預應力混凝土連續箱梁頂推施工監測

陳偉庚

(中國鐵路廣州局集團有限公司 深圳工程建設指揮部，廣東 深圳 518000)

橋梁頂推施工法具有對施工場地要求低、不需要借助支架及大型施工機械、施工過程不影響交通、施工周期短等優點[1]，因此適用于跨越既有線路的橋梁施工。經過多年的不斷發展，頂推施工工藝已日趨成熟[2-3]，但由于在頂推施工過程中，主梁的受力遠較常規施工方法復雜，體系轉換頻繁，橋梁各施工階段的結構形式、邊界條件、內力、變形都在不斷變化。因此，對整個頂推施工過程進行監控，清楚地掌握結構在整個頂推施工過程中的受力、變形情況，對保證工程質量和施工安全有重要意義[4-6]。對于預應力混凝土連續箱梁頂推施工，應從梁體澆筑階段的預應力張拉開始直到頂推就位落梁進行全過程的施工監測，以控制結構受力狀態[7]。

本文基于一預應力混凝土連續箱梁跨既有鐵路營業線頂推施工，針對工程特點制定監測方案。通過對梁體預應力張拉階段、頂舉及試頂推階段、頂推階段、落梁階段結構應力及變形的監測，實現對頂推施工各階段的控制。

1 工程概況

一鐵路橋梁需要上跨既有高速鐵路客運專線施工，橋梁設計跨徑組合為(48.3+48.3)m，梁體為單箱單室、等高度、變截面箱梁，梁高4.0 m，箱梁頂板寬7.6 m，箱底寬4.6 m，下部結構為實體橋墩。為減小施工對運營線的影響，橋梁采用鄰孔澆筑頂推就位的方式施工。設置30.6 m長鋼導梁，其中嵌入混凝土內部長度為2.6 m。

箱梁安裝采用18點步履式頂推方式，通過頂推豎向千斤頂抬高箱梁，通過水平千斤頂推進箱梁向前移動，頂推過程中進行方向控制及糾偏。由于連續梁位于半徑800 m的曲線上，所以頂推過程走行軌跡是一條全長124.6 m、半徑800 m的圓曲線。若按直線行走將偏離橋梁中心很遠，因此施工過程中采用階段性走切線的方式。

2 箱梁頂推施工監測方案

橋梁在預制及頂推過程中結構體系不斷轉換，正負彎矩交替出現，每個截面內力不斷變化，梁體受力復雜；每個頂推階段結束后，主梁可能會發生豎向及橫向變形，線形控制十分重要；頂推過程中各墩除承受豎向壓力外，還承受主梁和墩柱間摩擦力與頂推反力架的反力作用，應綜合該橋的施工特點，制定各施工階段的監測方案。主要監測內容如圖1所示。

圖1 箱梁頂推施工監測內容

2.1 箱梁頂推施工前監測

1)開展管道摩阻測試，確保預應力度，可對張拉力進行修正，并對預應力張拉過程中重要的參考指標伸長量進行修正，指導設計和施工。

2)在預應力張拉過程中監測結構關鍵截面應力及梁體線形，以控制梁體在預應力張拉前后線形變化，便于對梁體剛度進行評定。

3)為把握梁體靜置階段在收縮徐變作用下的線形及關鍵截面應變變化，開展監測工作。

4)為確保頂推過程中關鍵構件安全可控，結合理論計算結果，對鋼導梁及其與主梁結合部位開展專項受力驗證。

2.2 箱梁頂推施工過程監測

1)梁體關鍵截面應力及線形監測

頂推過程中梁體關鍵截面應力監測主要在于把握結構的受力狀態，避免因頂推過程中支點支撐狀態的過大改變導致結構受力偏離設計狀態。結構關鍵截面應力監測主要包括主梁跨中、墩頂截面以及頂推過程中控制截面監測。主要應力測試截面如圖2所示，主梁、鋼導梁截面均設置外貼應力測點，C,F,H截面處設置內埋應力測點，墩柱截面設置外貼應力測點。

圖2 應力測試截面(單位：cm)

梁體線形監測主要包括主梁四分點豎向變形監測，以便通過梁體線形變化把握結構的實際受力狀態。線形及空間變位測點布置如圖3所示。線形測點主要布置在混凝土梁四分點以及鋼導梁梁端，空間變位測點布置在混凝土梁二分點、鋼導梁梁端以及各墩柱墩頂。

圖3 線形及空間變位測點(單位：cm)

