大跨徑連續(xù)梁橋的施工控制研究

摘要：文章基于南流江大橋項(xiàng)目，建立了Midas有限元軟件模型，采用自適應(yīng)控制法對(duì)橋梁每個(gè)施工階段的線形和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)分析，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以評(píng)估橋梁的狀態(tài)。結(jié)果表明：主橋?qū)崪y(cè)標(biāo)高和設(shè)計(jì)標(biāo)高偏差＜9 mm；主橋截面實(shí)測(cè)應(yīng)力和理論應(yīng)力變化趨勢(shì)相符，數(shù)值偏差在1.4 MPa以內(nèi)，成橋處于安全可控狀態(tài)。研究結(jié)果可為類似橋梁的線形和應(yīng)力控制提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：大跨徑連續(xù)梁橋；線形控制；應(yīng)力控制

中圖分類號(hào)：U448.21+5

0 引言

連續(xù)梁橋作為重要的橋梁類型之一，具有結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)異、變形量小、抗震性能強(qiáng)、外觀簡(jiǎn)潔等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著材料科學(xué)和懸臂掛籃施工技術(shù)的發(fā)展，大跨徑連續(xù)梁橋在現(xiàn)代社會(huì)得到了廣泛應(yīng)用［1］。然而，在懸臂澆筑和體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過程中，大跨徑連續(xù)梁橋存在復(fù)雜的內(nèi)力和位移變化，造成橋梁線形和安全性難以滿足設(shè)計(jì)要求，并可能導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)，對(duì)相關(guān)工作人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

因此，為確保橋梁施工的安全性并使得成橋符合既定要求，必須對(duì)橋梁的建設(shè)過程進(jìn)行合理的施工控制［2］。目前，常用的橋梁施工控制方法主要有以下3種：自適應(yīng)控制法、開環(huán)控制法和閉環(huán)控制法［3］。其中，自適應(yīng)控制法是指在進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，計(jì)算參數(shù)與實(shí)際參數(shù)存在偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算不能得到符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，需要在每一施工階段不斷地修正模型參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算值和實(shí)際值相符，從而保證橋梁施工的順利進(jìn)行。這種方法能較好地調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，是大跨徑連續(xù)梁橋常采用的方法。線形控制是施工控制的重要內(nèi)容之一，設(shè)立高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)是線形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵［4］。應(yīng)力控制是施工控制的另一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，它與橋梁的安全性和穩(wěn)定性密切相關(guān)［5］。通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算值，可以判斷橋梁的安全狀態(tài)并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

本文以南流江大橋項(xiàng)目為基礎(chǔ)，建立實(shí)際的Midas Civil計(jì)算模型，采用自適應(yīng)控制法對(duì)橋梁每個(gè)施工階段的線性和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析以評(píng)估橋梁的狀態(tài)，確保成橋狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。本文的研究成果可為類似橋梁的線形和應(yīng)力控制研究提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

南流江大橋位于玉林市博白縣，全長(zhǎng)335 m，無引橋。橋梁分左右兩幅對(duì)稱布置，主橋立面結(jié)合景觀設(shè)計(jì)，采用變截面連續(xù)箱梁，橋跨布置為85+155+85=325 m，邊中跨之比為0.548∶1。上構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁；主橋主墩采用實(shí)體鋼筋混凝土，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁；0#墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)；3#墩采用U型橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。南流江大橋的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

2 大跨徑連續(xù)梁橋施工監(jiān)控

2.1 橋梁仿真分析

本文選取Midas Civil軟件對(duì)南流江特大橋施工期間的受力進(jìn)行分析計(jì)算。如圖2所示，在模型中，橋梁被離散為共104個(gè)單元、108個(gè)節(jié)點(diǎn)。在模型中需要計(jì)算每個(gè)施工階段的應(yīng)力和位移變化，橋梁的施工階段包含以下5個(gè)方面：（1）主墩澆筑；（2）澆筑0#塊混凝土→與主墩臨時(shí)固接→張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；（3）安裝掛籃→澆筑中邊跨混凝土→張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；（4）邊跨及中跨合龍；（5）拆除墩梁固接更換永久支座；（6）鋪裝調(diào)平層和瀝青。模型的主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.2.1 線形控制測(cè)點(diǎn)布置

在南流江大橋的懸臂澆筑施工過程中，為反映主橋在實(shí)際施工時(shí)的變形情況和控制要求，如圖3所示，在每個(gè)懸澆段端部截面的頂部和底部分別設(shè)置了3個(gè)標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)。

2.2.2 應(yīng)力控制測(cè)點(diǎn)布置

為掌握橋梁施工過程中的實(shí)際受力狀態(tài)，確保南流江大橋在整個(gè)施工過程中的安全，如圖4所示，在主橋的中邊跨合龍段、中邊跨根部、邊跨中部及中跨1/4處選取了共11個(gè)控制截面。根據(jù)箱梁截面的受力特點(diǎn)，在每個(gè)控制截面的頂板和底板分別布置了3個(gè)應(yīng)力傳感器（見圖5）。

