橋梁高墩垂直度主動控制分析

作者簡介：朱小林（1985—），碩士，高級工程師，研究方向：橋梁工程。

摘要：為確定主動控制法對橋梁高墩垂直度的控制效果，文章結(jié)合橋梁高墩施工案例對計算結(jié)果和實測結(jié)果進行對比分析。分別在橋梁高墩四個方向布置兩排測點，通過檢測確定溫度場的分布情況，對比分析有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果，得出各方向偏差均＜10 mm，說明主動控制法計算結(jié)果準(zhǔn)確，可通過預(yù)先調(diào)整有效控制橋梁高墩的垂直度。

關(guān)鍵詞：橋梁高墩；垂直度；主動控制法；溫度場

中圖分類號：U443.22A431494

0 引言

在高速公路穿越山嶺地區(qū)時，地勢起伏大，在大高差地區(qū)架設(shè)橋梁時需設(shè)置高墩，其中空心薄壁墩是最常見的形式之一。在日照輻射作用下高墩垂直度會產(chǎn)生一定的變化，影響高墩的施工精度。而在不同時段、不同位置墩身內(nèi)部的溫度場存在較大的差異，墩身內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)也存在一定差異，因此在施工過程中應(yīng)重視溫度對高墩的影響，做好溫度的檢測，否則會影響現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。高墩橋梁在溫度荷載的作用下會產(chǎn)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至影響墩身線形。相關(guān)研究結(jié)果表明，墩身內(nèi)部整體溫度的變化對高墩的內(nèi)力和變形影響較小，而由于日照的影響會造成橋墩側(cè)向的撓曲變形等。如果由于日照溫度的影響造成高墩內(nèi)力和變形超限，則會影響橋梁施工穩(wěn)定性。

以往普遍采用穩(wěn)定溫度場法控制高墩垂直度，即選擇一個墩身溫度場比較穩(wěn)定的時刻進行關(guān)鍵指標(biāo)的控制，以降低溫度變化對現(xiàn)場實測結(jié)果的影響，但這種方式受現(xiàn)場施工進度要求的影響往往很難落實。因此，應(yīng)選擇在各個日照時刻均能進行關(guān)鍵指標(biāo)的控制方法，在不影響現(xiàn)場施工的前提下控制高墩變形，而主動控制法能滿足要求，最大限度地降低對橋梁高墩施工的影響。本文結(jié)合某特大橋高墩施工項目，在高墩施工過程中采用主動控制法對高墩垂直度進行控制，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析控制效果。

1 橋梁高墩垂直度主動控制法

主動控制法是在橋梁高墩溫度場已知的情況下，根據(jù)施工現(xiàn)場實測的溫度變形調(diào)整高墩立模標(biāo)高和平面位置，通過主動預(yù)偏的方式對高墩垂直度進行控制。主動控制法不受施工實踐和施工溫度的影響，操作靈活，具有較好的適用性。主動控制法也被稱為預(yù)偏法，其通過有限元模擬或?qū)崪y橋梁高墩溫度場分布，計算橋墩模板

上各控制點的偏移量，并根據(jù)計算量進行提前預(yù)偏。當(dāng)橋墩內(nèi)部溫度場分布均勻后，預(yù)偏后橋墩上各控制點就會恢復(fù)到設(shè)計理論位置，達到控制橋墩垂直度的目的。

在高墩施工過程中，由于墩身內(nèi)部溫度場分布不均勻，在混凝土澆筑過程中容易產(chǎn)生側(cè)向偏移，造成墩身垂直度產(chǎn)生偏差；而墩身下一節(jié)段頂點的坐標(biāo)是在高墩內(nèi)部溫度場分布均勻的情況下計算得到的，但施工現(xiàn)場很有可能出現(xiàn)溫度場不均勻的情況，如考慮不全面很容易導(dǎo)致高墩垂直度產(chǎn)生較大偏差。因此，要在墩身真實溫度場下計算得到墩頂主要控制點坐標(biāo)修正值，根據(jù)修正值對模板進行預(yù)偏處理，主動控制高墩垂直度。

2 高墩垂直度主動控制方案

2.1 工程概況

某高速公路特大橋為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，采用雙向四車道分離式設(shè)計。其中左線橋梁全長821 m，橋跨組合為（3×40） m+（3×40） m+（86+160+86） m+（3×40） m+（3×40） m，起終點耳墻總長度為9 m；右線橋梁全長為861 m，橋跨組合為（3×40） m+（3×40） m+（86+160+86） m+（3×40） m+（4×40） m，起終點耳墻總長度為9 m。主橋設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，采用C55混凝土;引橋采用先簡支后連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)，7^#和8^#主墩設(shè)計采用雙肢變截面矩形空心墩，采用C50混凝土。橋梁主墩構(gòu)造如圖1所示。

橋梁所處區(qū)域地形地質(zhì)情況復(fù)雜，相對高差較大，主橋為高墩，其中主橋7^#墩高度為90 m，為該橋最高墩。橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計樁徑為2.2 m，主橋每墩設(shè)置12根樁。主橋7^#、8^#墩位于山谷中，墩身高度最大，擬采用翻模施工法。由于橋梁高墩施工過程中受日照影響較大，墩身內(nèi)部的溫度場會產(chǎn)生一定的變化，在日照溫度荷載的作用下墩身垂直度也會產(chǎn)生一定程度的變化。因此，在充分考慮日照影響的情況下采用主動控制法對高墩的垂直度進行監(jiān)控。

