簡支系桿拱應(yīng)力及線形監(jiān)控施工技術(shù)的應(yīng)用及研究

張 林

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266061）

1 引言

簡支系桿拱施工過程中，結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力隨著結(jié)構(gòu)體系和荷載的不斷變化而變化。因此，在下承式簡支系桿拱施工中，需在系桿拱橋梁體及拱肋的控制斷面設(shè)置應(yīng)力測試元件進(jìn)行監(jiān)測［1］，并對一個施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)算，求出主梁的撓度、應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力、吊桿的拉力和拱肋的變形和內(nèi)力。針對明確的施工順序，建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，并采用一定的方法對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和索力加以控制，保證主拱圈在施工過程中的穩(wěn)定性，以確保該橋在施工過程中的安全，并保證在成橋后結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形處于設(shè)計(jì)控制的安全范圍內(nèi)［2］，為本橋安全、順利施工提供技術(shù)支持和保障。同時驗(yàn)證建模處理方法的合理性，為同類型橋梁的建模分析提供參考［3］。

2 工程概況

楊家溝跨延延高速公路大橋位于延安市境內(nèi)，全長150.03 m，其中第1#、2#墩間設(shè)60 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支拱跨延延高速公路。其梁部全長60.5 m，橋面縱坡通過拱肋與梁部剛性旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，吊桿垂直梁部布置。截面類型為單箱三室等高度簡支箱梁，梁高為2.2 m，梁部橋面板寬17.2 m，底板寬14.8 m。拱肋的計(jì)算跨度為58.5 m，矢跨比為f／L＝1∶4.84，拱肋立面投影矢高12.08 m，拱肋采用二次拋物線。拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°，呈提籃式，拱頂處兩拱肋中心距為10.21 m，拱管內(nèi)灌注C55補(bǔ)償收縮混凝土。

3 監(jiān)控目的及計(jì)算內(nèi)容

利用現(xiàn)場監(jiān)測手段得到各施工階段結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力和變形，跟蹤施工進(jìn)程和結(jié)構(gòu)發(fā)展情況［4］。根據(jù)施工監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)分析，及時提供信息反饋，確保施工順利進(jìn)行。施工監(jiān)控中在梁體內(nèi)部及拱肋埋設(shè)應(yīng)力測試元件，可用于橋梁施工完成后的運(yùn)營階段。監(jiān)測監(jiān)控是施工過程的安全保證措施，并為后期運(yùn)營提供安全耐久的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

通過全橋結(jié)構(gòu)有限元分析，計(jì)算各構(gòu)件在混凝土澆筑、系梁預(yù)應(yīng)力張拉、拱肋混凝土壓注、吊桿張拉及橋面施工等各截面的應(yīng)力和變形，為施工監(jiān)控提供理論依據(jù)。對系梁、拱、吊桿等關(guān)鍵截面、關(guān)鍵部位、關(guān)鍵工序進(jìn)行監(jiān)控，以指導(dǎo)施工，確保施工期間的結(jié)構(gòu)安全，并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)力要求，確保支架拆除方案對拱和系梁的影響控制在安全范圍內(nèi)。

4 施工控制體系及測試參數(shù)

4.1 施工控制體系

施工控制體系主要由現(xiàn)場測試、測量、監(jiān)控及計(jì)算組成，是一個集收集匯總、計(jì)算分析及信息反饋的過程。通過建立記錄表、指令表等制度實(shí)現(xiàn)施工方、監(jiān)理方及設(shè)計(jì)方協(xié)同合作，并以分析結(jié)果作為依據(jù)，供相關(guān)單位參考。

4.2 材料力學(xué)參數(shù)

在控制體系運(yùn)行過程中，需要采集的數(shù)據(jù)應(yīng)包含以下內(nèi)容:

（1）利用中心實(shí)驗(yàn)室，按照規(guī)范進(jìn)行混凝土的彈模試驗(yàn)，測定混凝土容重、彈模及強(qiáng)度等參數(shù)。

（2）按規(guī)范取得混凝土的收縮徐變系數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場施工進(jìn)行分析修正。

（3）除常規(guī)線形、應(yīng)力參數(shù)外，還應(yīng)考慮溫度對施工的影響。對于帶電熱偶的鋼弦應(yīng)變計(jì)，先測出電熱偶，再乘以標(biāo)定系數(shù)即可得出溫度［5］。

4.3 施工荷載參數(shù)

