某變截面連續箱梁施工監控技術與實踐

梁 峰,劉離榕

(1.上海先行建設監理有限公司,上海 200070;2.中交三公局 第四工程分公司,重慶 401147)

1 橋梁施工監控的意義、目的和內容

隨著交通運輸需求的日益增長和橋梁建設技術水平的不斷提高,橋梁的跨度不斷增大。與此同時,橋梁監控已經是橋梁施工中不可或缺的一部分。科學合理的施工方法與監控方案為最大限度保證橋梁建設與運營安全、大跨徑橋梁的理想幾何線形與合理的內力狀態提供了技術支持,并為后續橋梁施工提供可靠數據和積累技術資料[1-3]。為此,李松[4]、任偉[5]等分別提出了大跨度橋梁懸臂施工集成化監控系統和精細模擬方法。當然,一個好的監控方案,是要根據具體的施工條件來制訂的。

對于變截面連續箱梁來說,施工監控的目的就是確保施工過程中結構的安全,保證橋梁結構形成后的外形和內力狀態符合設計要求。施工監控內容包括應力控制和變形控制,其中變形控制即標高控制,主要體現在施工控制模擬結構分析、施工監測以及施工誤差分析等方面[1,6]。它可以實時監測橋梁內部結構的受力狀態,形象反映箱梁成型和受力數據,指導控制施工過程,將橋梁設計者的意圖很好地貫徹到橋梁施工中,保證橋梁的結構穩定。

2 工程概況

該大橋位于渝西南某河段,左、右幅橋縱面位于i=-0.409%直線段上。橋跨布置為48 m+80 m+48 m,共3跨。橋梁為全預應力混凝土變截面連續箱梁,由上、下行分離的兩個單箱雙室箱型截面組成。箱梁根部高度4.5 m,跨中高度2.0 m。箱體頂板寬16.99 m,厚28cm,設 1.5%的橫坡;底板寬11.49 m,箱梁根部底板厚62.4cm,跨中底板厚28cm,箱梁高度以及箱梁底板厚度從跨中至根部按1.8次拋物線變化,跨中腹板厚度45cm,根部腹板厚度65cm;主橋上部構造按全預應力混凝土設計,中跨80 m及48 m邊跨采用三向預應力。下部構造主橋采用實心花瓶墩結構,鉆孔灌注樁基礎,橋臺為樁板式輕型橋臺。

3 施工監控方法與理論分析

結構分析是施工控制的主要工作內容之一,該項工作根據施工過程與成橋運營情況來完成各施工狀態及成橋后的內力、應力與位移計算,進而確定出結構各施工階段的應力與位移理論值。全橋離散單元如圖1所示。

圖1 全橋單元離散圖

采用公路橋梁結構設計系統GQJS軟件,對該連續剛構橋各施工階段的內力、應力及預拱度進行較詳盡的分析。采用橋梁博士Version 3.0進行校核計算。代表性的施工階段計算簡圖如圖2。

圖2 懸臂階段計算簡圖

根據已有工程經驗[7-8],在采用軟件的計算結果上,設置附加預拱度邊跨為3cm,中跨跨中為5cm,其余各點按二次拋物線沿橋跨進行分配,以此合理地預估后期的收縮徐變變形量。

圖3為關鍵施工第41、42階段時主梁各截面最大、最小正應力。由圖3可知,在這兩個施工階段中,最大壓應力分別為 13.07MPa和13.16MPa,施工階段的應力均滿足要求。

圖3 施工階段應力圖

4 施工監控實施方案

4.1 系統組成

施工監控涉及監控分析、施工、測試等方面的工作。其工作程序如下:

(1)監控分析人員根據現場測試及測量的各種有關數據,及時地輸入計算機對結構進行各種參數的分析,從而確定下一階段施工控制值,按程序發送下一階段施工工序通知單;

(2)施工單位對各施工階段進行現場測量(標高、結構實際尺寸、施工偏差等),并及時掌握現場施工荷載變化情況,將有關數據資料反饋給監控分析人員;

(3)測試人員測試出控制截面混凝土的應力狀態,量測控制點的溫度,將有關資料反饋給監控分析人員;

(4)重復上述步驟進行下一階段施工控制,直到大橋合攏。整個工作程序見圖4。

圖4 監控系統組成

4.2 線形測量

撓度及平面位置觀測資料是施工控制中控制成橋線形最主要的依據,尤為重要。在施工過程中,對每一個懸澆梁段都需要進行立模時、混凝土澆筑后張拉預應力鋼束前、張拉完預應力鋼束后這三種工況的標高觀測,以便觀測各點的撓度及箱梁曲線的變化歷程,以確保箱梁懸臂端的合攏精度及橋面的成橋線形。

4.2.10#塊高程測點布置

布置0#塊高程測點是為了控制頂板的設計標高,在各墩頂面標記出固定水準點,作為以后各懸澆節段高程觀察的基準點。

(1)各墩柱及0#塊施工完畢,懸澆施工前應測量0#塊的竣工位置。要求測量0#塊兩端部頂面共計8個點的標高,布置如圖5所示。

圖5 0#塊標高測點布置示意圖(單位:cm)