2.2 橋梁高墩垂直度主動控制方案

2.2.1 控制標(biāo)準(zhǔn)和儀器設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)行《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT 3650-2020），橋梁高墩垂直度控制標(biāo)準(zhǔn)如下：高墩施工過程中各角點偏差≤10 mm，斷面尺寸偏差≤20 mm，傾斜度為墩高的1/3 000且≤20 mm。為保證測量精度，現(xiàn)場監(jiān)控采用全站儀，混凝土內(nèi)部溫度測量采用JMZX-2000A綜合測試儀。

2.2.2 現(xiàn)場主動控制操作方法

首先根據(jù)設(shè)計文件中的成橋預(yù)留值，確定當(dāng)前施工階段模板頂端的理論平面位置。在進行模板校核前1 h對高墩內(nèi)部溫度進行檢測，確定墩身內(nèi)部的溫度場分布情況，根據(jù)有限元模型計算得到墩頂偏位△d，通過計算確定模板四個頂點的坐標(biāo)偏移值，再根據(jù)模板的初始坐標(biāo)確定墩頂最終坐標(biāo)值。

根據(jù)上述計算得到的墩頂最終坐標(biāo)值采用全站儀放樣，確定墩頂待校核模板四個頂點的平面位置。放樣盡量選擇無風(fēng)或微風(fēng)天氣，以減少風(fēng)荷載對放樣位置的影響。放樣后固定模板，使用全站儀對待校核模板四個頂點平面位置進行校核，將實測坐標(biāo)與理論計算結(jié)果進行對比，如偏差≤2 mm，可進行下一道工序施工，否則重新測量、校核模板。

2.2.3 有限元計算模型的驗證

為驗證Midas有限元計算模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比分析，確定模型模擬的可靠性。在施工間歇期，對7^#墩的溫度場變化情況和變形情況進行監(jiān)測，與有限元計算模型數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比，所選取的5組墩頂位移偏差數(shù)據(jù)（現(xiàn)場實測與計算結(jié)果）對比如表1所示。

對比分析表1數(shù)據(jù)可知，各高度墩頂位移偏差實測值均高于計算值，且隨高度增加二者偏差也不斷增加，這是由于隨高度增加誤差累積造成的。但計算誤差是可以通過規(guī)范化操作控制的，故不需要對有限元模型計算結(jié)果進行修正。

3 日照狀態(tài)下橋梁高墩內(nèi)部溫度場分布分析

為研究高墩內(nèi)部溫度場分布情況，分別在墩身各測點內(nèi)部布置JMZX-2000A綜合測試儀，測試高墩內(nèi)部各測點的溫度，分析確定高墩內(nèi)部溫度場的分布情況。本文選取7^#高墩作為研究對象，在天氣晴朗的情況下，選取8月10日下午14：00開展檢測，對炎熱季節(jié)日照狀態(tài)下墩身東、西、南、北四個方面的墩身溫度進行檢測，分析在日照狀態(tài)下墩身內(nèi)部的溫度分布情況。橋墩每側(cè)布置兩排測點，沿墩身軸線對稱，繪制各位置高墩內(nèi)部溫度變化曲線如圖2和圖3所示。

分析圖2、圖3曲線變化趨勢可知，高墩各側(cè)兩排測點的溫度變化趨勢基本一致，說明橋墩內(nèi)部溫度分布基本上是均勻的。另外，只要確定橋墩各側(cè)面厚度方向墩壁的溫度分布情況，就可以確定高墩內(nèi)部溫度的分布情況。因此，可以以上述溫度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用有限元軟件分析計算橋墩的垂直度偏差，為在施工過程中開展主動控制提供參考依據(jù)。

4 橋梁高墩垂直度主動控制結(jié)果分析

本文選取7^#墩作為研究對象，墩身主要控制角點布置如圖4所示。由于混凝土澆筑初期受溫度影響較小，選擇30～90 m段垂直度矯正數(shù)據(jù)開展研究。因現(xiàn)場數(shù)據(jù)量較大，僅選取墩身三個高度的數(shù)據(jù)。各高度四個角點理論坐標(biāo)、坐標(biāo)偏差和放樣坐標(biāo)如表2所示。其中，x軸為南北方向，y軸為東西方向，z軸為上下方向，向上為正。

根據(jù)施工監(jiān)測方案，在墩身控制截面混凝土澆筑完成后開展測量，對高墩垂直度偏差進行檢測。為了降低日照溫度對測量結(jié)果的影響，通常選擇在第二天日出之前對墩身控制截面四個角點的坐標(biāo)開展測量，這個時間段墩身內(nèi)部溫度場分布比較均勻。將現(xiàn)場實測結(jié)果與理論坐標(biāo)值進行對比分析，得出坐標(biāo)偏差匯總?cè)绫?所示。

分析表3數(shù)據(jù)可知，所選的5個控制截面四個角點坐標(biāo)的現(xiàn)場實測值與理論計算值偏差均＜10 mm，說明各控制截面縱橫向偏差均滿足設(shè)計與規(guī)范要求，采用主動控制法可有效降低各主要控制點偏差，能在施工過程中有效控制高墩垂直度。

5 結(jié)語

本文以90 m橋梁高墩施工為研究背景，通過分析高墩垂直度主動控制法工作原理，從控制標(biāo)準(zhǔn)、儀器設(shè)備、現(xiàn)場主動控制操作方法和有限元計算模型的驗證等方面制定橋梁高墩垂直度主動控制方案。以7^#墩為例，布置測點對橋梁高墩東西南北四個面的溫度場分布情況進行檢測，得出高墩內(nèi)部溫度場分布情況基本處于均勻狀態(tài)。通過對比分析有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果，得出二者偏差較小，＜10 mm，說明采用主動控制法達到了高墩垂直度精度，具有較好的適用性。

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