龍洞河特大橋施工監控技術
2010-12-31 00:00:00王鐵軍曾德榮楊敏
中華建設科技 2010年12期
【摘 要】介紹了龍洞河特大橋施工監控工作的主要內容，運用有限元軟件“橋梁博士”建立了大橋模型并進行了計算分析，同時進行了實測數據與理論數據的比較。
【關鍵詞】施工監控；預拱度；線形控制；應力監測；數據比較
The construction monitoring technique for Longdong super-large bridge
Wang Tie-jun1，Zeng De-rong1，Yang Min2
(1.School of Civil and Architectural Engineering，Chongqing Jiaotong University Chongqing400074 2. Chongqing expressway group Co.， LTD， Chongqing401121)
【Abstract】The thesis introduces the major content of the longdong super-large bridge construction control work.It built the bridge model by the finite element software “Dr. Bridge” for calculation and analysis.Finally，the paper give the comparion between the measured data and the theoretical data.
【Key words】Construction supervision;Precamber;Linear control;Stress monitor;Data comparison
1. 工程概況
重慶巫山至奉節段龍洞河特大橋位于重慶市巫山縣騾坪鎮龍河村境內。設計橋型為95+180+95+3*30 分幅式預應力混凝土連續-剛構。分左右兩線，左線位于巫奉路ZK9+624.00～ZK10+92.00，右線位于YK9+627～YK10+95.00。平曲線：本橋平面位于R=3400m的右偏圓曲線上。豎曲線及縱坡：左線橋縱向位于縱坡-1.5%與-0.5%組成的半徑R=36000m的凹型豎曲線及其直線坡段上，右線橋縱向位于縱坡-1.1%與-0.5%組成的半徑R=60000m的凹型豎曲線及其直線坡段上。
主橋上部結構為95+180+95m 三跨預應力混凝土連續-剛構箱梁，箱梁采用單箱單室截面，箱梁頂寬12.25m，箱梁底寬6.5m，兩側懸臂長度2.875m。箱梁根部梁高10.8m，跨中及端部梁高3.5m，懸臂板端部厚15cm，根部厚75cm。箱梁根部底板厚100cm，跨中底板厚32cm，梁高及底板厚從根部到跨中采用1.8 次拋物線變化。箱梁頂設有2%的單向橫坡。沿橋設計線，墩頂0 號梁段長16m，梁段長度從根部至跨中各為： 7×3m、15×4m，邊、中跨合攏段長2m，邊跨現澆段長4m。上部構造按全預應力混凝土設計，采用三向預應力，縱、橫向預應力采用美國ASTM A416-97A標準270 級高強度低松馳鋼絞線，標準強度1860MPa，設計錨下張拉控制應力1395MPa。1、2 號主墩墩頂與箱梁固結，最大墩高為42.5 米，采用雙肢薄壁空心墩型式，單肢薄壁截面尺寸為6.5×3m。
2.監控內容
2.1 監控目的
圍繞橋梁施工安全和成橋線形與內力分布的最終設計目標，開展龍洞特大橋施工過程中各階段關鍵部位（如主梁、墩、承臺等）標高、內（應）力、溫度分布、垂直度等的監測與監控，實時分析實測值與設計預
測值的差異，并對設計參數進行必要的修正，提出相應的具體措施，確保橋梁施工中的安全和順利合攏，并使結構內（應）力處于最優狀態，成橋后線形應符合設計及現行規范要求。
2.2 主要監控項目
2.2.1箱梁線形控制。
本橋采用自適應控制方法，即對施工過程的標高和內力的實測值與預測值進行比較，對橋梁結構的主要參數進行識別，找出產生偏差的原因，從而對參數進行修正，達到控制的目的。大橋上部結構線形監控的主要步驟如下(見圖1)：
