預應力混凝土連續剛構橋施工監控分析

鄭尚敏,程海根

(華東交通大學土木建筑學院,江西 南昌 330013)

隨著世界經濟的迅猛發展,近些年來世界的橋梁界也發生了巨大的變化。但同時,國內外的橋梁在施工過程中也發生了許多讓人痛心的事故。1994年 10月韓國漢城橫跨漢江的圣水大橋發生斷裂,中跨斷塌 50m,其中 15m掉入江中,造成死亡 32人、重傷 17人的重大事故;1998年 9月,寧波大橋在即將合龍的時候發生橋體斷裂,損失高達 4億元[6]。同類事情發生了很多。為了確保橋梁安全耐久以及橋梁施工能安全順利的進行,橋梁施工監測在大跨橋梁施工中的作用愈發重要。

目前,橋梁結構施工階段的監控監測已成為控制橋梁施工質量不可缺少的主要手段。準確的應力測試以及標高控制不僅是控制結構安全的重要依據,也是進行監控計算、確定監控指令的基本參數,將起到確保橋梁施工安全、運營安全的作用,并能通過早期發現橋梁病害,以節約橋梁的維修費用,提高橋梁的綜合使用效益。

1 工程背景

該橋是廈門至成都高速公路江西瑞金到贛州段,因所在地名為九嶺故稱為九嶺高架[3]。九嶺高架共有兩座高架橋,這里主要分析九嶺高架Ⅰ橋。其橋型采用的是預應力混凝土連續剛構橋,跨徑分布:46m+80m+80m+46m。設計為雙向四車道,設計荷載為公路 I級。上部結構采用預應力現澆箱梁半幅橋箱梁頂板寬 12.50 m,底板寬 6.25m,翼緣板長 3.125m。半幅橋箱梁頂板寬 12.50m,底板寬 6.25m,翼緣板長 3.125m。主墩采用單柱式箱型截面空心薄壁墩,橫橋向寬度 6.25m,順橋向寬度 3m,順橋向壁厚為 50 cm,橫橋向壁厚為 70 cm,承臺以上 3m高度范圍內采用實心斷面。主橋采用預應力混凝土連續剛構。全橋共有三個墩,采用對稱懸臂施工,共有 54個塊段(不算合龍段)。

2 橋梁施工監控的目的和內容

2.1 施工監測的目的

(1)為合理成橋狀態提供技術數據,準確給定和及時調整梁端立模標高,確保合龍精度,使成橋后的結構線型和內力滿足設計要求。

(2)通過理論計算和施工線形測量相結合,進行高程偏差調整和預測,得到合理的施工預拱度,控制橋梁的線形接近設計線形。

(3)對實際結構進行測試,掌握實際結構的真實應力,通過應力分析,發現可能出現裂紋的部位,對應力不足或危險截面采取補救措施,防患于未然。

2.2 橋梁施工監控的工作內容

(1)施工過程的實橋模擬計算;

(2)對橋梁每個塊段施工中箱梁 0#應力、應變的測量;

(3)根據技術員提供的三階段的標高值進行分析給定下一階段立模預拋高值。

3 橋梁結構仿真分析

3.1 計算模型建立

九嶺高架Ⅰ橋為雙幅連續剛構橋,計算中只取單幅建立平面桿系模型。按照施工和設計所確定的施工工序,以及設計所提供的基本參數,應用同濟大學開發的橋梁結構分析程序橋梁博士 V3.0建立模型對施工過程進行計算。計算模型最大結構包含 127個節點,129個單元。從制作 0#開始,全橋施工共分為 43個階段。該橋從正面看過去從右向左其橋墩命名分別為 4#墩、5#墩、6#墩,其全橋模型見圖 1。

