楊亞芳

(中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安　030024)

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預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工的監(jiān)控技術(shù)研究

楊亞芳

(中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安030024)

摘要:結(jié)合鄭西高鐵咸陽(yáng)渭河特大橋工程，總結(jié)了施工過程中影響大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋應(yīng)力、應(yīng)變的主要因素，分析了彎橋結(jié)構(gòu)在懸臂法施工階段的力學(xué)性能和線形變化規(guī)律，探討了曲率半徑和季節(jié)溫差對(duì)彎橋的作用效果。研究結(jié)果表明:隨著曲率半徑的減小，靜定T構(gòu)懸臂根部截面的扭矩增大，而彎矩和軸力有所減小，橫向位移增加明顯;季節(jié)溫差會(huì)引起靜定T構(gòu)端部截面產(chǎn)生較大的橫向位移;日照溫差應(yīng)按二維溫度梯度模式進(jìn)行溫度作用效應(yīng)計(jì)算，不同的溫度梯度模式引起的效應(yīng)差別很大。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力連續(xù)彎梁橋施工監(jiān)控懸臂法施工曲率半徑溫差

連續(xù)梁具有結(jié)構(gòu)整體性能好、剛度大、抗震性能好、行車舒適、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)易、橋面伸縮縫少等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了保證橋梁在整個(gè)施工過程中的安全以及對(duì)施工進(jìn)行優(yōu)化，使橋梁在各個(gè)施工階段的幾何線性及應(yīng)力分布能夠最大程度地接近設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)橋梁施工進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)［1-3］。HASSAN，MURIA-VILA等［4-5］通過對(duì)橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與分析，及時(shí)了解和控制橋梁的受力狀況，使橋梁健康評(píng)估更精確可靠;李祥輝［6］在研究橋梁檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到橋梁在運(yùn)營(yíng)階段的收縮徐變，提出了一種較為實(shí)用的橋梁健康狀況評(píng)估方法;李國(guó)平等［7］提出了最優(yōu)施工控制的理論和方法，并應(yīng)用于大跨度連續(xù)梁橋;顧安邦等［8］提出隨機(jī)最優(yōu)監(jiān)控理論，在重慶黃花園嘉陵江大橋施工監(jiān)控中予以運(yùn)用。

本文總結(jié)了施工過程中影響大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋應(yīng)力、應(yīng)變的主要因素，運(yùn)用Midas/Civil仿真軟件分析了該橋在懸臂法施工階段的力學(xué)性能和線形變化規(guī)律。

1　懸臂法施工

1. 1施工流程

主梁采用懸臂灌筑法施工，墩頂梁段在各墩頂灌筑，其余梁段用活動(dòng)掛籃懸臂灌筑。

0#塊施工工藝流程:墩頂臨時(shí)固結(jié)施工→支架搭設(shè)及預(yù)壓→0#塊底模板、外模板安裝→0#塊混凝土澆筑→0#塊與臨時(shí)墩固結(jié)→張拉錨固相應(yīng)預(yù)應(yīng)力筋。

活動(dòng)掛籃懸臂法施工工藝流程:掛籃前移就位→調(diào)平模板→(鋼筋制作)安裝底板及腹板鋼筋→安裝內(nèi)模→綁扎頂板鋼筋→安裝預(yù)應(yīng)力管道→監(jiān)理工程師驗(yàn)收→澆筑混凝土(制作試塊)→混凝土養(yǎng)護(hù)、拆模及接縫處理→預(yù)應(yīng)力筋下料、穿束→張拉預(yù)應(yīng)力筋→封錨、壓漿→掛籃前移就位。

1. 2施工關(guān)鍵技術(shù)

1)施工穩(wěn)定性設(shè)置

在懸臂法施工過程中，可能會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱懸臂或橫向不對(duì)稱荷載，此時(shí)必須保證梁段上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，0#塊梁與橋墩之間需要采取一定固結(jié)措施，使梁段在整個(gè)施工階段處于穩(wěn)定和可靠狀態(tài)。

2)預(yù)拱度設(shè)置

通過設(shè)置預(yù)拱度來實(shí)現(xiàn)梁體的線形要求。在各個(gè)施工階段進(jìn)行合理的撓度控制，采用Midas/Civil軟件倒序法進(jìn)行撓度計(jì)算，根據(jù)每個(gè)階段的撓度值來設(shè)置預(yù)拱度，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3)懸臂法施工過程中的糾偏措施

