特殊結(jié)構(gòu)橋梁的施工監(jiān)控方案研究

門廣鑫

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 工程概述

某橋全長295m，橋?qū)?6m，主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橫斷面采用單箱多室形式，在橋梁中央分隔帶范圍內(nèi)設(shè)置月亮形斜拉主塔，塔高60m，主塔在橋面以上采用鋼結(jié)構(gòu)，塔腳采用混凝土結(jié)構(gòu)，并設(shè)置鋼混過渡段，內(nèi)外側(cè)斜拉索均采用3根直徑15.2mm的鋼絞線組成，全橋斜拉索共64根，其中外拉索18對(36根)，內(nèi)拉索28根。橋梁總體照片見圖1。

2 施工監(jiān)控的內(nèi)容及目標(biāo)

2.1 施工監(jiān)控的具體內(nèi)容

(1)在主塔制作時提供無應(yīng)力制造線形及節(jié)段尺寸。

(2)各施工階段下主梁及主塔偏位及變形情況。

(3)提供無應(yīng)力狀態(tài)下的內(nèi)、外斜拉索的長度。

(4)提供索力初始張拉值及各施工階段的索力值。

(5)各施工階段下主梁及主塔各控制截面的控制應(yīng)力。

(6)施工過程中各階段的監(jiān)控仿真計算。

2.2 施工監(jiān)控的目標(biāo)

施工監(jiān)控有兩方面目標(biāo)：一是實(shí)現(xiàn)設(shè)計文件所規(guī)定的成橋狀態(tài)；另一方面是保證結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全。主要通過對該橋施工期間的橋梁結(jié)構(gòu)線形、應(yīng)力及索力等參數(shù)進(jìn)行有效地控制和調(diào)整，保證實(shí)際結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力和變形始終處于可控、安全及合理的范圍內(nèi)，并且在成橋后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形均符合設(shè)計要求。

依據(jù)該橋施工監(jiān)控招標(biāo)文件以及適用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求，橋梁施工監(jiān)控參數(shù)的控制目標(biāo)如下：

(1)線形控制：在各階段施工過程中，給出各構(gòu)件的空間坐標(biāo)位置以及主梁控制點(diǎn)標(biāo)高，保證成橋后線形平順。確保橋面系實(shí)際成橋標(biāo)高與目標(biāo)成橋標(biāo)高之間的誤差不大于15mm，主梁軸線偏差不超過10mm；索塔結(jié)構(gòu)的累計偏位誤差不應(yīng)大于30mm。

(2)索力監(jiān)測與控制：提出斜拉索的無應(yīng)力索長，提出合理的斜拉索安裝順序及張拉方案，并進(jìn)行優(yōu)化。隨著施工的進(jìn)行，對每一根斜拉索的張拉以及橋面鋪裝的施工等相關(guān)工況的索力進(jìn)行全過程監(jiān)測，結(jié)合索塔的空間位置偏位情況,分析橋梁的實(shí)時受力狀況，確保結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全，成橋索力的實(shí)測值與理論值的誤差應(yīng)控制在5%的范圍內(nèi)。

(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制：在施工過程中，隨時監(jiān)測主塔及主梁的各控制截面應(yīng)變，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)力在容許范圍內(nèi)。

3 橋梁施工階段的模擬分析

3.1 有限元模型的建立

施工過程中各階段的模型采用有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行建立，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)線形、內(nèi)力及索力的分析和控制。主塔鋼結(jié)構(gòu)、鋼混過渡段、主梁等采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元，成橋模型共劃分810個單元，節(jié)點(diǎn)962個，有限元模型如圖2所示。

3.2 施工過程的模擬

該橋施工主要包括基礎(chǔ)、墩柱及系梁、塔腳、主塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝、連續(xù)梁澆筑、分批張拉斜拉索、二期恒載施工、調(diào)索等過程。具體施工階段及相應(yīng)的施工監(jiān)控如下：

(1)施工準(zhǔn)備，三通一平。

(2)樁基及承臺施工。

(3)主塔墩、中墩及橋臺的施工。

(4)塔腳、鋼混結(jié)合段施工，同時根據(jù)模型計算，提供主塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝節(jié)段的加工尺寸(無應(yīng)力長度)。主塔鋼結(jié)構(gòu)劃分共為八個吊裝節(jié)段，其無應(yīng)力尺寸是根據(jù)設(shè)計文件提供的成橋尺寸計算確定，計算溫度與設(shè)計溫度一致，施工單位在鋼結(jié)構(gòu)制作時應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)加工溫度與設(shè)計文件提供的成橋拼裝溫度的差異對吊裝節(jié)段無應(yīng)力尺寸的影響。

(5)主塔鋼結(jié)構(gòu)吊裝：搭設(shè)臨時支架，按設(shè)計文件進(jìn)行主塔分段鋼結(jié)構(gòu)的吊裝、焊接，在這個階段，預(yù)先提供吊裝過程中每一節(jié)段的坐標(biāo)值，以此作為目標(biāo)值進(jìn)行施工控制。

(6)滿堂支架法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁的施工。

(7)安裝并張拉斜拉索：預(yù)先提供斜拉索的無應(yīng)力長度，根據(jù)結(jié)構(gòu)倒拆計算，確定斜拉索分批張拉順序以及張拉力值。在施工過程中，在提供斜拉索的初始張拉力值的同時，給出每一批次張拉后主塔鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段的對應(yīng)坐標(biāo)值，進(jìn)行施工控制。斜拉索以對稱張拉，并盡量保持內(nèi)外平衡的原則進(jìn)行。