2)導梁關鍵截面應力及線形監測

關鍵截面主要是指鋼導梁根部及鋼導梁-混凝土梁結合部位。

3)墩柱空間變位監測

頂推過程中各墩除承受豎向壓力外，還承受主梁底板下緣與墩頂間摩擦產生的水平推力與頂推反力架的反力作用，因此有必要對頂推過程中墩柱空間變位進行監測。

4)梁體及導梁空間幾何形態監測

主要跟蹤梁體、導梁在頂推過程中空間位移的變化，以便判定結構空間位置是否處于合理范圍之內，對于出現的異常偏位現象采用糾偏的方式及時進行調整。梁體監測點主要包括梁體墩頂、導梁端測點。

5)頂升力跟蹤監測

通過頂推控制設備監測頂推過程中千斤頂頂力的變化，用于評定頂推過程中頂升力分配的均勻性。

2.3 落梁階段監測

落梁階段對梁體關鍵截面受力及支座反力進行監測。梁體頂推就位后需拆除臨時支撐，安放永久支座，落梁，為避免梁體恒載受力狀態偏離設計要求，需對頂升、落梁前后的結構狀態進行監測，分析結構受力狀態變化，對于結構恒載受力偏離設計要求的工況，可通過調整支座反力的方式予以改善。

2.4 監測方法

1)應力監測方法

頂推過程中結構應力監測采用無線分布式結構應變監測系統，對涉及到施工建造過程中的構件應力、頂升力、溫度監控、位移構建數據無線傳輸與采集控制平臺，可以適應頂推過程中梁體空間位置不斷變化、對實時數據要求高的特點，確保能夠實時、動態地采集監測數據。

2)頂升力監測方法

滑箱、頂升系統、水平頂推系統、糾偏系統及相關構件組成頂推單元，多個頂推單元連接智能泵站后組成步履式頂推系統，多個頂推系統聯接主控臺后組成一套多頂同步步履式頂推系統，在總控臺顯示每個千斤頂的頂升力。

3)梁體及墩柱空間變位監測方法

梁體及墩柱空間變位采用全站儀進行監測，于結構監測部位布設棱鏡，采用全站儀人工測讀的方式跟蹤梁體及墩柱的空間變位工況，根據梁體成橋后的軸線方向建立局部坐標系，在頂推過程中跟蹤監測梁體空間(主要為橫向)變位狀況。

4)梁體及鋼導梁豎向變形監測方法

梁體及鋼導梁豎向變形采用全站儀進行監測，于結構監測部位布設棱鏡，于關鍵工況測試梁體及導梁的豎向變形狀況。

3 監測結果分析

3.1 梁體預應力張拉效果監測

在預應力張拉過程中關鍵截面(A,C,D)上下緣實測應力響應與理論計算變化規律在張拉完下緣預應力之后基本一致，數值基本吻合，截面軸向壓應力數值較為接近。在張拉下緣預應力期間，推斷由于梁體底部支架未拆除以及測量過程中溫度的變化，導致理論計算與結構實際受力存在一定的偏差，預應力張拉效果總體滿足設計要求。以A截面為例，各應力張拉工況對應的理論計算值與監測結果如圖4所示，圖中橫坐標為各預應力鋼束編號及相應張拉應力。

圖4 A截面上下緣預應力張拉過程中應力變化

預應力張拉階段，圖3中所示的9個梁體線形測點的實測結果與理論響應結果的對比如圖5所示。

圖5 預應力分階段梁體變形

圖5表明：在預應力張拉過程中梁體實測變形與理論計算值變化規律有一定差別，變形數值與理論計算值相差較大。這與張拉預應力時梁體底部模板未拆除，梁體的支撐剛度不確定，張拉過程時間較長以及溫度變化較大有關系。從現場監測結果看，梁體整體下撓。這是由于頂推前主要張拉梁體上緣的預應力，而梁底支撐的是貝雷架，剛度相對較小。從應力監測結果看，預應力張拉效果總體滿足設計要求。

3.2 頂舉與試頂推監測

3.2.1 稱重試驗

通過梁體頂舉試驗對全橋進行稱重，得到梁體實際的總重，同時得到各個支反力的數值，為后續頂推提供初始狀態。通過各墩上共12個千斤頂同步頂升，保持梁體處于頂升狀態，將千斤頂油壓換算成壓力值。3次平均梁重 2 379.48 kN；摩擦因數 0.025 4；動靜摩擦因數與施工方案一致，全橋水平頂推力約600 kN，滿足頂舉、推進、糾偏各工況設備要求。

3.2.2 試頂推試驗

通過試頂推試驗測試頂推過程中的摩擦因數，驗證各個監控環節，為后續頂推提供依據。頂推過程中根據豎向頂壓力以及縱向頂推力可以判斷千斤頂在滑箱內的摩擦力大小，在43#墩接收前梁體前端達到最大懸臂，根據此時梁體所受應力大小判斷后續梁體前端到達44#墩接收前最大懸臂狀態梁體應力狀況。實測最大懸臂狀態梁體最大撓度為42.1 mm，導梁下撓值為155.1 mm，理論計算得梁體最大撓度為51.1 mm，導梁下撓值為158.6 mm。最大懸臂工況梁體及導梁實測撓度與理論計算較符合。頂舉與試頂推過程包括以下5個工況：頂舉、落梁、頂程1.3 m頂起、頂程1.3 m到位、43#墩接收。各工況下控制截面F,G,I實測應力變化見圖6，可知其與理論計算值較吻合。

