大型橋梁線形控制監測技術應用與研究

張俊仁

(沐城測繪(北京)有限公司, 北京 100102)

0 引言

近些年,伴隨高速鐵路建設的快速發展,大型橋梁建設也隨之空前發展,不僅帶動了諸如設計、勘測、施工等相關產業的發展,也促進了沿線城市經濟的快速增長。與此同時,大型橋梁建設的施工及運營安全可靠性也逐漸成為社會及管理部門普遍關注的重點問題。

為保證橋梁施工期間的安全可靠及運營期間的行車安全舒暢等,在其施工期間進行過程監測監控,已成為橋梁建設過程中的重要環節[1]。由于成橋的線形與內力受諸如材料性能、立模標高、施工工藝等因素影響[2],若施工過程中橋梁線形控制不嚴,將會影響正常合龍,甚至給后期運營造成長期隱患。因此,一方面必須在橋梁施工過程中利用測量手段對重要的數據進行采集,及時掌握結構狀態,并不斷地通過計算修正參數,來調整和控制主梁立模標高及軸線位置[3],最終使成橋后的線形符合設計標準。另一方面由于施工中的各種狀況與理想狀態下的設計假定往往存在差異,因此還必須對關鍵控制截面進行應力監測,對比結構實際狀況和設計狀況的差異,為結構主要計算參數識別提供依據[4]。

1 工程概況

云南新亞美谷物流園鐵路專線螳螂江特大橋為兩聯6跨預應力混凝土連續梁橋,跨徑組合為(48+80+51.15)+(51.15+80+48)m。上部結構采用單箱但是直腹板、變高度梁體結構,下部基礎均采用灌注樁基礎,中支點截面箱梁中心線處高6.0 m,跨中及邊跨直行段箱梁中心線處高3.3 m;梁部混凝土為C55;采用三向預應力體系。該橋用掛籃懸臂澆筑施工,共分4個T構對稱澆筑,懸臂澆注0～9#共10個梁段,中跨合龍段為2 m,中跨合龍后懸臂澆注部分邊跨段,最后為邊跨合龍。

2 線形控制監測目的

線形控制監測是通過對墩頂標高、懸臂梁頂面標高、主梁立模標高、主梁頂面高程、對稱截面高差、多跨線形通測、結構幾何形狀等數據采集結合仿真分析、建模計算等過程對在建橋梁結構實施的動態監控過程。根據監測數據分析計算每個節段澆注的立模高度,并預測和調整下一節段的立模高度[5],確保分段施工后的合龍精度及成橋后的線形符合要求。同時在橋梁分段施工中,校核實測應力與理論計算應力符合情況,掌握結構狀態,指導和控制參數調整,來確保結構安全[6]。

3 線形控制監測

3.1 主梁線形監測

3.1.1墩頂測點布置

利用橋梁沿線兩側的控制網點,采用全站儀后方交匯法測出線路外預設基點的三維坐標[7]。將該點作為箱梁高程的水準基點并定期聯測。

以0#塊為例,布設高程觀測點來控制底板的設計標高,并作為后續各懸澆節段的高程基準。0#塊的頂板共布設6個觀測點,為方便梁底標高的獲取,在箱梁里側墩頂橫隔板處增設一高程控制點。0#塊測點位置如圖1，其他塊參照0#布置。

圖1 0#塊高程觀測點布設示意圖

3.1.2截面測點布置

圖2 懸臂前端觀測點布設示意圖

各梁段的觀測點采用預埋方式,布設位置要求便于梁體標高的數據采集及成橋后線形的復測,并采取保護措施。各梁段高程觀測點布設在梁段底板前端處,在澆筑過程中采取保護措施。梁段懸臂前端觀測點的布設如圖2所示,其底板觀測點可用來控制梁底標高,亦可對梁段標高進行精確控制。

3.1.3主梁平面線形控制測量

主梁各階段的平面線形控制測量均在拆模后采用高精度全站儀進行。線形控制測量步驟如下:

