大跨徑連續梁橋施工監控研究與實踐

楊 斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

近幾年來,隨著鐵路事業的快速發展,大跨徑預應力連續梁橋因其結構剛度大、跨越能力大、施工技術成熟而得到了廣泛應用。施工時主要采用掛籃分段懸臂澆筑的方法,其主要特點是：施工時需要分節段立模澆筑混凝土梁段,然后再分批張拉鋼束,逐步完成體系轉換和合龍等眾多施工工藝,所以,整個結構在施工過程中,其線形和應力會發生比較復雜的變化。為了保證成橋時的線形及每一節段施工中的安全和質量,對于大跨徑預應力連續梁,在施工時必須對其進行現場監控和力學分析。

1 工程概況

中平跨京珠高速公路特大橋是石武客運專線上的一座重要橋梁,其橋跨布置為(80.6+128+80.6) m的3跨預應力混凝土連續梁,截面形式采用單箱單室、變高度、變截面直腹板形式,梁頂板寬12 m,底板寬7 m。中支點梁高9.6 m(高跨比1/13.3),邊支點及跨中梁高5.6 m(高跨比1/22.8),梁底按二次拋物線變化。主梁施工采用掛籃懸臂澆筑法,全橋除0號塊外共分為21對梁段,中支點0號塊梁段長18 m,邊跨、中跨合龍段長度均為2.0 m,邊跨現澆直線段長16.45 m,最大懸臂澆筑塊重21 332.5 kN。箱梁縱向預應力鋼束采用19-7φ5 mm、15-7φ5 mm鋼絞線,豎向預應力鋼筋采用φ25 mm的螺紋鋼筋,橫向預應力束采用4-7φ5 mm鋼絞線。

2 施工監控思路

大跨徑預應力混凝土連續梁橋的施工控制是一個理論計算預測→按預測進行階段施工→階段施工完后量測、反饋→根據量測反饋進行參數識別、修正→進行下一階段理論計算預測的循環過程。其工作內容主要分為2個部分：一部分是數據的采集,預先在橋上埋設各類傳感器和監控系統,每個施工工況完成后采集數據；另一部分是根據所采集到的數據進行分析處理,以確定下一個施工階段的參數。因此,在施工監控中需要采集大量的觀測數據和進行大量的計算工作。

3 分析模型的建立

3.1 結構單元的劃分

中平特大橋的計算采用橋梁專用分析軟件Midas/Civil進行分析模擬計算,全橋采用空間直線梁單元,共323個節點,322個單元。全橋模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

3.2 計算參數的選取

主梁采用C50混凝土,其彈性模量為3.55×104MPa,混凝土容重γ=25 kN/m3。縱向預應力鋼筋采用標準強度級別1 860 MPa,公稱直徑為15.2 mm高強度低松弛鋼絞線,彈性模量為195 GPa。鋼束與管道壁的摩擦系數取0.25,偏差系數取0.003,錨具回縮取6 mm。

4 監控方案

4.1 主梁線形控制

在掛籃懸臂法澆筑施工中,每一梁段預拱度的設置對于保證成橋線形是最為關鍵的。只有合理設置預拱度,才能在最后合龍階段保證2個懸臂端可能在同一水平線上,也才能保證梁部結構在經歷了施工階段和運營一定時間后,其橋面線形能盡量與設計目標狀態相吻合。對于主梁的橋面線形,其影響因素有很多,主要如下：(1)施工階段時主梁的自重和預加應力,即通常所說的一期恒載；(2)施工過程中的臨時荷載；(3)懸澆時采用的機具設備重(掛籃、模板等)；(4)二期恒載、風荷載、濕度變化、溫度變化；(5)基礎沉降、橋墩變位、施工誤差等。

以上影響橋面線形的因素,在對中平特大橋的線形控制中,都做了充分的考慮。下面簡要介紹各梁段立模高程的確定方法。立模高程主要按下面的公式計算。

H=H1+H2+f

式中H1、H2、f分別為設計高程、立模預拱度及掛籃的變形值。

設計高程一般由設計院提供,通過橋梁專業軟件程序對結構仿真計算分析可以得到預拱度(本文采用Midas模擬分析得到),掛籃變形值可以通過在施工現場對掛籃進行預壓試驗而得到。

中平特大橋在每段懸澆梁端斷面頂板上各布置3個觀測點,分別是箱梁中心線上和距梁兩邊0.5 m的位置處,如圖2所示。根據施工每一懸澆梁段的過程,分別對混凝土澆筑后、預應力張拉后及掛籃移動后進行監測。在各施工工況中,如每一梁段混凝土澆筑前后,預應力張拉前后,觀測其高程最能客觀反映實際施工時主梁的撓度變化,這是在對結構線形監控分析中最重要的依據。由于篇幅所限,這里僅列出施工中1號墩部分高程的情況,見表1。

圖2 位移(高程)測點截面布置(單位：cm)