梁體荷載主要包含永久荷載、施工荷載及臨時荷載。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定梁體一期及二期總荷載，并按照施工實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，復(fù)核實(shí)際設(shè)計(jì)值。梁體所包括混凝土、鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)、后期鋪裝等所有永久性結(jié)構(gòu)均計(jì)算在內(nèi)，并應(yīng)用于模型上。施工及臨時荷載主要為施工過程中作用于梁體的人、材、機(jī)、振搗、約束等非永久性荷載，取最大值計(jì)算并根據(jù)實(shí)際情況對荷載進(jìn)行分布。

4.4 截面幾何參數(shù)

斷面幾何參數(shù)為對梁體的測定結(jié)果。梁體斷面存在的誤差對簡支拱結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算及結(jié)構(gòu)分析存在重要影響。在設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對主梁施工前、中、后進(jìn)行實(shí)測取得斷面參數(shù)，監(jiān)控過程能更準(zhǔn)確地反映其撓度變化。

5 應(yīng)力監(jiān)控方案

5.1 有限元模型

根據(jù)施工監(jiān)測監(jiān)控的具體要求和結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，本次采用MIDASCivil程序進(jìn)行計(jì)算和施工過程模擬［6］，包括截面特性計(jì)算、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算、混凝土收縮徐變計(jì)算、內(nèi)力與變形組合和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算等［7］。根據(jù)橋梁截面變化和施工模擬需要，全橋共劃分了349個節(jié)點(diǎn)和258個梁單元。

5.2 施工過程

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工方案，將施工具體劃分為8個階段。在梁體澆筑前及鋼結(jié)構(gòu)拼裝后安裝鋼弦式應(yīng)變傳感器，其量程大、精度高、非線性范圍大以及零漂、溫漂范圍微小，對測量精度基本無影響，且自身防護(hù)能力好，便于長期觀測，是應(yīng)變測量較理想的傳感元件［8］。

5.3 主梁鋼筋綁扎及混凝土澆筑階段

（1）預(yù)埋應(yīng)力監(jiān)測傳感器，為應(yīng)力監(jiān)控做準(zhǔn)備。

（2）預(yù)埋完成后調(diào)試儀器設(shè)備并讀取初讀數(shù)（包括溫度）。

應(yīng)力監(jiān)測傳感器埋設(shè)點(diǎn)如圖1所示，其中1#、5#斷面為拱腳斷面，2#斷面為1／4跨斷面，3#斷面為跨中斷面，4#斷面為3／4斷面。

圖1 系梁跨中（3#斷面）及其他斷面應(yīng)力測點(diǎn)布置

5.4 主梁預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉階段

（1）測量預(yù)應(yīng)力張拉前系梁各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量預(yù)應(yīng)力張拉后系梁各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

5.5 拱肋支架搭設(shè)階段

（1）測量拱肋支架搭設(shè)前系梁各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量拱肋支架搭設(shè)后系梁各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

5.6 拱肋及橫撐拼裝階段

（1）測量拱肋及橫撐拼裝前系梁各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量拱肋及橫撐拼裝后系梁各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

（4）安裝拱肋應(yīng)力檢測傳感器并讀取初讀數(shù)，為監(jiān)測拱肋應(yīng)力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。拱肋應(yīng)力檢測傳感器安裝如圖2所示，拱肋及橫撐拼裝階段模型如圖3。

圖2 拱肋應(yīng)力監(jiān)測斷面及測點(diǎn)布置

圖3 拱肋及橫撐拼裝階段模型

5.7 拱肋與支架脫離階段

（1）測量拱肋與支架脫離前系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量拱肋與支架脫離后系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

5.8 拱肋混凝土灌注階段

（1）測量拱肋混凝土灌注前系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量拱肋混凝土灌注后系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

5.9 吊桿安裝及張拉階段

（1）測量吊桿安裝及張拉階段前系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量吊桿張拉過程中系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

圖4 吊桿安裝及張拉階段模型

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

吊桿安裝及張拉階段建模如圖4。

5.10 主梁支架脫離及拆除階段

（1）測量主梁支架脫離及拆除前系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的初讀數(shù)（包括溫度）。

（2）測量主梁支架脫離及拆除后系梁和拱肋各預(yù)埋應(yīng)力傳感器的讀數(shù)（包括溫度）。

（3）與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)查找分析原因。

6 線形監(jiān)控

6.1 主梁支架預(yù)壓階段

在此階段線形監(jiān)控的目的是通過對主梁支架預(yù)壓，消除支架不可恢復(fù)變形和測量支架彈性變形和地基非彈性變形，為主梁模板立模標(biāo)高提供參考數(shù)據(jù)。通過在兩支點(diǎn)、跨中、1／4和3／4截面位置底模上設(shè)置觀測點(diǎn)，全程觀測預(yù)壓過程中支架變形。