圖6 頂舉與試頂推試驗應變實測值

3.3 頂推階段結構應力監測

對各測試截面在頂推過程中的應力變化進行了監測，典型結構關鍵截面A截面實測與理論應變變化見圖7。

圖7 A截面上下緣應變隨行程變化曲線

由圖7可知：①預應力混凝土梁A～H截面在頂推過程中上下緣實測應變均處于結構受力安全范圍之內，其中A～G截面實測受力規律及變形趨勢與理論計算基本一致，但截面左右側腹板受力呈現一定的不均勻性。左右側受力不均勻主要由梁底千斤頂頂力不均勻造成，同步頂升過程中很難準確控制位移，預應力混凝土梁剛度大，不均勻位移會產生較大的內力，另一方面由于頂推時間跨度長，溫度變化顯著，溫度補償并不能完全消除溫度變化引起的應力變化，使得梁體實際受力狀態偏離了理論計算值。②鋼導梁截面在頂推過程中左右側鋼導梁受力整體趨勢一致，但頂推過程中左右側鋼導梁受力存在一定的不同步性，主要與左右側支撐力不均有關。頂推過程中，實測鋼導梁下緣最大拉應變為847×10-6，換算鋼材應力為173 MPa，發生在44#墩支承于鋼導梁中部，大于鋼導梁試驗時的146.5 MPa，但小于鋼材的抗拉強度270 MPa。③在頂推過程中，各實測應變均在安全受力范圍之內。

3.4 落梁階段結構應力監測

臨時支撐安裝完畢后，外側落梁支撐千斤頂回油，臨時支撐承擔梁體重量，墩上操作人員根據梁體下落高度將落梁支撐上層墊塊更換成不同厚度組合鋼墊板；然后千斤頂加壓將梁體頂升，使梁體脫離臨時支撐，墩上操作人員拆除臨時支撐上層墊塊更換成不同厚度組合鋼墊板，最后將落梁千斤頂回油，使梁體回落至臨時支撐上，一個落梁循環結束。落梁階段共持續230 min，落梁階段梁體關鍵截面應變變化曲線見圖8。

圖8 落梁階段梁體關鍵截面應變變化曲線

由圖8可知：在落梁過程中梁體由于頂起與落下的循環受到了反復的應力變化，但應力較小。落梁到位后，梁體累計應變最大為7×10-6，可見落梁過程中梁體未產生內力。

3.5 橫向偏位監測

梁體推進軌跡位于半徑為800 m的圓曲線上，如不加強頂推軸線過程控制，形成較大偏差，將在糾偏上存在很大難度，同時增加安全風險。在實際頂推過程中，梁體空間變位采用全站儀進行監測，于頂推現場附近高樓布設測站，在頂推過程中原則上按每頂進2 m(5個行程)進行一次梁體空間變位的監測，在關鍵位置適當加密測量。整個頂推過程為曲線頂推，通過靠近圓心側糾偏千斤頂回程(按弦差比例同步位移控制)，外側糾偏頂按比例頂進且約束。關鍵測點平面位置在施工平面坐標系中的變化見圖9。

圖9 關鍵測點平面位置變化

由圖9可知：與設計相比，在頂推過程中梁體雖然存在一定的偏位，但基本按照設計軌跡以曲線的路徑行走，每5個行程進行一次平面位置監測，通過監測結果及時調整水平糾偏頂的參數，在隨后幾個行程里逐漸調整梁體的偏位。梁體最大的糾偏位移為4.6 cm，頂推就位后，梁端中線偏差0.1 cm，梁中中線偏差0.3 cm，梁尾中線偏差0.3 cm。

4 結論

1)預應力張拉階段梁體張拉效果滿足設計要求。

2)頂舉與試頂推階段頂推系統工作正常，受力狀態與計算值吻合良好。

3)頂推階段梁體和導梁左右側受力存在一定的不均勻性，但均在安全范圍之內，此外通過監測數據對梁體進行糾偏，使得整個頂推過程中梁體橫向偏位很小，基本按照設計軌跡以曲線路徑行走。

4)落梁階段梁體累積應變較小，落梁過程未對梁體產生內力。

綜上所述，本文通過對梁體預應力張拉階段、頂舉及試頂推階段、頂推階段、落梁階段結構應力及變形的監測，實現了頂推施工各階段控制，為同類型橋梁頂推施工過程控制提供了參考。