圖1 有限元模型

邊界條件為:墩底部固結,交界墩按活動絞支座模擬。

約束條件:墩梁之間并不是通過主從約束來模擬,而是通過在其之間建立三個單元來模擬其固結的作用。

3.2 施工荷載模擬

在預應力混凝土連續梁橋的懸臂施工中,掛籃和模板機具設備對結構的內力和變形的影響很大,所以在仿真分析中,必須考慮施工荷載(主要是掛籃的影響)。在本橋的仿真模擬計算分析中充分考慮施工荷載的影響,模擬掛籃的安裝、拆除以及前進等工況。在模型中掛籃采用程序中自帶的掛籃組進行模擬,其可以很好的模擬實際施工中其對結構的影響。

3.3 施工過程中的結構分析

對于懸臂施工的剛構連續梁橋,其后一塊件是通過預應力鋼筋混凝土與前一塊件相接而成,每一施工階段是密切相關的。隨著施工階段的推進,結構形式、邊界約束、荷載形式等在不斷變化,故分析各施工階段及成橋結構的變形和受力特性是不可缺少的。橋梁結構只有根據實際施工方案的設計逐步進行計算,才能得出成橋后受力狀態。在本橋的建模過程中亦是根據其施工階段以及在施工中結構形式、邊界條件等的不斷變化而建立的。充分考慮了這些因素對監測數據的影響。

3.4 懸臂施工的立模標高確定

變形計算是施工監控的重點和難點[2],九嶺高架Ⅰ橋的變形采用橋梁博士平行計算,自動考慮了混凝土的收縮徐變、預力、溫度的影響等。只有準確地計算變形,并合理地確定立模標高,最終才能使橋梁線形較好。九嶺高架Ⅰ橋施工階段箱梁懸澆段各節段立模標高的確定采用以下公式:

式中:Hi為掛籃底模立模標高;H0為該點設計標高;Fx為本施工段及以后澆筑的各段對該點撓度影響值; f1m為本施工段頂板縱向預應力束張拉后對該點的影響值; fm為掛籃彈性變形對該施工段的影響值; fi為由徐變、收縮、溫度、二期恒載、活載影響產生的撓度計算值。

4 施工監測

4.1 變形監測

4.1.1 測點布置

撓度測量數據是控制成橋線形最主要的依據。在預應力混凝土連續橋箱梁懸臂施工中,通過在每個懸澆梁段上布置 3個的高程觀測點,可以同時觀測箱梁的豎向撓度及扭轉變形情況。觀測點為預留露出頂板(約 5 cm)的鋼筋頭( 16鋼筋),對稱布置在腹板與頂板交界離現澆段前端 10 cm處。鋼筋頭都用紅漆作了標記。在 0#塊箱梁頂板處設臨時水準點。

4.1.2 變形監測成果

由于在監控中做到了認真分析實測值和理論計算值的差別,多方找原因,在監控專家的知道下及時對相關數據,參數做出調整。九嶺高架Ⅰ橋的監控工作取得了令人滿意的結果。在各工況下撓度控制的實測值與理論值偏差模標高誤差控制在 ±5mm情況下,各工況的變化值絕大多數控制在 ±10mm。其左幅的高程對比圖可見圖 2。

4.2 應力監測

4.2.1 測點布置

圖2 左幅橋實測成橋高程與理論高程對比

根據以前的工程實例分析,本橋施工監控所使用的測件是振弦式 JMZX-215型應變計。其觀測值較為穩定,并且耐久性較好,適合應力場的長期觀測。

根據連續剛構橋懸臂施工方法,本橋采用的是掛籃對稱施工,在0#塊一邊埋設測件監控其施工過程中每個塊段對 0#塊的影響。通過分析將全橋共布設 9個斷面,分別是在 0#塊、1/4跨、1/2跨、還有兩邊邊跨。而其重點監控斷面與一般斷面的測點布置也是不同的,見圖 3～圖 5。

圖3 主橋應力測試斷面布置示意

圖4 重點監控斷面測點布置

圖5 一般斷面測點布置

4.2.2 應力監測結果

從九嶺高架Ⅰ橋控制截面應力測試結果看,在各施工階段,箱梁截面上下緣應力基本上處于全截面受壓狀態,各工況下理論設計值和實測值變化趨勢基本吻合,都在規范和設計允許范圍之內。具體情況見圖 6～圖 11。