圖1 高程監控監測的主要步驟
在0#塊形成后，在橫隔板處箱梁頂采用粗鋼筋（12～20）設置箱梁頂的標高及軸線平面位置臨時水準點或基點。并對其坐標或標高每3個月復核測量1次。在每個節段的前端的橋梁設計線、翼緣轉折處各設置1個標高觀測點，觀測點采用短鋼筋埋設，每個觀測點鋼筋下端至模板，上端高出箱梁頂板2～3cm。如圖2。
圖2 高程觀測點橫截面布置圖
圖3 應力測點布置
在箱梁懸臂節段施工中，正確確定測量階段很有必要。經過大量實踐，采用四階段測量較為合理。如下：
第一階段：混凝土澆注前，測現澆段；第二階段：混凝土澆注后，測現澆段；第三階段：張拉預應力之前，測已澆段的目的主要為分析線形。第四階段：張拉預應力之后，測現澆段和已澆段。
2.2.2 應力監測。
該橋采用在應力控制斷面上預埋應力傳感器（鋼弦式應變計）。選定在各墩1、10號塊和跨中合龍段。1、10號塊段的每個截面應力測點布置如圖3所示，每個截面布置4個測點，每個測點各埋設2個傳感器；跨中截面應力測點只布置截面下沿的2個測點，每個測點各埋設2個傳感器。
2.2.2.1 精心準備，認真預埋，保證傳感器的成活率。
2.2.2.2 測量要多次，數據處理要及時，不放過任何可疑的數據。
應力監控階段從第1塊懸臂箱梁節段開始，逐段監測，監測頻率同標高測量，即：每節段混凝土澆注前、后；預應力筋張拉前、后。一直到成橋階段。
2.2.3 溫度測量。
溫度對箱梁撓度的影響不可忽視已成定論。由于溫度的變化，會使懸臂箱梁產生較大的撓度變形。大橋溫度監測擬分兩部分：箱梁溫度～撓度關系曲線的觀測。
圖4 應力監測流程
圖5 溫度測量位置圖
箱梁溫度～撓度關系曲線的觀測是通過一天中間隔兩個小時的連續觀測找到溫度變化與高程之間的關系，從而根據立模時的溫度對立模標高進行修正。由于懸臂澆注初期梁段受溫度影響較小，故箱梁溫度～撓度關系曲線的實際觀測一般放在箱梁懸臂較長時做。箱梁溫度～撓度關系曲線的觀測是很重要的環節，不可忽視。采用觀測數據與理論值對比的方法，確定最終關系曲線。
箱梁溫度場觀測主要是通過在箱梁內埋置溫度感應元，獲得重慶東部山區箱梁隨溫度變化的溫度場，為合攏以及運營階段本橋分析溫度作用提供實測數據。溫度感應元件埋設斷面擬選在箱梁懸臂10號塊（全橋共兩個截面）如圖5所示。在該斷面頂底板左右對稱布置一個溫度傳感器。
箱梁溫度場觀測選在有代表性的天氣進行，每個月選兩天，一個陰天，一個晴天。一天中的觀測時間預計安排如下：從早晨6∶00開始，一個小時一次，直到晚上6∶00為止。
2.2.4 預應力束摩阻損失監測
選取1～2屬長束，通過長束預應力張拉時兩端和中間1～3個截面鋼束的拉力來監測其摩阻系數。初步擬定2束T9為摩阻系數正式試驗測試，另選1束W9作為嘗試性測試。
3. 監控計算
3.1 立模標高的確定。
在建立了正確的模型和材料性能指標之后，依據設計參數和控制參數，結合橋梁結構的結構狀態、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等，輸入前進分析系統中。從前進分析系統中可獲得結構按施工階段每階段的內力和撓度及最終成橋狀態的內力和撓度。接著，假設成橋時為理想狀態，對橋梁結構進行倒拆分析，利用前進分析所得的數據，可獲得使橋梁結構最終成為理想狀態的各階段的預拋高值，得出各施工階段的立模標高以及砼澆筑前、砼澆筑后、預應力筋張拉前、預應力筋張拉后的預計標高。
立模標高為：Hlmi=Hsji +f1i+f2i+f3i+f4i+f5i+fgl
⑴
式中：Hlmi 為i節段立模標高； Hsji 為i節段設計標高； f1i為由各梁段重在i節段產生的撓度總和； f2i為由張拉各節段預應力筋在i節段產生的撓度總和； f3i為砼收縮徐變在i節段產生的撓度； f4i為其它臨時施工荷載在i節段產生的撓度； f5i為運營荷載在i節段產生的相關撓度（即預拱度值）；fgl為掛籃變形值。
掛籃變形值根據掛籃加載試驗，綜合各項測試結果，最后繪制出掛籃荷載-撓度曲線，進行內插而得。這就要求施工單位在做掛籃變形試驗時，必須分級加載。根據國內同類橋梁的施工控制看，掛籃變形值是否準確，直接影響到大橋的線型和合龍精度。