(8)拆除主塔臨時支架階段：提供該階段索力值及主塔鋼結(jié)構(gòu)分段的坐標(biāo)值，并進(jìn)行施工控制。

(9)橋面鋪裝及附屬結(jié)構(gòu)施工：提供該階段索力值及主塔鋼結(jié)構(gòu)分段的坐標(biāo)值，并進(jìn)行施工控制。

(10)調(diào)整索力至設(shè)計目標(biāo)索力，此時，主塔鋼結(jié)構(gòu)線形與設(shè)計目標(biāo)線形的誤差應(yīng)滿足監(jiān)控目標(biāo)的要求。

4 橋梁施工監(jiān)控測點(diǎn)布置及測試方法

該橋梁的施工監(jiān)控內(nèi)容主要包括：溫度監(jiān)測、線形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、索力測試等。

4.1 溫度監(jiān)測

溫度變化，特別是溫差的變化，對于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響是顯著且復(fù)雜的。為修正氣溫和橋梁各部位溫度對各項參數(shù)測量的影響，需在監(jiān)控測量過程中實(shí)時對溫度參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

針對該橋的結(jié)構(gòu)形式及監(jiān)控部位，在主梁、主塔、斜拉索分別布置溫度監(jiān)控測點(diǎn)，總計30個測點(diǎn)，采用熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行溫度測量。

4.2 線形監(jiān)測

線形監(jiān)測主要包括主塔和主梁線形監(jiān)測，其中主塔線形采用全站儀、主梁線形采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。

主塔線形監(jiān)測：在主塔鋼結(jié)構(gòu)每個預(yù)制節(jié)段上、下游側(cè)面的焊縫位置附近各設(shè)置2個線形監(jiān)測點(diǎn)，用以監(jiān)測主塔在各施工階段的空間偏位，全橋共設(shè)68個主塔線形監(jiān)測點(diǎn)，具體布置形式見圖3。

主梁線形監(jiān)測：在全橋所有孔跨的支點(diǎn)、L/4、L/2、3L/4截面布置測量斷面，每一斷面在橫橋向距兩側(cè)路緣30cm位置布置監(jiān)測點(diǎn)，共132個測點(diǎn)，具體布置形式見圖4。

4.3 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力測試截面一般根據(jù)模型計算的控制截面確定，原則上應(yīng)包含以下幾個方面：主梁成橋狀態(tài)下的最大正、負(fù)彎矩截面，主塔及其塔腳的應(yīng)力控制截面以及從設(shè)計角度考慮的其他控制截面。

主塔應(yīng)力監(jiān)測：

(1)在主塔每道焊縫位置上、下游內(nèi)外弧表面豎向跨越焊縫各布置一個應(yīng)力測點(diǎn)，共60個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)。

(2)主塔根部的鋼混過渡段是整個結(jié)構(gòu)承受彎矩最大的部位，且結(jié)構(gòu)及受力狀態(tài)相對復(fù)雜，因此，在主塔鋼混過渡段內(nèi)部兩側(cè)端板附近，上、下游側(cè)頂面、底面縱向鋼筋上各布置一個鋼筋應(yīng)力測點(diǎn)，上、下游側(cè)中部各布置一個混凝土軸力測點(diǎn)；共12個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測鋼混過渡段的受力情況。主塔共72個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測主要采用振弦傳感器及讀數(shù)儀。

主梁應(yīng)力監(jiān)測：在全橋所有孔現(xiàn)澆箱梁的L/4、L/2、3L/4截面處，箱梁3#、4#箱室腹板中部對應(yīng)底面位置，各布置1個應(yīng)力測點(diǎn)；主梁共96個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)。

4.4 索力監(jiān)測

斜拉索的索力檢測方法很多，主要包括壓力傳感器法、液壓表法、頻率法和磁通量法，監(jiān)控過程中根據(jù)不同的測試環(huán)境及精度要求提早進(jìn)行選用。在該橋的施工監(jiān)控過程中計劃采用液壓表法和頻率法對所有斜拉索的索力進(jìn)行監(jiān)測，其中在斜拉索張拉過程中采用液壓表法，通過千斤頂張拉油缸中的液壓與張拉力的換算關(guān)系，控制索力張拉至階段控制值；在所有斜拉索張拉到位后，進(jìn)行其他工序及二次調(diào)索時采用頻率法進(jìn)行檢測，對40m左右的短索檢測時，索的抗彎剛度及邊界條件會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，一般會帶來5%～10%的偏差，為了抵消其影響可取索端錨固點(diǎn)之間的距離與兩端連接器長度之差作為索的計算長度，或在斜拉索加工廠進(jìn)行索力標(biāo)定確定拉索的合理計算長度。

5 結(jié)語

特殊結(jié)構(gòu)橋梁雖然具有造型美觀、跨越能力大、受力合理等特點(diǎn)，但由于其屬于受力復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，且施工難度較大，因此，橋梁施工監(jiān)控是施工過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。列舉實(shí)例對特殊結(jié)構(gòu)橋梁監(jiān)控的內(nèi)容、目的以及測試方法進(jìn)行了全面介紹，并提出了關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)的測點(diǎn)布置等相關(guān)建議，為類似橋梁的施工監(jiān)控方案設(shè)計提供參考。