3 大跨徑連續(xù)梁橋施工變形與應(yīng)力控制分析

3.1 線性控制分析

橋梁在建造和施工過程中會(huì)產(chǎn)生一定的下?lián)希瑢?dǎo)致裂縫產(chǎn)生，影響橋梁美觀和使用安全。因此為保證橋梁達(dá)到設(shè)計(jì)的線形，在施工時(shí)需預(yù)先設(shè)置一定拋高，用以抵消施工過程中的橋梁變形，使成橋線形符合設(shè)計(jì)要求［6］。橋梁的立模標(biāo)高計(jì)算方法見式（1），其主要由以下3方面組成：成橋預(yù)拋高、施工預(yù)拋高和掛籃變形量。成橋預(yù)拋高主要為了抵消成橋后恒載和活載導(dǎo)致混凝土徐變而產(chǎn)生的下?lián)嫌绊懀鋽?shù)值按余弦曲線進(jìn)行分配。施工預(yù)拋高是為了抵消施工臨時(shí)荷載、結(jié)構(gòu)自重等因素產(chǎn)生的下?lián)希鋽?shù)值可通過Midas Civil軟件計(jì)算并導(dǎo)出。掛籃變形量通過加載試驗(yàn)得到，南流江大橋的掛籃變形量實(shí)測(cè)值為10 mm。結(jié)合數(shù)值模型計(jì)算，南流江大橋的成橋預(yù)拋高、施工預(yù)拋高、立模預(yù)拋高設(shè)置如圖6所示。

H模=H設(shè)+fs+fg（1）

式中：H模——立模預(yù)拋高；

H設(shè)——橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)高；

fs——懸臂施工過程中橋梁的累計(jì)變形，即施工預(yù)拋高；

fg——掛籃變形量。

根據(jù)立模標(biāo)高，對(duì)南流江大橋進(jìn)行掛籃懸臂澆筑施工。當(dāng)全橋合龍后，測(cè)得主梁的實(shí)際高程和里程，并與主梁的設(shè)計(jì)高程和里程相減得到標(biāo)高偏差和中線偏差，具體結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，主梁的高程和里程均出現(xiàn)了一定偏差，但其分布較為隨機(jī)，這表明施工過程中沒有出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。導(dǎo)致隨機(jī)偏差出現(xiàn)的原因主要由于施工臨時(shí)荷載位置和大小的不確定性和混凝土溫度變化、澆筑不均等隨機(jī)因素的影響。由圖7（a）、圖7（b）分別可見：主梁的標(biāo)高偏差控制在-9～9 mm，中線偏差控制在-12～12 mm，兩者均滿足相關(guān)施工規(guī)范要求。綜上所述，南流江大橋的合龍效果較為理想，對(duì)南流江大橋的線性施工控制是有效的。

3.2 應(yīng)力控制分析

為確保橋梁施工的安全可控性，需要對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)力與Midas Civil計(jì)算的理論值進(jìn)行比較分析，以評(píng)估施工過程中的安全狀態(tài)，并在必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。限于論文篇幅，僅提供了左幅2#墩8、9截面和2#主墩頂部在最不利階段的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值的比較結(jié)果（圖8）。圖8中的實(shí)測(cè)頂板應(yīng)力值和底板應(yīng)力值分別代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5、6的平均值。由圖8可見，箱梁截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力變化趨勢(shì)和理論應(yīng)力變化趨勢(shì)相符：在懸澆和掛籃階段，結(jié)構(gòu)自重引起的負(fù)彎矩導(dǎo)致箱梁頂部的拉應(yīng)力和底部的壓應(yīng)力增加；在預(yù)應(yīng)力鋼束張拉階段，鋼束張拉引起的反拱作用導(dǎo)致箱梁頂部的拉應(yīng)力和底部的壓應(yīng)力減小。在應(yīng)力數(shù)值上，由圖8（a）、圖8（b）分別可見，主梁截面的監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論值具有一定偏差，其中截面8的偏差最大，截面9次之，造成這種偏差的原因是由于混凝土的收縮徐變和現(xiàn)場(chǎng)溫度效應(yīng)的影響。由圖8（c）可見，主墩頂部的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論值較為相符，二者的曲線基本重合。總體而言，主墩和主梁截面的應(yīng)力偏差均控制在＜1.4 MPa，符合規(guī)范要求。此外，3個(gè)截面的實(shí)測(cè)應(yīng)力值均＜0，這表明沒有拉應(yīng)力產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)均處于受壓狀態(tài)。綜上可知，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制是有效的，結(jié)構(gòu)一直處于安全的施工狀態(tài)之中。

4 結(jié)語

基于南流江大橋項(xiàng)目，本文采用Midas Civil軟件對(duì)主橋進(jìn)行了理論建模計(jì)算，并對(duì)比分析實(shí)際線形、應(yīng)力，獲得了以下結(jié)論：

（1）通過施工控制，南流江大橋的標(biāo)高偏差＜9 mm，中線偏差＜12 mm，成橋線形良好，滿足規(guī)范要求。

（2）在懸臂澆筑施工過程中，南流江大橋的頂?shù)装鍛?yīng)力變化規(guī)律和理論一致，且二者數(shù)值差異控制在＜1.4 MPa，橋梁在施工過程處于安全可控狀態(tài)。

本文所研究的大跨徑連續(xù)梁橋線形和應(yīng)力控制成果可為相關(guān)橋梁的施工變形和應(yīng)力控制研究提供一定的借鑒和參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［1］段文秀.橋梁施工中大跨徑連續(xù)橋梁施工技術(shù)的應(yīng)用［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2013（12）：142-144.

［2］胡漢舟，葉梅新.橋梁事故及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［J］.橋梁建設(shè)，2002（3）：71-75.

［3］梁紅玉.懸臂澆筑混凝土連續(xù)橋的施工監(jiān)控研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2021.

［4］繆玙舟.連續(xù)梁橋單懸臂施工線型控制研究［D］.蘇州：蘇州科技大學(xué)，2016.

［5］羅 濤.某彎橋施工監(jiān)控計(jì)算與數(shù)據(jù)分析［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2017.

［6］張 桃，肖盛燮，陶 韜.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度的設(shè)置與控制［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，201 14（4）：7-10，14.

收稿日期：2023-10-17

作者簡(jiǎn)介：曾明智（1992—），碩士，工程師，主要從事工程檢測(cè)、市場(chǎng)開發(fā)工作。