁所對應的橋梁跨度數(shù)值會越來越大，這也是與時俱進的一個指標。

根據(jù)公路工程技術(shù)標準相關(guān)規(guī)定，大跨徑橋梁中跨度的規(guī)模一般在100m以上，單個孔洞的跨度應該在40m~150m之間，因此大跨徑橋梁的施工特點與普通橋梁有很大區(qū)別，主要區(qū)別體現(xiàn)在如下兩個方面：一是本身的自重和荷載力較大；二是對地基和施工機械設備的要求較高。

2.2 橋梁施工中的控制內(nèi)容要點

在橋梁施工過程中，對工程進行良好的施工控制能夠有效提升整個工程的施工質(zhì)量，并且為后續(xù)的安全使用提供保障。在大跨徑橋梁施工中，由于橋梁跨度較長，通常會采用分段施工方式，會導致施工過程中產(chǎn)生一些不確定因素，因此在施工過程中必須加大對施工質(zhì)量的把控。特別是一些預應力混凝土橋梁工程，由于材料的特點比較松散，導致橋梁內(nèi)部之間經(jīng)常會產(chǎn)生內(nèi)部作用力，使得內(nèi)部產(chǎn)生位移現(xiàn)象，給工程帶來了一定的質(zhì)量隱患。如果對工程進行返工，對工程施工進度造成嚴重的影響。因此工程施工控制是工程施工中必要的一個環(huán)節(jié)，在良好的控制下，每一個施工階段發(fā)生問題的概率都會顯著降低。譬如在橋梁施工階段，如果做好相應的監(jiān)測工作，橋梁的內(nèi)部應力及形變程度都可以事先干預，如果在觀測中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，要求相關(guān)技術(shù)人員及時跟進，并且分析導致問題的內(nèi)部原因，且給出相應的解決措施，這樣能充分保證工程的質(zhì)量安全。如果做好對橋梁等工程的有效控制工作，也可以幫助后續(xù)監(jiān)測人員提高對橋梁檢測時的工作效率。

通常情況下，橋梁施工控制內(nèi)容主要包含結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制、結(jié)構(gòu)安全控制、結(jié)構(gòu)應力控制和結(jié)構(gòu)變形控制。

（1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制指的是在橋梁施工過程中確保橋梁的穩(wěn)定性，所以為了確保穩(wěn)定性必須保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，橋梁設計師不僅要考慮橋梁整體的穩(wěn)定性，還要重點關(guān)注某些局部的穩(wěn)定性，必須在施工過程中加強橋梁的穩(wěn)定性監(jiān)測，有效控制橋梁的失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）結(jié)構(gòu)安全控制主要是要求施工人員在橋梁施工過程中重點保證施工的安全性，所有的工程都以安全性為前提。在大跨徑橋梁施工建設中，由于地形比較復雜，影響橋梁施工的不利要素也會比平原地區(qū)要多很多，因此要基于實際現(xiàn)場情況，制定適合本項工程的安全注意事項。

（3）結(jié)構(gòu)應力控制主要是在施工過程中，確定橋梁應受能力和事先估計的應受能力是否能匹配，是否符合施工指標要求。但是由于大跨徑橋梁施工難度較大，要對其進行精確的應受能力評估不大容易，但是依然要盡量考慮這個問題，在施工過程中要加大對某些關(guān)鍵性指標的監(jiān)測，即使不能給出十分準確的應受能力評估，也要給出一些指導性建議，給相關(guān)管理者提供輔助建議。

（4）結(jié)構(gòu)變形控制指的是在施工建設中，橋梁會產(chǎn)生一些形變，通過結(jié)構(gòu)變形控制，設計方和施工方能確保結(jié)構(gòu)變形程度控制在一定的范圍內(nèi)，并且保證對橋梁的安全和質(zhì)量不會產(chǎn)生影響。

施工控制的特點是根據(jù)具體的現(xiàn)場實際情況，制定相應的設計方案和橋梁參數(shù)，由于地形地貌千變?nèi)f化，橋梁結(jié)構(gòu)和樣式也是多種多樣的，因此施工控制無需拘泥特定的內(nèi)容和形式，要針對具體的工程開展具體的分析，并采用相對應的設計方案，方案要根據(jù)實際情況對某些方面有所側(cè)重。譬如在懸索橋工程施工中，要重點對承受重量的主索進行對應的施工控制，科學合理的計算主索的長度；在斜拉橋施工過程中，重點對標高進行施工控制。

2.3 影響施工控制的因素

影響施工控制的因素有很多種，包括施工管理、施工監(jiān)測、施工工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫度因素和材料收縮等。

（1）橋梁結(jié)構(gòu)因素。影響施工控制最重要的一個因素就是結(jié)構(gòu)因素，影響橋梁結(jié)構(gòu)設計的要素很復雜，首要因素就是橋梁所處的自然條件和地質(zhì)條件，自然條件和地質(zhì)條件往往影響著橋梁的跨度和高度；然后是人為設計因素，這個取決于政府對外觀的要求或者設計師個人的主觀偏好。