5 誤差分析

在混凝土應力監測中,目前常用振弦式應變計。但由于各種因素的影響,實測應力值不可能與理論分析值完全一致,兩者之間存在著誤差。對誤差進行合理分析和及時處理,是現場應力監控工作的重要環節。一般將各類誤差分為系統誤差和隨機誤差兩大類。引起系統誤差的因素包括元件測試精度、混凝土收縮徐變影響;引起隨機誤差的因素包括溫度影響 、施工偏差等[1]、[4]、[5]。

圖6 4號墩上緣實測值與理論值對比

圖7 4號墩下緣實測值與理論值對比

圖8 5號墩下緣實測值與理論值對比

圖9 5號墩下緣實測值與理論值對比

圖10 6號墩上緣實測值與理論值對比

圖11 6號墩下緣實測值與理論值對比

5.1 混凝土收縮徐變影響

鋼筋混凝土作為一種組合材料,鋼筋和混凝土具有不同的物理力學性能。在持續應力作用下,隨著時間的推移,混凝土會發生徐變,同時也會產生收縮,而鋼筋則沒有這種性能。在普通鋼筋與混凝土粘結完好的情況下,材料特性的差異將引起混凝土與鋼筋兩者的變形差,由此在構件截面上產生應力重分布。這種誤差對實測應力值的影響較復雜,處理起來較困難。

5.2 溫度影響

溫差影響包括季節溫差(或年溫差)和日照溫差。前者使箱梁發生整體的均勻溫度變化,一般只對超靜定結構起作用而產生附加溫度應力;后者由于溫度驟然升降,截面各部位溫度變化劇烈,形成較大的溫度梯度,各纖維層相互約束共同變形,而在截面上產生溫差應力。在懸臂施工中,橋梁結構是靜定結構,理論上溫度不會產生應力,而實際測量時有虛應變,為了減小溫度的影響,測量時應在溫度變化小的早晨測量,但這仍然不能消去溫度對測量結果的影響。

5.3 施工偏差

在應力監測中,還需要考慮各種施工偏差導致的應力測試誤差。例如,預應力張拉力多采用油表壓力和伸長量來控制。與設計值相比,張拉力的測定勢必有一定誤差。電子元件埋設位置的偏差也會引起應力誤差。另外,施工中構件截面尺寸、施工荷載等也會影響計算的精確度。這要求在施工監控計算中,根據實際情況予以適當修正。

監測過程中,除了上述各個因素的影響。還有其它一些影響因素,比如混凝土強度影響,應變修正中由于混凝土的收縮、徐變,溫度變化等導致其修正誤差比較的大。在施工過程中產生的變化通過參數(灰色理論)識別以及有效的優化方法(如采用帶權最小二乘法、線性規劃法等),對計算模型進行調整,從而使測量值與施工時不斷變化的實測值有更好的吻合。

6 結束語

橋梁施工控制作為橋梁施工技術的重要組成部分,其實施難度相對較大,但是它對于橋梁施工宏觀質量控制、保證橋梁建設安全有著非常重要的意義。如何把握現場施工外界影響因素的隨機性,如何更準確地控制橋梁變形及橋梁遠程監測系統的發展等都需要在今后的實踐中進一步研究。

[1]曾德榮.橋梁施工監測應力真值分析方法 [J].重慶交通學院學報,2005(6)

[2]郝志強.主跨145m剛構 -連續組合體系橋梁施工監控[J].山西交通科技,2006(3)

[3]林運唐.廈門至成都國家高速公路瑞金 ～贛州段(AS4)標九嶺高架橋第一剛構監控報告[R].2009

[4]張世輝,李亞東.大跨度連續剛構橋懸臂施工階段應力測試分析[J].四川建筑,2007(4)

[5]齊林,黃方林.連續剛構橋施工線形和應力的分析與控制[J].鐵道科學與工程學報,2007(2)

[6]黎雙邵,張勇.監測與監控技術在橋梁施工中的作用[J].中國港灣建設,2008(2)