f1i、f2i、f3i、f4i 4項在前進分析和倒退分析計算中已經加以考慮，倒退分析輸出結果中的預拋高值 Hypgi 即為這4項撓度的總和。公式⑴可改為：Hlmi=Hsji +Hypgi+f5i+fgl
⑵
但是，實際的施工狀態與理想的施工狀態是有差別的，這就是說，如果按照計算的預拋高值施工，最終成橋狀態不一定是理想的狀態，這時，具有反饋控制的實時跟蹤分析系統就是實現橋梁結構施工控制的關鍵。通過參數調整（如溫度影響調整），預告出各階段的實際狀態值，結合實際觀測值，得出調整方案，最終完成整個控制過程。
圖6 橋梁計算模型
3.2預拱度值的計算
3.2.1有限元程序選擇。
本橋采用橋梁博士系統3.03軟件來建模，該模型主梁劃分為118個單元（1～118單元），119～174為橋墩和掛籃單元。如圖6所示，橋面單元現澆段均劃分為兩個單元，其他梁段根據圖紙提供的懸臂澆筑長度劃分。全橋施工階段共有83個。
懸臂澆筑一個梁段一般分三個階段進行模擬：安裝掛籃、澆筑混凝土（混凝土自重通過掛籃傳遞到主梁上）、張拉鋼束。
3.2.2 主要計算參數
（1）混凝土容重。
混凝土容重按照說明，取25.2KN/m3；瀝青混凝土取23.5KN/m3。
（2）混凝土彈性模量。
C55和C40混凝土彈性模量分別取3.55×104MPa和3.40×104MPa。
（3）普通鋼筋和預應力鋼筋容重。
按7850Kg/m3取用。預應力鋼絞線采用GB/T5224-1995標準， fy=1860MPa，j =15.24mm，管道摩阻系數：μ=0.2，偏差系數：k=0.0015，錨具變形和鋼筋回縮值：△l =6mm(一端)，鋼絞線松弛率取2%，鋼絞線彈模取1.95×105MPa。
（4）考慮連續梁整體升溫20度，整體降溫20度。
（5）按規范考慮橋面板非均勻溫度，按照溫度梯度來分析。
（6）收縮徐變按3000天考慮。
（7）本橋采用施工單位提供掛籃數據計算，與設計說明中不同；合龍吊架重量采用設計說明中給的500KN。
圖7 龍洞河大橋預拱度曲線
3.2.3計算結果。
廣義的恒載包括結構自重力、橋面鋪裝和附屬設備的重力、預應力、混凝土徐變和收縮影響力等，他們是長久存在的。恒載所產生的撓度與持續的時間有關，可分為短期撓度和長期撓度。活載撓度則是臨時出現的，在最不利的荷載位置下，達到最大值，隨著活載的移動，撓度逐漸減小，一旦活載駛離橋梁，撓度就告消失。
恒載撓度并不表征結構的剛度特征，它不難通過施工時預設的反向撓度（俗稱預拱度）來加以抵消，使竣工后的橋梁達到理想的設計線形。
預拱度的大小，本橋取全部恒載（包括預應力在內的廣義恒載）和一半活載（汽車荷載不計沖擊力）所產生的豎向撓度值。如圖7：
預拱度值詳細數據如下表1：
表1各截面對應預拱度值(單位:m)
1#墩（i截面）2#墩（i截面）
邊跨中跨中跨邊跨
25'0.00000.010230.1051'0.012
24'0.01010.012220.1232'0.016
23'0.01920.017210.1333'0.022
22'0.03930.024200.1394'0.027
21'0.05640.030190.1425'0.032
20'0.07050.037180.1436'0.037
19'0.08160.043170.1427'0.042
18'0.08770.050160.1398'0.046
17'0.09180.058150.1309'0.053
16'0.09190.067140.12210'0.059
15'0.087100.077130.11211'0.065
14'0.081110.087120.10212'0.070
13'0.075120.098110.09213'0.076
12'0.070130.108100.08214'0.082
11'0.064140.11790.07215'0.087
10'0.058150.12680.06316'0.092
9'0.052160.13570.05517'0.091
8'0.045170.13960.04818'0.088
7'0.040180.14050.04119'0.081
6'0.035190.13940.03520'0.071
5'0.030200.13630.02821'0.057