（2）施工管理因素。施工管理是工程施工中的一個重要組成部分，為了在保證工程質(zhì)量的情況下按時完成工程任務，從收到施工任務開始一直到工程完成驗收，整個過程需要以施工現(xiàn)場和施工對象為主要關(guān)注點，對其進行組織管理。在施工正式開展前，要全面了解整個工程的狀況，凡事做到心中有數(shù)，要熟悉施工圖紙和有關(guān)技術(shù)規(guī)范，并且弄清楚相關(guān)質(zhì)量要求，施工管理要實行有目標地組織協(xié)調(diào)控制，同時在管理某一項工程時，要以安全施工為前提，充分確保工程的質(zhì)量。

（3）施工監(jiān)測因素。施工監(jiān)測的概念主要是指在施工過程中，相關(guān)監(jiān)測人員要重點監(jiān)視一些關(guān)鍵部位，為了保障施工質(zhì)量及施工的安全性，相關(guān)監(jiān)測人員要設定某些控制值，當監(jiān)測值逼近控制值時，要有相應的預警提示，這些工作需要各承建方積極配合，共同完成。施工監(jiān)測的主要內(nèi)容包括大型施工項目應力變化監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、隧道圍巖位移監(jiān)測、大體積混凝土澆筑溫度監(jiān)測和基坑監(jiān)測。

（4）施工工藝因素。施工工藝主要是指與施工相關(guān)的一些工藝，在施工過程中，施工方應該按照設計方案中的圖紙，采用合理的施工工藝開展施工，常見的建筑施工工藝包括挖土方、標高、鋼筋綁扎和混凝土施工等，在建筑施工開展之前，必須要事先確定要采取的施工工藝。

（5）溫度因素。溫度在建筑施工中也具有一定影響，尤其對混凝土的影響特別嚴重。在現(xiàn)代建筑施工中，混凝土扮演了不可或缺的角色，混凝土對于溫度十分敏感，在大體積混凝土中，溫度應力的影響特別明顯。在混凝土完成澆筑以后，體內(nèi)會繼續(xù)發(fā)生反應，造成內(nèi)外溫度存在偏差，然后由于熱脹冷縮原理，導致某些部位出現(xiàn)裂縫。除此之外，混凝土也會經(jīng)常出現(xiàn)溫度裂縫，這些都會或多或少影響施工建筑的耐久性和強度。因此施工人員在實際工程中，要充分認識溫度變化給混凝土使用帶來的不利影響，在工程中可以選用低熱水泥，盡量降低熱源溫度，或者通過水冷降低骨料溫度，也可以在攪拌過程中使用冷水，如果上述措施均不能達到明顯效果，可以對其強迫冷卻，主要方式是在其內(nèi)部埋設冷卻水管，強迫其降溫。

（6）材料收縮因素。建筑工程中的材料收縮因素也是具體表現(xiàn)在混凝土這一施工材料上的，材料收縮會導致收縮裂縫的產(chǎn)生，這是由于溫度變化所引起的。由于混凝土是以水泥為主要材料，配合使用沙子和石頭，然后和水一起攪拌，最后運輸?shù)绞┕すさ剡M行澆筑，凝結(jié)為人工石材。施工過程中，如果加入過量的水，會導致這些多出的水分以游離態(tài)存在，并且逐漸蒸發(fā)，以至于在混凝土內(nèi)部形成大量空隙。水化作用以及碳化作用也會引起水泥土的收縮，由于混凝土收縮是固有屬性，在工程施工中是不可避免的，需要把它控制在一定的收縮范圍內(nèi)。當然也可以通過改善水泥品種和骨料品種，調(diào)整水灰比，加入外摻劑以及改善養(yǎng)護方法等措施限制混凝土的收縮程度。

3 溫度應力

橋梁施工過程中，影響橋梁安全的因素很多，其中最關(guān)鍵的就是橋梁應力應變信息，通過一些先進的監(jiān)測方法，相關(guān)技術(shù)人員可以獲取到一些關(guān)鍵部位的信息。其中溫度受力指的是因為溫度發(fā)生變化導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)伸縮，當伸縮達到了一定量級以后，就會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對應的應力，工程上對此一般分為兩種，第一種是自約束應力，主要是由纖維間的作用力差異所導致的，這種差異來源于結(jié)構(gòu)組織內(nèi)部的溫度不一致；第二種是次約束應力，主要由變形位移形成的作用力，形成根源也是因為結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織溫度不同，溫度應力最大的特點就是時間性和非線性特征，時間性主要體現(xiàn)在給定的時刻，某區(qū)域內(nèi)的溫度隨空間坐標的變化而變化；非線性特征主要體現(xiàn)在當外界溫度發(fā)生劇烈變化時，內(nèi)部的溫度并沒有隨之變化，導致內(nèi)外具有明顯的溫差。