表1 1號主墩8號塊澆筑后主梁高程

一般,希望成橋后的線形是理論成橋線形,根據成橋后的最后一個施工階段向前依次反推前一個施工階段的橋梁高程,通過這種分析方法便可以得到不同施工階段下每一個梁段的理論高程值,通過對比分析,便可以得知理論值與實際線形的偏差,從而調整后續梁段的立模高程,以此來保證主梁線形,起到監控作用。另外,成橋后的橋面平順與否是線形控制的主要目標,在各施工節段中,不必刻意地去追求個別點的理論高程,如果實測高程與理論計算值有偏差時,不必非要在下一個梁段施工中立即修正過來,而應該先分析產生偏差的原因,而后修正后續梁段的立模高程,逐漸將高程偏差糾正過來。最后成橋時可能很多梁段的實際高程與設計高程不符,但橋面整體線形平順。

從表1高程數據可以看出：各梁段高程偏差基本控制在10 mm范圍內,最大差異也僅有7 mm,是比較小的,說明線形得到了很好的控制。

4.2 應力監控

應力監測是保證大橋在施工階段和成橋運營時安全的主要依據,也是大跨徑連續梁橋施工監控的主要內容之一。通過在需要測試截面的梁段混凝土中預先埋入應力測試元件,并在以后的各施工階段進行測試。由于需要在橋梁每一梁段施工中根據各荷載工況分別進行應力測試,因此在選擇測試元件時,要求元件應具備抗干擾能力強,性能穩定,埋設方便及對施工干擾小等特點。通過以前的測量經驗和對國內元件的綜合分析比較,采用埋入式應變傳感器,讀數儀器采用配套的SS-Ⅱ型鋼弦式頻率測定儀。

中平特大橋的主梁選擇9個測試截面,分別設置在0號塊、2號塊、邊跨跨中及中跨跨中處,如圖3所示,鋼筋應力計分別布置在頂板上層鋼筋和底板下層鋼筋上,每個測試斷面布置4根鋼筋應力計,如圖4所示。本橋應力監控采用階段應力分析方法,其優點是可充分反應梁體在各個施工階段所產生的應力變化情況,根據實測的數據對每個階段進行分析和處理。由于所采集的實測數據較多和篇幅所限,僅給出2號塊截面施工階段下的實測值與理論值進行對比分析,如圖5、圖6所示。

圖3 主梁測試斷面布置(單位：m)

注：圖中黑色小矩形塊表示鋼筋應力計布置位置

圖5 連續梁2號段邊跨側距墩頂12 m截面混凝土應力隨施工過程變化實測曲線

圖6 連續梁2號段中跨側距墩頂12 m截面混凝土應力隨施工過程變化實測曲線

由圖5、圖6所反應的混凝土應力變化情況來看,2號塊截面各個施工階段下的應力實測值與有限元計算的理論值變化趨勢基本一致,應力相差也不大,實測值中最大值在9 MPa以內,說明采用程序計算的理論結果是可靠的,能夠保證連續梁在整個施工過程中,其實際應力狀態一直處于安全有效的控制之中。

4.3 溫度監控

由于橋梁施工監控的周期長,氣候季節的變化,周圍溫度的改變和陽光照射不同的原因,再加上混凝土結構本身的熱傳導性能比較差,這些都將會使結構表面和內部形成較大的溫度梯度。本橋在1號墩靠近墩身處(1號段)預埋溫度傳感器,通過預埋元件監測的數據,獲得箱梁的溫度場,進而掌握箱梁的溫度變化規律,為預測高程和確定箱梁合龍溫度提供依據。

對1號塊從早上8：00點到晚上18：00點每隔2 h測1次懸臂前端斷面的高程,并記錄測量時的溫度,實測數據見表2。

由表2可以得知：當外界氣溫變化時,箱梁撓度不是立即跟著變化,而是具有滯后性,即當溫度升高,箱梁不是立即跟著下撓。

由于溫度的升高,箱梁有普遍下撓的規律,因而對施工階段的高程觀測產生較大的誤差。所以,大跨連續梁橋的施工監控觀測應在氣溫基本相同的情況下進行。一般宜在早晨8：00之前結束當次測試工作。本橋在監控過程中,采用上述溫度—撓度變形測量的成果,在確定每一節段立模高程時,分析影響因素,對其進行修正,取得了較好的效果。

表2 1號塊箱梁溫度-撓度隨氣溫變化觀測結果

注：天氣狀況,晴天；施工工況,1號塊澆筑后。

5 結語

對石武客運專線中平特大橋的監控分析,得出以下結論。

(1)從主梁的線形控制結果來看,雖然各梁段實測高程值與理論高程值有些偏差,但偏差范圍均控制在10 mm以內,符合規范的要求。這說明將實測數據與理論模型相結合來分析所得出的各節段立模高程值來指導施工,可有效地控制誤差的產生。

(2)從主梁的應力監測結果來看,所布置監測元件的測點截面,在各施工階段下的應力實測值與理論計算值的變化規律基本相符,吻合較好,說明了本文采取的計算理論是正確的,計算結果是可靠的。

(3)通過對比實測值與理論值,中平特大橋在懸臂施工過程中的線形和應力都得到了很好的控制,因而所采用的施工監控方案可以為以后類似橋形的施工控制提供借鑒。

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