由于計(jì)算的誤差以及施工過程的偶然因素，梁體線形有可能達(dá)不到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，此時(shí)必須采取一定的糾偏措施。主要措施:通過測(cè)量梁體撓度，并與預(yù)期的恒載位移進(jìn)行疊加得到梁體線形;如果梁體線形不合理，則運(yùn)用最小二乘法與目標(biāo)線形擬合，確定后續(xù)施工需要調(diào)整的節(jié)段及線形調(diào)整量。

2　工程條件

2. 1橋梁上部結(jié)構(gòu)形式

該工程為位于新建鐵路鄭州至西安客運(yùn)專線引入西安樞紐客運(yùn)北環(huán)線的咸陽(yáng)渭河特大橋，上部結(jié)構(gòu)為4聯(lián)14跨雙線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋，全橋長(zhǎng)1 326. 9 m，最大跨度120 m;分跨情況為( 75. 75 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 75. 75) m。該連續(xù)梁橋位于半徑為3 500 m的曲線上。跨渭河連續(xù)梁橋立面見圖1。

圖1跨渭河連續(xù)梁橋立面(單位: m)

梁體采用單箱單室直腹板的變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁頂寬13. 4 m，底寬6. 7 m。箱梁梁底按二次拋物線變化，拋物線方程為y = 0. 002 7x1. 8。中支點(diǎn)處梁高9. 6 m，直線現(xiàn)澆段梁高5. 8 m，邊支座中心線至梁端為0. 75 m。箱梁頂板厚0. 4～1. 2 m，底板厚0. 5 ～1. 40 m，腹板厚0. 55～1. 20 m。箱梁懸臂端部厚0. 2 m，根部厚0. 65 m。

2. 2施工概況

由于3跨一聯(lián)和4跨一聯(lián)的連續(xù)梁的跨度、箱梁結(jié)構(gòu)形式、臨時(shí)支座和永久性支座類型、預(yù)應(yīng)力鋼束及鋼筋的布置形式完全相同，所以連續(xù)梁的施工工藝基本相同，但3跨一聯(lián)和4跨一聯(lián)連續(xù)梁的合龍順序不同。

主要施工步驟:在中墩兩側(cè)承臺(tái)上施工臨時(shí)墩→在中墩頂安裝永久支座→搭支架澆筑0#塊，并與臨時(shí)墩固結(jié)→在0#塊兩端安裝掛籃，澆筑1#塊→移動(dòng)掛籃，逐段對(duì)稱懸臂澆筑各梁段→澆筑邊跨現(xiàn)澆段;中跨合龍，拆除臨時(shí)墩→邊跨合龍。

施工時(shí)形成10個(gè)T構(gòu): a～j，見圖1。箱梁梁段劃分見圖2，1#～14#梁段采用菱形掛籃懸臂澆筑施工，0#段及邊跨直線段采用支架施工，合龍段采用吊架施工。

圖2箱梁梁段劃分(單位: m)

3預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工建模

3. 1模型簡(jiǎn)化

利用Midas/Civil建模，共劃分99個(gè)單元，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土彎橋懸臂法施工仿真分析。橋梁模擬過程中做以下簡(jiǎn)化:①單元為空間直梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)由梁頂截面形心點(diǎn)表示，計(jì)算坐標(biāo)時(shí)單元的弦長(zhǎng)近似為弧長(zhǎng);②僅考慮各施工段橋梁截面形狀，忽略預(yù)埋件、普通構(gòu)造鋼筋等對(duì)截面的影響;③考慮預(yù)應(yīng)力孔道造成截面的改變，忽略對(duì)墩頂橫隔板的構(gòu)造作用;④考慮自重對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，不考慮橋墩變形;⑤假設(shè)0#塊梁底作用在剛性平面上，而不對(duì)橋墩加以模擬;⑥設(shè)計(jì)梁底的線形呈拋物線變化，建模時(shí)把每個(gè)截面尺寸輸入到軟件中，將各梁段簡(jiǎn)化為按折線變化。

3. 2施工步的實(shí)現(xiàn)

懸臂法施工步的模擬要與實(shí)際施工順序吻合。結(jié)合施工順序，分19個(gè)施工階段模擬:階段1為0#塊施工，階段2～15為梁段的懸臂澆筑，階段16為中跨合龍，階段17為體系轉(zhuǎn)換，階段18為邊跨合龍和張拉所有鋼筋，階段19施加二期恒載。

