某大跨度連續(xù)梁橋施工控制分析

■賴士謙

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

0 引言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在跨徑300m范圍內(nèi)都具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)在高速公路建設(shè)高潮期修建了數(shù)百座跨徑超過120m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁 （剛構(gòu)橋），其中跨徑超過200m的就有數(shù)十座。但隨著時(shí)間的推移，已建的這批大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋普遍出現(xiàn)過大的跨中撓度[1]。研究發(fā)現(xiàn)，問題橋梁絕大部分在施工過程中缺乏對(duì)主梁線形的控制，合龍之后橋面不平順，或者合龍線形和理想線形有較大差距[2]。為滿足橋面平順度要求和設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，施工過程中一般采用加厚橋面鋪裝的形式進(jìn)行找平。這直接導(dǎo)致主梁超重，預(yù)應(yīng)力度相對(duì)不足，同時(shí)增大梁體彎矩，最終導(dǎo)致橋梁在使用階段的長(zhǎng)期撓度失控。因此，保證懸臂施工的混凝土梁橋成橋線形受到工程界普遍關(guān)注，這也是在大跨度混凝土連續(xù)梁橋建設(shè)中開展施工控制的主要目的。

背景橋梁為一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，采用懸臂施工工藝。通過對(duì)該橋施工全過程的計(jì)算機(jī)仿真分析，確定橋梁施工過程中的梁體的應(yīng)力狀態(tài)和線形變化，結(jié)合施工過程中對(duì)主梁標(biāo)高和梁體應(yīng)力的測(cè)量，對(duì)施工過程中的主梁線形和內(nèi)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為施工線形的調(diào)整和控制提供有力的理論和數(shù)據(jù)支持。

1 項(xiàng)目概況

橋梁跨徑布置為72.5+120+72.5m，單幅橋?qū)?6.75m。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，梁體混凝土等級(jí)為C55，采用單箱雙室斷面。箱梁頂板寬16.75m，底板寬11.25m。墩頂0號(hào)梁段長(zhǎng)9m，0號(hào)塊兩側(cè)各劃分為17對(duì)梁段，其梁段及梁段長(zhǎng)度從根部至跨中分別為 4×2.5m，6×3.0m，3×3.5m，4×4.0m，1號(hào)～17號(hào)梁段采用掛籃懸澆施工，累計(jì)懸臂總長(zhǎng)為54.5m。全橋共3個(gè)合攏段，合攏段長(zhǎng)度均為2.0m。邊跨的現(xiàn)澆梁段長(zhǎng)度為11.42m。橋梁上部結(jié)構(gòu)立面如圖1所示。

2 監(jiān)控總體思路和關(guān)鍵技術(shù)

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)立面

大跨度懸澆連續(xù)梁施工監(jiān)控的主要目的是為了保證橋梁順利合龍和結(jié)構(gòu)內(nèi)力、成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求[3]。項(xiàng)目開始前期，通過對(duì)施工階段的有限元仿真分析，可以明確各階段結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)，同時(shí)，仿真分析的數(shù)據(jù)也為施工參數(shù)的確定提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)際施工過程中，通過“理論分析預(yù)測(cè)→節(jié)段施工→數(shù)據(jù)測(cè)量與反饋→參數(shù)識(shí)別、修正→下階段理論計(jì)算預(yù)測(cè)”的循環(huán)過程，對(duì)主梁施工過程中的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證最終成橋線形和內(nèi)力滿足要求。

2.1 基于Midas/Civil的有限元模型分析

利用Midas/Civil有限元程序，建立全橋的空間桿系有限元模型。輸入各施工階段的單元、邊界和荷載信息之后，進(jìn)行前進(jìn)分析。通過施工階段的有限元仿真分析，可以對(duì)各階段結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和分析，保證施工階段結(jié)構(gòu)的安全。此外，所得的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)也是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行誤差調(diào)整的主要參考數(shù)據(jù)之一。背景橋梁施工過程全結(jié)構(gòu)模型一共設(shè)置了154個(gè)單元和161個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 橋梁全結(jié)構(gòu)模型

模擬施工工序進(jìn)行全過程分析，得到成橋階段主梁的應(yīng)力如圖3所示。成橋狀態(tài)下，主梁全線受壓，且受力較為均勻，頂緣最大壓應(yīng)力為8.4MPa，發(fā)生在中跨靠近橋墩位置，底緣最大壓應(yīng)力11.5MPa，發(fā)生在中跨跨中附近。

2.2 主梁線形監(jiān)控及調(diào)整方案

2.2.1 立模標(biāo)高計(jì)算原理

為確保成橋后線形平順且盡量逼近，懸臂施工過程中每個(gè)節(jié)段都需要進(jìn)行預(yù)拋高，通過立模標(biāo)高的調(diào)整影響梁體線形，立模標(biāo)高也就是施工時(shí)的放樣標(biāo)高。立模標(biāo)高分析主要考慮以下幾個(gè)因素：

1)設(shè)計(jì)標(biāo)高Hid：為施工節(jié)段裸梁底面設(shè)計(jì)標(biāo)高；

2)施工預(yù)拋高fis：梁段預(yù)拋高為立模標(biāo)高的主要影響因素之一，與結(jié)構(gòu)的自重、預(yù)加力、二期恒載以及收縮徐變等因素有關(guān)，可通過有限元軟件分析得到；

