通河松花江特大橋施工控制

齊 琳

(黑龍江省公路勘察設計院)

1 工程概況

通河松花江特大橋全橋跨徑布置為 21×40m+(63m+4×110m+63m)+7×40m+(63m+4×110m+63m)+8×40m,橋梁全長 2578.28m。主橋結構為預應力混凝土連續梁,引橋結構為預應力混凝土簡支轉連續T梁。

主橋箱梁采用單箱雙室斷面,主跨墩頂處梁高為 6m,跨中高度 2.5m,其間的梁高在縱橋向按 1.65次拋物線變化,拋物線方程為 Y=0.005397X1.65+2.5。箱梁全寬21.5m,底板寬 14.5m,翼緣板長度為 3.5m。箱梁設縱、橫、豎三向預應力。縱向預應力鋼筋采用符合 GB/T5224-1995標準的 270級Φs15.2低松弛高強鋼絞線,錨具采用群錨張拉錨固體系;橫向預應力為 Φs15.2鋼絞線,錨具采用BM15-4張拉錨固體系;豎向預應力采用高強精軋螺紋粗鋼筋,錨具采用YGM張拉錨固體系。

每個 T墩包括 20個節段(0～19號),每節箱梁底按直線變化。箱梁懸澆長度為 2.0～3.75m。合攏段長度中跨為 2m,邊跨為 1.5m,邊跨現澆段長度為 7.5m。

懸澆梁段頂板鋼束,通過平彎錨固于頂板承托處,懸澆梁段腹板束通過豎彎錨固于腹板上;現澆合攏段頂、底板鋼束及腹板鋼束錨固于梁段齒板上。

主橋主墩均采用鋼筋混凝土實體墩,設置破冰體。墩身截面尺寸橫橋向為 14.5m,順橋向為 5～6.317m。承臺尺寸長為 20.1m,寬為 14m,厚度為 3.5m。每個承臺下設 12根直徑為 2.0m的鉆孔灌注樁,樁長為 68m。

2 施工控制的原則與方法

2.1 施工控制原則

施工控制是通過對施工過程的監控,適時調整、修正所有影響成橋目標實現的因素,保證橋梁施工過程安全和設計成橋(狀態)目標的實現,確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求。

本橋施工控制的原則是變形、穩定性與內力控制綜合考慮,在結構幾何線形滿足要求的前提下,對各施工階段主梁、墩柱的穩定性和各控制截面的應力、應變進行控制。

2.2 最優施工控制方法

連續梁橋是施工施工的循環過程,其實質就是使施工按照預定的理想狀態(主要是施工標高)順利推進。而實際上不論是理論分析得到的理想狀態,還是實際施工都存在誤差,所以,施工控制的核心任務就是對各種誤差進行分析、識別、調整,對結構未來狀態作出預測。

連續梁橋在梁段澆筑完成后出現的誤差,除張拉預備預應力索外,基本沒有調整的余地,而只能針對已有誤差在下一未澆筑梁段的立模標高上作出必要的調整。所以,要保證控制目標的實現,最根本的就是對立模標高作出盡可能準確的預測,即主要依靠預測控制。無論施工過程如何,總是以最終橋梁成型狀態作為目標狀態,以此來控制各施工塊件的預拋高值(立模標高)。

采用自適應控制法對連續梁橋進行施工控制是很有效的。當結構的實測狀態與模型計算結果不符時,通過將誤差輸入到參數辨識算法中去調節計算模型的參數,使模型的輸出結果與實測結果一致,得到修正的計算模型參數后,重新計算各施工階段節段的理想狀態。經過幾個節段的反復辨識后,計算模型就基本與實際結構一致,從而對施工過程進行有效的控制。

連續梁橋施工控制流程如圖 1所示,具體包括以下幾方面的內容。

圖 1 施工控制流程圖

3 施工控制分析

大跨徑預應力混凝土連續梁橋是采用懸臂施工方法分階段逐步完成的,結構的最終形成必須經歷一個漫長而又復雜的施工過程。對施工過程中每個階段進行詳細的變形計算和受力分析,是施工控制中最基本的內容之一。為了達到施工控制的目的,首先必須通過施工控制計算來確定橋梁結構施工過程中每個階段在受力和變形方面的理想狀態(施工階段理想狀態),以此為依據來控制施工過程中每個階段的結構行為,使其最終成橋線形和受力狀態滿足設計要求。

3.1 施工控制中的結構分析

在對通河松花江特大橋的各施工階段實施控制時,將其簡化為平面結構,各節段離散為梁單元,主墩與主梁臨時固結,連接處按剛臂處理,兩邊跨端部以及轉換體系后的主跨支點處均為活動鉸支座。在施工控制過程中,從前進分析、倒退分析、實時跟蹤分析三方面入手,相互結合,實現成橋結構在線形、內力各方面滿足設計要求的目標。