在橋梁設計中會大量采用混凝土，所以受環(huán)境影響，混凝土內(nèi)部和外部的溫度都是一個動態(tài)變化的數(shù)值，一般影響混凝土溫度載荷的主要因素有三種。一種是太陽光引起的溫度載荷，一種是外界溫度驟然降低導致的溫度載荷，最后一種是季節(jié)變遷導致的溫度載荷。一般對工程中混凝土影響較大的是前兩種，因此在橋梁設計階段，要充分考慮這兩種溫度載荷對橋梁施工和后期使用的影響。

溫度載荷分析過程是有相對詳細的理論體系支撐的，分析主要基于大量的外場采集數(shù)據(jù)，并運用統(tǒng)計規(guī)律學建立一個按照時間變化的數(shù)學模型，雖然在數(shù)學層面上，可以得到這個函數(shù)的大致分布情況，但是從工程層面分析，還是會存在大量影響這個函數(shù)分布的其他因素，這些都會最終導致結(jié)果的偏差。因此針對某項工程的溫度載荷分析，相關(guān)技術(shù)人員只能給出定性分析結(jié)果，并不能給出完全精確的預測值。

4 混凝土結(jié)構(gòu)的徐變收縮分析

在長期應力作用下的混凝土，應變會隨著時間變化而發(fā)生變化的，因此這種方式區(qū)別于彈性變形應變。通常把在長期應力作用下，應變隨時間變化而增長的現(xiàn)象定義為徐變現(xiàn)象；還有一種現(xiàn)象是當混凝土材料長期處于零荷載狀態(tài)時，會發(fā)生緩慢的收縮變形?？偨Y(jié)來說，混凝土的應變主要是由溫度應變、徐變應變和收縮應變共同導致的。

4.1 造成混凝土徐變的原因

（1）在某些外力的參與下，混凝土內(nèi)部的膠體顆粒會發(fā)生黏性流動，這會導致晶體發(fā)生位移。（2）在外力的參與下，混凝土內(nèi)部毛細孔中水的遷移能夠釋放部分的內(nèi)部應力。（3）由于外部載荷的原因，混凝土會逐漸失去內(nèi)部的水分，從而導致混凝土產(chǎn)生緊縮現(xiàn)象。（4）當混凝土逐漸產(chǎn)生細小裂縫時，隨著時間的流逝，這些裂縫中不斷有新物質(zhì)進來填充，這時候混凝土會與這些新物質(zhì)發(fā)生反應，生成結(jié)晶狀物質(zhì)，這種結(jié)晶狀物質(zhì)會使混凝土更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)位移。

4.2 造成混凝土收縮變形的原因

（1）碳化收縮導致的形變。由于空氣中的二氧化碳會持續(xù)與混凝土中的化合物進行反應，使混凝土中的水泥化合物不斷碳化，導致混凝土的體積不斷減小，整個混凝土結(jié)構(gòu)就會發(fā)生收縮變形。

（2）氣候原因?qū)е碌母稍锸湛s，進而產(chǎn)生形變。由于混凝土經(jīng)常是暴露在外部惡劣環(huán)境中，這會導致內(nèi)部的水分不斷失去，其實在溫度較高的夏日，這種現(xiàn)象尤為顯著，當混凝土內(nèi)部水分不斷流失，必然會發(fā)生收縮現(xiàn)象。

（3）自發(fā)收縮導致的形變?；炷羶?nèi)部會不斷發(fā)生水化反應，由于在水化反應中，會消耗掉水泥成分，導致混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。

5 大跨徑橋梁施工控制中需要重點提升的方面

準確測量橋梁的變形參數(shù)是橋梁施工控制的關(guān)鍵，因此在大跨徑橋梁施工過程中，要在以下兩個方面有所提升。

（1）在橋梁施工監(jiān)控過程中，要不斷豐富測量的項目，不僅要采用相對方便快捷的方法提高效率，還應該選擇合適的手段獲取到想要的參數(shù)。

（2）為了更好地開展進一步的研究工作，需要建立一個更加完善的數(shù)學模型，數(shù)學模型應該具有較高的參數(shù)適配能力，在不同的環(huán)境下，能具有高精度的預測能力，使得后續(xù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的意義。

6 結(jié)束語

隨著國家工程技術(shù)的不斷提升，大跨徑橋梁工程的施工效率也變得越來越高，在這種復雜工程的施工過程中，尤其需要相關(guān)工程技術(shù)人員針對不確定因素進行控制，保證工程的施工質(zhì)量。作為影響大跨徑橋梁工程施工質(zhì)量最為關(guān)鍵的兩個因素，溫度應力現(xiàn)象以及混凝土收縮徐變現(xiàn)象，是橋梁工程施工中繞不過去的兩個問題，由于受到橋梁工程施工環(huán)境和所用原材料的影響，兩者所反映出來的具體參數(shù)是不斷動態(tài)變化的，雖然在一些模擬場景中，很難給出精確的溫度應力參數(shù)值和混凝土收縮徐變參數(shù)值，但是可以根據(jù)動態(tài)變化著的參數(shù)，給出一些定性的分析指導。