(1)主梁各節段的線形觀測

在懸澆節段的過程中,每個梁段均在懸臂底板布置測點進行監測。

(2)調整模板標高時測量

監控小組現場對底模進行精確測設,使測設的模板標高與立模標高精確符合,誤差不超過、-0～+10 mm。

(3)混凝土澆筑完后測量

在混凝土澆筑完,并且達到測量條件后,將該梁段的2個底板測點與上1個澆筑梁段的梁頂測點聯測。

(4)預應力張拉前測量

在混凝土養護時間滿足預應力鋼筋張拉條件的前半日內,對該梁段2個底板測點進行測量。

(5)預應力張拉后測量

在該梁段預應力張拉完并且模板拆除后半日內對該梁段2個底板測點進行測量。

(6)施工過程現場巡視

在每一道工序現場巡視主梁情況,并做好詳細記錄,發現異常上報。

(7)多跨線形的通測

為確保全橋線形的協調性,除各跨須滿足線形控制要求外,還須對主梁全程線形進行多次通測。

3.1.4施工過程控制精度要求

滿足《鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》TB10415的要求,主梁懸臂澆筑時,施工控制精度如下:

(1)立模標高允許偏差:10,-0 mm

(2)梁段軸線偏差≤15 mm;

(3)梁段頂面高程差:±10 mm;

(4)合龍段相對高程差合龍段長的1/100,

≤15 mm;

(5)懸臂梁段高程:-5≤h≤15(mm)。

3.2 主梁應力監測

3.2.1應力監測點布置

鑒于結構的對稱性,以變截面梁段為重點監測,監測點布設原則為T構的左右側交替埋設,分別布設在梁段的頂板中間及腹板外側鋼筋,梁高>4 m的布設3個,梁高<4 m布設2個,監測點均沿縱向布設,測縱向應變。各斷面測點布置如圖3所示。

圖3 梁體斷面監測點布置示意圖

3.2.2測試儀器

采用預埋振弦式應力計,量測精度控制在±1.0/100(F·S)以內,量程:±1 500 με。

3.2.3測試方式

將待埋設的應力計按測試方向在主筋上固定,并將導線引到箱梁頂面,如圖4所示。每個施工節段混凝土澆筑完成并且預應力張拉后,均測試應力。根據施工單位提供的混凝土彈性模量的實驗值進行應力計算。

圖4 應力傳感器布設示意圖

4 理論計算分析

4.1 理論計算分析的目的及任務

本案例為大跨度橋梁,施工過程及工序復雜,影響成橋后的線形與受力參數因素較多,包括結構剛度及自重、施工荷載、混凝土收縮徐變、溫度等[3]。而在線形控制計算立模標高時,都事先將這些參數假定為理想值。因此施工中可能會存在實際值與設計值不一致的情況,為了降低這種不一致性,在施工過程中需要對影響線形和受力的參數進行現場采集,判定結構狀態。同時通過計算,分析每個參數對主梁線形影響程度,進而調整和修正待澆注的主梁立模標高[8]。

因本橋為預應力混凝土連續梁橋,采用分節段逐步完成的懸臂施工方法,施工過程漫長而且復雜,因此在施工過程當中需要對每個階段進行變形計算和受力分析[1]。為了達到線形控制的目的,首先要依據設計資料對橋梁施工期間的受力及變形進行有限元分析計算,確定每個階段理想的受力和變形狀態,據此指導和控制每個階段的結構施工,并最終確保成橋后的線形和受力能夠符合設計標準。

4.2 有限元模型建立

結構有限元分析的內容有:按照施工既定工序,結合設計基本參數,對結構進行正裝、形變分析、控制截面應變、應力及內力計算、結構預拱度計算分析,以確定立模標高[9]。常用的有限元計算軟件有MIDAS/Civil、ANSYS和橋梁博士等。

本橋采用有限元計算軟件MIDAS/Civil建立有限元計算模型進行分析,將主梁每個節段劃分為2個單元,主梁共劃分為106個單元。通過模擬該橋的施工過程,預測各施工狀態下的受力和理論變形。全橋有限元計算模型如圖5所示。

圖5 全橋有限元計算模型

根據既定的施工流程模擬本橋的施工過程。結合懸臂澆注施工方法,本橋的主要施工階段為懸臂施工0#塊-9#塊,中跨合龍,懸臂澆筑部分邊跨段12#和13#塊,邊跨合龍。每個主梁節段施工分掛籃前移,混凝土澆筑,以及預應力張拉3個階段。該橋施工過程共劃分了43個施工階段,詳細施工過程見表1。