6.2 主梁現(xiàn)澆階段

主梁現(xiàn)澆階段主要工作是埋設(shè)主梁線形觀測點(diǎn)，為以后各施工階段觀測主梁線形變化提供基礎(chǔ)。主梁分12段，每5 m一個位移監(jiān)控截面，主梁觀測點(diǎn)設(shè)置如圖5所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ四個斷面上布設(shè)3個位移測點(diǎn)，其他斷面上各布設(shè)5各測點(diǎn)。每隔一段時間對高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，以防止測點(diǎn)位置移動或破壞［9］。

圖5 主梁線形觀測截面

6.3 拱肋支架搭設(shè)階段

該橋采用先梁后拱方法施工，拱肋在支架上進(jìn)行拼裝。本階段主要工作有:

（1）觀測拱肋支架搭設(shè)過程中主梁各測點(diǎn)高程變化，從而確定主梁線形變化。

（2）觀察主梁支架，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)停止施工，找出原因并確定安全后方可繼續(xù)施工。

（3）在拱肋上安裝拱肋線形觀測點(diǎn)并讀取初始數(shù)據(jù)。拱肋線形觀測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 拱肋高程觀測斷面

各主要施工階段包括系梁澆筑、系梁張拉、拱肋拼裝、拱肋混凝土頂升、吊桿張拉、支架拆除等均進(jìn)行沉降觀測并建立記錄表。

7 應(yīng)力監(jiān)控過程控制及結(jié)果

7.1 數(shù)據(jù)采集

應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集隨著施工進(jìn)程同步進(jìn)行，應(yīng)力測量時間選擇在各關(guān)鍵施工階段完成后進(jìn)行［10］。各施工階段施工過程中，建立并統(tǒng)計(jì)主梁應(yīng)力測量記錄表、拱肋應(yīng)力測量記錄表、主梁沉降觀測記錄表及拱肋位移觀測記錄表。

7.2 數(shù)據(jù)處理

主梁預(yù)應(yīng)力張拉完成后，主梁應(yīng)力對照見表1。

表1 主梁應(yīng)力監(jiān)控對比 MPa

拱肋混凝土灌注完成后，拱肋應(yīng)力對照見表2。

表2 拱肋應(yīng)力監(jiān)控對比 MPa

7.3 結(jié)果分析總結(jié)

（1）應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，在整個施工過程中，簡支拱梁體混凝土中的應(yīng)力測得數(shù)據(jù)均在規(guī)范容許的范圍之內(nèi)。上緣最大應(yīng)力測得為受壓8.05 MPa，最小壓應(yīng)力為5.43 MPa；下緣測得最大應(yīng)力為受壓5.74 MPa，最小壓應(yīng)力為2.87 MPa，且沒有拉應(yīng)力存在。從以上結(jié)果可以看出，本橋應(yīng)力在規(guī)范要求上緣最大壓應(yīng)力8.9 MPa，最小壓應(yīng)力2.0 MPa；下緣最大壓應(yīng)力6.9 MPa，最小壓應(yīng)力1.8 MPa的允許范圍和設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。由于實(shí)際檢測過程中砼收縮徐變、溫度、施工等各種因素的影響，與理論計(jì)算值相比，大部分實(shí)測應(yīng)力較大且較離散，屬于正常現(xiàn)象。

（2）線形監(jiān)控結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，線形監(jiān)控結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。系梁及拱肋三維坐標(biāo)準(zhǔn)確，預(yù)埋件定位精準(zhǔn)，位移偏移實(shí)際測量值與設(shè)計(jì)值誤差在允許范圍內(nèi)，主梁沉降監(jiān)控及拱肋軸線符合設(shè)計(jì)要求。

（3）吊桿索力監(jiān)控結(jié)果

經(jīng)施工監(jiān)控、索力測試及計(jì)算分析，吊桿力控制較均勻，實(shí)測值與設(shè)計(jì)值誤差均在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié)束語

橋梁施工監(jiān)控是通過施工架設(shè)全過程的仿真計(jì)算和實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測，通過過程監(jiān)控和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力和線形理想目標(biāo)狀態(tài)［11］。需要對系桿拱橋每一個施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)算，求出主梁的撓度、應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力、吊桿的拉力和拱肋的變形及內(nèi)力。針對明確的施工順序，建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，并采用一定的方法對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和索力加以控制，通過數(shù)據(jù)分析判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估與監(jiān)控［12］。確保主拱圈在施工過程中的穩(wěn)定性，保證該橋在建造過程當(dāng)中的安全性，在成橋后結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài)和形變處于設(shè)計(jì)控制的安全范圍內(nèi)，為本橋安全、順利建成提供技術(shù)保障。