4'0.025210.13120.02222'0.039
3'0.019220.12210.01623'0.020
2'0.013230.10400.01324'0.010
1'0.00825'0.000
注：本表為主梁理論值，不含掛籃變形所引起的調整值。
4.線形控制與應力監測結果
截至該論文撰寫期間，大橋工程進度為：左線橋1#墩20#塊已張拉完，左線橋2#墩17#塊已張拉完。
4.1 箱梁線形控制。
箱梁理論標高=設計標高+預拱度+當前工況截面理論豎向位移；該橋以截面“設計中心線”的鋼筋頭位置作為線形控制觀測點。實測高程=所測鋼筋頭高程-鋼筋頭露出砼表面的高度。
圖8 左線1#墩理論標高與實測標高對比圖
圖9 左線2#墩理論標高與實測標高對比圖
左線橋1#墩標高數據由20#塊張拉預應力筋后進行的聯測提供，左線橋2#墩標高數據由17#塊張拉預應力筋后進行的聯測提供。圖8，圖9分別為左線1#墩，2#墩的理論標高與實測標高對比圖。通過理論與實測高程比較，可得出以下兩點結論（見圖8、圖9）：
表2左線1#墩控制截面應力統計（MPa）
位置1#塊1#截面10#塊10#截面實測平均值理論值實測平均值理論值
杭州側頂16.512.611.28.65
杭州側底7.56.59 7.06.27
蘭州側頂16.112.69.48.71
蘭州側底6.96.638.16.24
注：應力值以拉為負，壓為正。
4.1.1 頂板標高誤差基本控制在規范的允許誤差（≦20mm），且除少數點，其余測點的實測標高值均大于理論標高值；理想線形與實測線形吻合較好，主梁線形流暢。由此可說明本工程所依據的理論計算模型能夠較好的反映結構的實際情況，得到了良好的施工控制效果。
4.1.2 導致理論標高與實測標高偏差的原因有以下幾點：對于理論計算所采用的混凝土容重，彈性模量與實測值有差別；仿真計算中徐變系數和預應力摩阻損失系數均采用規范規定值，而沒進行實測，對標高有影響；施工中的立模誤差、測量誤差等也會導致標高存在誤差。
4.2 應力監測結果。
以左線橋為例進行分析說明。分別取1#墩與2#墩的“1#塊1#截面”和“10#塊10#截面”的兩個方向（杭州，蘭州）。工況為：左線1#墩20#塊張拉完，左線2#墩17#塊張拉完。實測值與理論值比較分別見表2，表3，（單位：MPa）如下：
表3左線2#墩控制截面應力統計(MPa)
位置1#塊1#截面10#塊10#截面實測平均值理論值實測平均值理論值
杭州側頂15.512.29.27.9
杭州側底6.64.644.33.27
蘭州側頂15.112.38.98.04
蘭州側底6.04.523.23.16
注：應力值以拉為負，壓為正。
從表2，表3可以看出，頂部實測值均高于理論值，且處于受壓狀態。底部實測值也均高于理論值，也處于受壓狀態。因理論計算未考慮波紋管孔道對截面的削弱作用，另外收縮徐變也對所測應變有影響，理論值比實際值偏低，因此現階段的應力情況正常。總體來說，主梁受力狀況良好，結構安全可靠。
5. 結語
特大跨徑連續剛構橋的施工監控最主要的兩部分就是：線形控制和應力監測。本文從監控過程全局出發，首先介紹了實施監控的內容，其次運用有限元軟件“橋梁博士”建立主橋模型進行計算分析，最后對現場跟蹤采集的實測數據與理論數據進行了對比分析。主橋線形順暢，結構受力符合設計要求，主梁結構安全可靠，為龍洞河特大橋的順利合龍提供了有力的保障。并為同類型橋梁的施工監控工作提供參考。
參考文獻
［1］ 范立礎.橋梁工程（上冊）【M】.北京：人民交通出版社，2001.
［2］ 曾德榮，劉宏偉，鄧雪濤.魚洞長江大橋正橋近期工程施工方案研究【J】.重慶交通學院學報，2007，26（3）：36-40.
［3］ 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制【M】.北京：人民交通出版社，2000.
［4］ 葛耀君.分段施工橋梁分析與控制【M】.北京：人民交通出版社，2003.
［文章編號］1619-2737（2010）10-10-209
［作者簡介］ 王鐵軍（1984.8-），男，籍貫：四川瀘州，重慶交通大學土木建筑學院橋梁與隧道工程專業08級在讀碩士研究生，研究方向：橋梁設計理論與施工控制。