3)靜活載引起的變形fiv：1/2的靜活載加載在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的變形，可通過有限元程序分析得到；

4)掛籃變形fic：懸臂澆筑掛籃產(chǎn)生的變形，需要對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓堆載試驗(yàn)以獲得掛籃荷載-變形曲線，不同梁段根據(jù)荷載大小對(duì)該值進(jìn)行調(diào)整；

5)施工誤差調(diào)整值fia：施工誤差造成的影響，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和分析，得到各節(jié)段施工誤差值，并實(shí)時(shí)調(diào)整，確保誤差不累積。

綜上所述，最后的立模標(biāo)高Hi的表達(dá)式為：

2.2.2 主梁高程控制

根據(jù)背景橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程施工進(jìn)度，共設(shè)置74個(gè)豎向撓度的監(jiān)測(cè)截面，在同一截面在主梁橫向布置兩個(gè)高程測(cè)點(diǎn)，用于校核主梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)。高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖 4。

圖2 成橋階段主梁應(yīng)力

圖4 主梁豎向測(cè)點(diǎn)布置圖

混凝土自重、預(yù)應(yīng)力大小、施工荷載、混凝土收縮徐變、日照和溫度等對(duì)主梁撓度均有影響。為確保主梁線形平順，每一次預(yù)應(yīng)力張拉前后，都要對(duì)主梁高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)測(cè)高程和目標(biāo)高程進(jìn)行比較。為減少日照及氣溫對(duì)主梁高程的影響，測(cè)試時(shí)間要求在清晨進(jìn)行，溫度對(duì)主梁高程的影響通過理論計(jì)算修正后計(jì)入。

2.3 主梁應(yīng)力和溫度狀態(tài)監(jiān)測(cè)

應(yīng)力與溫度的監(jiān)控測(cè)量是掌握主體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。在主梁施工過程中，在控制點(diǎn)埋設(shè)弦式混凝土應(yīng)變計(jì)和溫度傳感器，對(duì)梁體的應(yīng)力狀態(tài)和溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

施工應(yīng)力測(cè)試截面一般根據(jù)施工計(jì)算的控制截面確定，原則上包括以下幾個(gè)截面：成橋階段的最大正、負(fù)彎矩截面，以及設(shè)計(jì)角度考慮的其他控制截面。懸臂施工狀態(tài)下，墩頂截面為控制截面，合攏后，跨中和四分點(diǎn)位置處于較為不利的位置，據(jù)此，全橋選取7個(gè)內(nèi)力控制截面布置傳感器，分別為邊跨跨中，中跨跨中、四分點(diǎn)以及墩頂截面，應(yīng)變計(jì)和傳感器埋設(shè)位置如圖5所示。

圖5 控制截面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭D

3 數(shù)據(jù)處理與分析

懸臂施工過程中，通過對(duì)主梁線形的實(shí)時(shí)調(diào)整，最終得到了如圖6所示的成橋曲線。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)線形和設(shè)計(jì)線形吻合較好。圖7給出的實(shí)測(cè)高程和設(shè)計(jì)高程的差值顯示，成橋后的高程和設(shè)計(jì)高程大部分的誤差都控制在±10cm之內(nèi)，基本滿足 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[4]。說明施工監(jiān)控工作對(duì)施工過程中線形的控制取得了良好的效果。

圖6 成橋標(biāo)高

圖7 測(cè)量標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高差值

對(duì)于關(guān)鍵斷面應(yīng)力的分析，本文僅取典型控制斷面進(jìn)行討論。圖8所示內(nèi)容為0#塊頂、底緣應(yīng)力在整個(gè)施工過程中的變化曲線。隨著施工階段的推進(jìn)，0#塊頂、底緣應(yīng)力均逐漸增大，在進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換的階段，截面頂、底緣應(yīng)力出現(xiàn)了較大的跳躍。但從總體的應(yīng)力水平上看，截面應(yīng)力較為合理，具有較大的冗余度。其他控制斷面的應(yīng)力也在合理范圍之內(nèi)。

圖8 主梁0#塊施工階段應(yīng)力

4 結(jié)論

在背景橋梁施工過程中，結(jié)合有限元仿真分析，同時(shí)充分考慮施工過程中可能出現(xiàn)的各種誤差，在各個(gè)施工階段通過立模標(biāo)高的預(yù)報(bào)及時(shí)對(duì)線形進(jìn)行調(diào)整，避免了施工過程中誤差的不斷累積和放大。同時(shí)，梁體內(nèi)力的監(jiān)控也為工程技術(shù)人員了解施工過程中的主梁受力情況提供了更直觀的數(shù)據(jù)。

實(shí)踐結(jié)果表明，施工階段的線形微調(diào)可以對(duì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的成橋線形進(jìn)行有效控制，避免了利用增加鋪裝厚度來調(diào)整成橋線形的麻煩，從根源上解決大跨徑連續(xù)梁橋常見的跨中下?lián)蠁栴}。