(2)線形測量受溫度影響很大,因此測量應在氣溫相對穩定時段進行,且應保證在一定時限內完成,并同步測量環境溫度、應力等。

(3)要檢查每段的軸線位置,在澆注3段左右后應對橋梁軸線進行一次復核。

4.2.2 懸澆節段高程測點鋼筋用紅油漆標記

各懸澆節段在其端部設置標高測點。采用φ 14鋼筋,垂直方向與頂板上層鋼筋點焊連接。測點(鋼筋)外露混凝土表面2cm,懸澆階段高程控制點布置同圖5。

4.3 應力測量

除主跨結構線形及位移監測外,主跨結構應力監測也是施工控制的一個重要監測內容,通過該項應力監測可迅速知道主跨受力狀況,及時判定主跨應力是否超限,從而可知道主跨安全狀況。因此,必須進行應力跟蹤觀測。該項觀測在每一施工階段都要進行,并貫穿整個施工過程,且應力測試時間應選在氣溫穩定時段與高程測量同步進行。

選取施工過程中受力不利的截面為控制截面。主梁主要選取1#節段、跨中截面共3個控制截面設置測點。每個截面布置8個測點,如圖6。

圖6 箱梁應力測點布置圖

4.4 溫度測試

溫度是影響主梁撓度的最主要因素之一,特別是晝夜溫差,可能引起主梁懸臂端較大的撓度變化,不同的太陽照射方向將會引起橋墩的撓曲變形,從而使主梁產生偏轉,季節溫度的變化也將導致結構的變形。因此,溫度的現場測試選溫度相對穩定的時刻,一般選清晨日出之前進行,以消除日照溫差的影響。

溫度測試采用埋設高阻值熱敏電阻SWF3-1Z,用FLUKE45高精度數字繁用表測讀。高阻值熱敏電阻不受導線長度的影響,誤差為±0.2℃,安設比較方便。由于本橋跨徑小,懸臂段短,根據工程經驗,可以不進行專門的溫度測試,只需在溫度變化大的季節,不同溫度時段進行變形監測,依此修正立模標高,即可達到控制精度。

5 施工監控監測數據及分析

5.1 橋梁標高監控

橋梁標高監控結果如圖7、圖8所示。從中可以發現,橋梁成橋階段豎向變形值對稱,與設計值吻合較好。左幅橋跨中標高扣除二期恒載,留有8.1cm的富裕預拱度,邊跨留有3.9cm及3.9cm,右幅橋跨中標高扣除二期恒載,仍留有10cm的富裕預拱度,邊跨留有2.7cm及3.6cm,基本滿足后期混凝土徐變收縮、預應力損失等因素的要求,從而確保了橋梁在長期的運營階段能夠保持平順的線形和合理的內力狀態。可見,主梁高程及線形變位控制達到了較高的精確度,結構變位及高程變化特點符合預應力混凝土連續箱梁特點。

圖7 左幅橋面設計標高與實測標高線形比較

5.2 橋梁截面應力監控

除主跨結構線形及位移監測外,主跨結構應力監測也是施工控制的一個重要監測內容,通過該項應力監測可迅速知道主跨受力狀況,及時判定主跨應力是否超限,從而可知道主跨安全狀況。因此,對整個施工過程進行了應力跟蹤觀測,且應力測試時間選在氣溫穩定時段與高程測量同步進行的。

不同監控斷面各應力監測點位如圖9所示。邊跨底板預應力束張拉后其實測應力如表1所示,中跨底板預應力束張拉后其實測應力如表2、表3所示。其中箱梁混凝土彈性模量取3.8×104MPa。

圖8 右幅橋面設計標高與實測標高線形比較

圖9 應力監測點位示意圖

表1 左幅邊跨合攏段應力 單位:MPa

表2 左幅中跨合攏段應力 單位:MPa

表3 右幅中跨合攏段應力 單位:MPa

從表1～表3所示各測試截面應力狀態監測結果可以發現,在施工階段各工況下實測值和圖3所示的理論設計值變化趨勢基本吻合,都在規范[9-10]和設計允許范圍之內。梁結構的應力分布基本反映了結構設計及施工監控理論計算的預測結論,邊、中跨箱梁頂、底板應力狀態變化趨勢與理論計算相符。箱梁截面整體受力分配均勻,未出現扭轉現象。

6 結 語

橋梁施工監控作為橋梁施工技術的重要組成部分,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。本文對主橋的施工進行了逐節段監控,并依據實測有關參數對理論模型加以修正,通過監測數據的對比分析表明,實測應變值扣除收縮徐變的影響,應力值與理論值基本一致;實測應力值在規范和設計限值范圍內;橋面縱、橫、側線型均流暢平順。工程實踐表明,該大橋所采用的施工方法與監控方案合理可行,能滿足工程的要求,可為同類型橋梁的施工控制提供借鑒。

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