4　結(jié)果分析

4. 1模型驗(yàn)證

本橋監(jiān)測(cè)應(yīng)力的截面選在距離中墩兩側(cè)的L/4截面，全橋共28個(gè)斷面。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖3( a)，位移測(cè)點(diǎn)布置見圖3( b)。圖3中位移測(cè)點(diǎn)1～3分別監(jiān)測(cè)掛籃施工前移后、混凝土澆筑后和預(yù)應(yīng)力張拉后3個(gè)階段的撓度。日照溫差測(cè)試采用測(cè)點(diǎn)預(yù)埋的方法，用帶溫度測(cè)試功能的JMZX-215AT型應(yīng)變傳感器進(jìn)行觀測(cè)，記錄箱梁日照溫差的變化情況，測(cè)點(diǎn)位置與撓度測(cè)點(diǎn)相同。

圖3測(cè)點(diǎn)布置

c#墩懸臂端根部截面頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知:箱梁縱向應(yīng)力、主拉應(yīng)力各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值相近且與理論值的變化規(guī)律一致; 11#號(hào)梁段張拉后測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力差異較大，原因是懸臂長(zhǎng)度加大引起了動(dòng)力效應(yīng)和施工誤差;測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)力實(shí)測(cè)值偏小，原因是結(jié)構(gòu)受到截面翹曲、剪力滯和局部應(yīng)力的影響。分析應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論值可知，在施工過程中主橋各截面應(yīng)力沒有超過規(guī)范要求，說明施工順序合理，結(jié)構(gòu)安全。

表1 c#墩懸臂端根部截面頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果　MPa

4. 2曲率對(duì)T構(gòu)力學(xué)性能的影響

對(duì)于高速鐵路彎梁橋，曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的力學(xué)性能影響很大。改變結(jié)構(gòu)的曲率半徑，分析在不同施工狀態(tài)、不同曲率半徑下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、應(yīng)力的變化情況。取半徑R = 2 500，3 000，3 500(本橋)，4 000 m，其余參數(shù)不變。

4. 2. 1最大雙懸臂狀態(tài)

1)不同曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

在自重、預(yù)應(yīng)力和施工荷載作用下，T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)，彎矩、扭矩最大的截面在臨時(shí)支承處，軸力最大的截面在永久支座處。T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)截面最大內(nèi)力見表2。由表2可知，隨著曲率半徑的增大，截面扭矩明顯減小，其余內(nèi)力均增大，但不明顯。

表2 T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)截面最大內(nèi)力

2)不同曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

表3為T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)截面最大應(yīng)力，截面最大應(yīng)力發(fā)生位置見圖4。此時(shí)截面最大正應(yīng)力發(fā)生在臨時(shí)支承截面的上、下邊緣點(diǎn)，即圖中點(diǎn)1，2;最大剪應(yīng)力發(fā)生在9#塊根部截面的中性軸，即點(diǎn)3。

表3 T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)截面最大應(yīng)力　MPa

圖4截面最大應(yīng)力發(fā)生位置

由表3可知，隨著曲率半徑的增大，上、下邊緣混凝土的最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力都略有增大，但在最后一個(gè)懸澆段梁頂會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力隨著曲率半徑的增加有所減小。施工階段容許壓應(yīng)力為0. 7f'ck= 32. 2 MPa，容許拉應(yīng)力為0. 7f'ct= 2. 31 MPa。

3)不同曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

表4為T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)懸臂端部的位移。由表4可知，隨著曲率半徑的減小，懸臂端內(nèi)、外側(cè)的位移差變大，向內(nèi)側(cè)的橫向位移和扭轉(zhuǎn)角均增大。

表4 T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)時(shí)懸臂端部的位移

4. 2. 2邊跨合龍前狀態(tài)

邊跨合龍前狀態(tài)為中跨已經(jīng)合龍，且已完成3個(gè)中墩的體系轉(zhuǎn)換，此時(shí)邊跨為最大懸臂狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系為帶雙懸臂的連續(xù)梁。

1)不同曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

在自重、預(yù)應(yīng)力和施工荷載作用下，邊跨合龍前結(jié)構(gòu)的最大彎矩和最大扭矩都發(fā)生在中墩d#墩頂截面，該值比體系轉(zhuǎn)換前要大得多。表5為邊跨合龍前截面內(nèi)力。由表5可知，曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)的剪力和彎矩影響較小，對(duì)扭矩影響較大;體系轉(zhuǎn)換使截面最大內(nèi)力都明顯增加。

表5邊跨合龍前截面最大內(nèi)力

2)不同曲率半徑對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

表6為邊跨合龍前截面最大應(yīng)力，截面最大應(yīng)力發(fā)生位置參見圖4。此時(shí)截面最大正應(yīng)力發(fā)生在中跨墩頂截面的上、下邊緣點(diǎn)，即圖中點(diǎn)1，2;最大剪應(yīng)力發(fā)生在中跨11#塊端部截面，即點(diǎn)3，此處扭矩和剪力都比較大，而截面尺寸較小。