3.2 誤差分析與參數識別、預測

采用懸臂現澆法施工時,由于施工過程復雜,影響參數如結構剛度、梁段重量、施工荷載、混凝土的收縮、徐變、溫度和預應力等眾多,在設計階段,一般要假定這些參數為理想值,根據擬定的施工過程,確定橋梁施工過程中的控制變量,如各施工階段的標高、應力等。但在設計階段采用的上述參數在施工過程中由于各種原因很難和原先的理論值一致,如果在施工計算中仍然采用原先的理論值進行,那么施工完成后的成橋狀態必將偏離理想的成橋狀態。所以在施工過程中,必須根據橋梁結構的實際反應來適當調整計算參數,使得按照調整后的參數實施的每一施工階段能盡量和實際的施工階段一致,從而在施工結束后橋梁基本達到原先的理想成橋狀態,這就是施工控制中參數識別與調整所要解決的問題。

進入懸臂澆筑施工之后,各種施工誤差會不斷出現,為此確定混凝土彈性模量 E、混凝土容重 r、截面面積 A、截面抗彎剛 EI、收縮和徐變調整系數 kφ五個基本參數作為實時控制調整原點。

通過施工期試驗值 E、r及截面尺寸測量值、結構變位測量值f,對這些基本參數進行跟蹤修正,使實際結構狀態與修正后的結構理想控制目標相互靠近,并以此為基礎預測未來狀態。

在節段施工過程中,需要進行如下幾個階段的變形測量,詳見表 1。

表 1 節段施工撓度測量

3.3 施工狀態修正

根據已建結構狀態及未建結構預測參數,重新建立未建結構各個施工階段的理想控制目標,并預先驗算應力狀態。上述彈性模量、混凝土容重、截面面積、剛度、混凝土收縮徐變系數等結構參數作為上述結構狀態理論值與實際值偏差的源點因素,因它們基于實測數據,在施工初期由于實測數據偏少可能存在估計偏差,所以經過一段穩定施工過程之后,可對初期參數重復調整、修改,并重新進行結構計算。

3.4 施工過程穩定分析

在懸臂施工的各個階段,都要對主梁和墩柱的穩定進行細致分析,以確保橋梁安全施工。穩定分析包括墩柱的自體穩定性、墩柱懸澆穩定性、全橋穩定性及墩身在各階段的最大內力。通過穩定分析,計算結構在自重、施工荷載、縱向風載、橫向風載作用下的穩定安全系數,并結合結構應力、應變、變形情況來綜合評定、控制其穩定性。施工中,除橋梁結構本身的穩定性必須得到控制外,施工過程中所用的支架、掛籃等施工設施的各項穩定系數也應滿足要求。

墩柱的穩定計算按軸心受壓構件計算公式驗算。當長細比大于規范所列數值時,按臨界力控制穩定,其穩定安全系數應大于 4～5。考慮到施工過程時間短,其穩定安全系數至少應大于 3。

3.5 施工過程風載對結構的影響

預應力混凝土連續梁橋在成橋運營階段剛度較大,具有較強的抗風能力,而在最大雙懸臂階段剛度較低,在風荷載作用下將在墩根部產生較大的內力。計算時,首先確定橋址處的橫向風壓和縱向風壓,然后對結構進行最不利情況加載,計算各施工階段的風荷載內力。

對懸臂施工的連續梁橋,橋梁的主梁在橫向風作用下將產生靜的橫向力、豎向力、扭轉力矩及側向水平抖振和豎向抖振慣性力。其中橫向力將在主梁的懸臂根部產生較大的內力,而由于風的不均勻性及側向水平抖振將在墩中產生較大的扭矩。因此須對主梁懸臂根部最大的橫向內力、墩底最大橫向內力、墩底順橋向最大內力進行計算。

4 施工監測的主要工作內容

施工監測是施工監控的重要組成部分,包括施工過程中的結構設計參數、線形、應力、溫度、預應力摩阻損失、施工荷載等方面的監測。

4.1 主梁結構部分設計參數的測定

在施工控制過程中,需對構件實際尺寸、結構彈性參數、節段重量參數、混凝土收縮和徐變系數、掛籃支反力及變形、鋼絞線管道摩阻系數等參數進行測定。

4.2 主梁結構變形監測

(1)變形監測內容

變形觀測是控制成橋線形最主要的依據。主梁變形監測主要包括主梁標高測量、主梁中心線測量兩部分。作為標高或位移的控制測量結果,主要包括零號塊標高、掛籃就位標高、混凝土澆筑后標高、預應力張拉前標高、預加應力作用后標高、合攏段標高等工序中的測量和控制。

(2)測點布置

在墩頂現澆段(長度 11m)的頂板布置 42個高程測點,以控制頂板的設計標高,同時也作為以后各懸澆節段高程觀測的基準點。

具體測試時,采用精密水準儀結合全站儀測量測點標高,精度滿足二等水準要求。為盡量減少溫度對觀測的影響,觀測時間安排在日出之前。

4.3 主梁應力監測

結構截面的應力監測是施工監測的主要內容之一,它是施工過程的安全預警系統。在大跨度預應力混凝土連續梁橋的施工過程中,主要測試橋墩和箱梁控制截面的應力。橋墩上測點布置在墩底及墩頂截面處,主梁上測點布置在懸臂根部、L/4等關鍵截面上,以觀察施工過程中這些截面的應力變化與應力分布情況。