表1 連續梁施工階段劃分

4.3 數據處理

結構計算主要提供如下控制數據:

(1)各施工梁段的計算撓度值

①箱梁結構體自重、預應力及混凝土收縮徐變所引起的懸臂前端撓度值;

②掛籃彈性變形;

③活載撓度值。

(2)各施工梁段的立模標高

本橋作為大跨度連續梁橋,其懸臂施工過程中撓度控制是施工控制的關鍵[10]。其目的是將計算結果以及各節段實測數據與設計計算結果比對,通過調整梁段預拱度值,確保成橋線形符合設計預期[11]。懸臂澆筑各節段立模標高計算公式如下:

(1)

式中:Hlmi為i節點的立模標高,其中i節點為待澆筑段箱梁底板前端點;Hsji為i節點的設計標高,因設計時提供的是軌底標高,所以各節段梁底的設計標高應按照設計軌底標高和梁高反推出來;∑fdi為i節點在施工過程中由恒載引起的向下的撓度累積值;fli為i節點由靜活載所引起的撓度值;fgl為掛籃彈性變形量。

5 線形控制監測結果

5.1 主梁線形

5.1.1合龍后全橋標高

在螳螂江大橋各節段施工監控中,根據實測前期梁段的高程,計算本段梁體施工及后續梁段施工對本段梁體變位的影響,以及本段梁體的立模標高,保證橋梁合龍精度和成橋線型符合設計要求。在每節段主梁施工中,提供了梁段的立模標高,實測了混凝土結硬后及張拉鋼束后梁體的標高。以7#墩墩為例,主跨合龍后,在跨中鋼束張拉之前全橋梁底高程具體數值見表2。

表2 7#-墩全橋合龍后梁底高程 單位:m

螳螂江大橋合龍后,橋梁梁底的成橋線形與理論標高差值符合成橋線形和橋面高程的設計要求。

5.1.2施工過程中橋梁標高

施工過程中各節段標高和變形數據很多,也不一一列出,以7#墩主要梁段標高和變形為例,變化見表3和表4。

施工過程中,梁底實測標高與理論標高差值大部分控制在2 cm以內,符合設計要求。

表3 7#墩-8號塊(邊跨側)實測標高和變形 單位:m

表4 7#墩-8號塊(中跨側) 實測高程和變形 單位:m

5.2 主梁應力

5.2.1合龍后主梁應力

跨中合龍時,以7#墩為例,主橋底、頂板應力實際測試值與理論計算值見表5和表6。

表5 主橋7#墩底板應力 單位:MPa

表6 主橋7#墩頂板應力 單位:MPa

實測主橋底、頂板混凝土未出現拉應力,混凝土無開裂現象。

實測主橋頂、底板混凝土最大壓應力小于12.0 MPa,實測與設計的差值指標均滿足規范要求,應力實測值與理論計算值符合良好。

5.2.2施工過程主梁應力

因施工過程中測點應力數值太多,僅以8#墩0號塊測點隨施工階段變化的情況為例,詳見表7。

表7 8#墩-0號塊應力隨施工過程變化 單位:MPa

實測8#墩0號塊頂、底板混凝土均未出現拉應力,混凝土無開裂現象。實測8#墩0號塊底、頂板混凝土最大壓應力均小于12.0 MPa,滿足相應規范要求,應力實測值和理論計算值符合良好。

6 結束語

盡管設計人員在橋梁設計時盡可能考慮了施工中出現的情況,但是由于影響因素太多,事先難以精確估計,因此在施工過程中對梁體結構進行動態監測,并根據監測結果對施工過程中的控制參數進行相應調整是保證橋梁質量的重要一環[12]。

本案例經理論計算和現場監控驗證,各施工工序引起的橋梁變位的實測值和理論值符合良好,各施工階段高程控制準確,誤差在規范允許范圍之內,成橋線形流暢,達到線形控制的預期目標。但根據本項目特點,為保證橋梁運營質量,除施工過程的監測監控外,后期還應進行靜動載實驗及運營階段的狀態監測。同時根據后期監測資料分析研究混凝土收縮徐變對本橋的影響程度,為今后同類型橋梁提供借鑒資料。