(1)測試儀器的選擇

考慮要適合長期觀測并能保證足夠的精度,選用振弦式應力計和讀數儀作為應力觀測儀器。該應力計的溫度誤差小、性能穩定、抗干擾能力強,適合于應力長期觀測。

(2)測點布置

應力計按預定的測試方向固定在主筋上,測試導線引至混凝土表面。每個 T構的箱梁選取懸臂根部、L/4截面,每個 T構共計 4個截面,每個截面 13個測點,總共布置 520個應力量測點。每個 T構的根部截面各布置 6個測點,共計60個測點。全橋共計 580個應力量測點。

4.4 溫度場觀測

溫度是影響主梁撓度的主要因素之一。溫度變化包括季節溫度變化和日照溫度變化兩個部分。在季節溫度變化和日照溫度變化兩種因素中,日照溫度變化最為復雜,尤其是日照作用會引起主梁頂、底板的溫度差,使主梁發生撓曲,同時,也會引起墩身兩側的溫度差,使墩身產生偏移。而季節溫差對主梁撓度的影響比較簡單,由于其變化的均勻性,既不會使主梁發生撓曲,也不會使墩發生偏轉,而是通過使墩身產生軸向伸縮從而對主梁的撓度產生影響。由于日照溫度變化的復雜性,在撓度理想狀態計算時難以考慮日照溫度的影響,日照溫度的影響只能通過實施觀測來加以修正。

(1)測試方法

日照溫差測試包括表面溫度測量和體內溫度測量兩部分。體內溫度測試采用在測點埋設溫度傳感器,引出測試導線,再用相應的測試儀進行觀測,得到箱梁日照溫變的情況。對表面溫度采用表面溫度點測計測量,大氣溫度采用水銀溫度計進行。

(2)測點布置

在典型 T構上每側選取墩頂、L/4斷面作為測試斷面,每個斷面布置 15個測點。全橋共計有 300個溫度測點。

墩柱的溫度場測量在墩頂和墩底進行,共有 2個測試斷面,采用表面溫度點測計測量其表面溫度。在施工期間,選擇有代表性的天氣進行連續觀測。

4.5 混凝土強度、彈性模量及容重的測試

彈性模量是混凝土的物理參數,一般在施工中不產生變異,但彈性模量的增長往往滯后于混凝土強度,當箱梁塊件施工周期較短時,對梁端撓度的影響非常大。因此,在施工過程中,不能僅用混凝土的強度指標控制施工的間隔時間,還應根據混凝土彈性模量的增長規律確定施工間隔。

采用現場取樣的方法,進行混凝土 2～35d等 11個齡期的彈性模量和強度試驗,得到混凝土的強度和彈性模量隨時間的變化規律,為確定合理的預應力張拉時間提供依據,同時也為主梁預拱度的修正提供數據。

混凝土容重的測定采用現場取樣,在實驗室用常規方法測定。

4.6 截面幾何尺寸測定

對每一節段的幾何尺寸進行測量。測量截面高度、箱梁頂板寬度、厚度、懸臂板長度、厚度、腹板厚度、底板長度和厚度等,將實際值與設計值進行比較,求出由此引起的節段重量、截面面積、慣性矩的變化。

4.7 混凝土收縮、徐變綜合調整系數的測試

混凝土的收縮、徐變對主梁的內力與撓度均有較大影響,但理論值與實際往往有較大的差距,為此,需通過實測數據對理論值進行修正。

采用鋼筋混凝土小梁,進行自然條件下混凝土 3d、7d、14d、21d四個加載齡期的徐變、收縮試驗,得出在現場自然條件下混凝土的收縮、徐變系數變化規律以及徐變與加載齡期的關系,為主梁內力和撓度的計算修正提供數據。

4.8 管道預應力摩阻損失的測定

本測試旨在定量測定鋼絞線的摩阻損失,以確定實際有效的預應力噸位和預應力筋的延伸量。

4.9 掛籃預壓及承載力試驗

本橋采用掛籃懸臂施工方法,懸澆重量很大,掛籃的承載能力和變形性能是保證橋梁施工安全和線形控制的關鍵。因此,為確保掛籃的承載能力和變形性能達到要求,需進行掛籃的承載力實驗,以測定掛籃的彈、塑性變形和其實際承載能力。主要步驟為掛籃預壓、逐級加載試驗。試驗完成后,根據試驗數據畫出掛籃前端變形與加載噸位之間的關系曲線,作為以后懸臂施工設置預拋高的依據。

5 結束語

在通河松花江特大橋施工過程中,對各施工工況進行了詳細的計算和數據采集,并對標高進行調整,合攏后大橋線形平順,箱梁應力水平在設計要求范圍之內,施工控制達到了預期的要求。