表6邊跨合龍前截面最大應(yīng)力　MPa

由表6可知，曲率半徑的改變對(duì)剪應(yīng)力影響很大，曲率半徑為2 500 m時(shí)的剪應(yīng)力約為4 000 m時(shí)的2倍，剪應(yīng)力呈線性變化。

4. 3施工階段溫度作用［9］

4. 3. 1季節(jié)溫差

由于彎梁橋梁內(nèi)外側(cè)纖維長(zhǎng)度不同，無論是靜定結(jié)構(gòu)還是超靜定結(jié)構(gòu)，季節(jié)溫差都會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向位移和軸向位移。中跨合龍前，平均氣溫達(dá)到30℃，比設(shè)計(jì)合龍溫度高15℃;考慮整體升溫15℃，單個(gè)靜定T構(gòu)懸臂端最大橫向位移為0. 25 mm。在邊跨合龍前，考慮整體降溫15℃，混凝土的溫度膨脹系數(shù)為1×10－5/℃。

邊跨合龍前，季節(jié)溫降引起的內(nèi)力分布見圖5。由圖5可知，系統(tǒng)溫降引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向彎矩較大，最大達(dá)到2 300 kN·m，扭矩和縱向彎矩則相對(duì)較小。

圖5季節(jié)溫降引起的內(nèi)力分布(單位: N·m)

4. 3. 2日照溫差

混凝土箱梁日照溫度場(chǎng)屬于三維溫度場(chǎng)，沿橋軸線方向箱梁各截面接受的日照輻射基本相同，因此沿該方向的溫度變化一般忽略不計(jì)，按豎向和橫向的二維溫度場(chǎng)考慮。目前，日照溫度梯度計(jì)算模式有新西蘭規(guī)范、BS 5400英國(guó)規(guī)范、美國(guó)AASHTO規(guī)范、我國(guó)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( TB 10002. 3—2005)［10］等。表7為不同日照溫度梯度模式計(jì)算的梁高日照溫差。由表7可知，按不同溫度梯度模式計(jì)算的日照溫差不同。

表7不同日照溫度梯度模式計(jì)算的梁高日照溫差℃

利用Midas/Civil軟件，將計(jì)算的二維日照溫度分布值輸入梁截面溫度中，計(jì)算靜定T構(gòu)在最大懸臂狀態(tài)、不同曲率半徑下的位移。表8為不同日照溫差梯度模式引起的懸臂端位移。

表8不同日照溫差梯度模式引起的懸臂端位移　cm

由表8可知:

1)按二維溫度梯度計(jì)算的懸臂端橫向位移比按一維溫度梯度計(jì)算的結(jié)果要大得多，而按一維溫度梯度計(jì)算的懸臂端豎向位移要比二維的大近40% ;

2)不同的溫度梯度模式得到的懸臂端位移相差很大。新西蘭規(guī)范的計(jì)算結(jié)果是TB 10002. 3—2005計(jì)算結(jié)果的2倍，美國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果比TB 10002. 3—2005的計(jì)算結(jié)果略小。原因是受地理緯度的影響，新西蘭規(guī)范的初始溫度很大，而美國(guó)規(guī)范考慮混凝土的導(dǎo)熱性很差，豎向溫度梯度很大。

3)相同的溫度梯度模式對(duì)不同曲率半徑下的懸臂端位移影響很小。

5　結(jié)論

1)通過對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)彎梁橋懸臂法施工的仿真分析，掌握了結(jié)構(gòu)在不同施工階段、不同荷載作用下的基本力學(xué)性能，了解了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、應(yīng)力的分布規(guī)律。

2)隨著曲率半徑的減小，靜定T構(gòu)的懸臂根部截面的扭矩增大，而彎矩和軸力有所減小，梁頂最大正應(yīng)力值有所減小。

3)由于季節(jié)溫差作用，靜定T構(gòu)端部截面會(huì)產(chǎn)生較大的橫向位移和很大的次內(nèi)力——橫向彎矩。日照溫差應(yīng)該按二維溫度梯度模式進(jìn)行溫度作用效應(yīng)計(jì)算，不同的溫度梯度模式引起的效應(yīng)差別很大。

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(責(zé)任審編鄭冰)

Research on monitoring technology for prestressed concrete continuous curved girder constructed by cantilever casting method

YANG Yafang

( The 1st Engineering Co．，Ltd．of China Railway 12th Bureau Group，Xi’an Shaanxi 030024，China)

Abstract:Combined with the Xianyang W eihe Bridge project in Zhengzhou-Xi'an high speed railway，the main factors of stress and strain of the long-span prestressed concrete continuous curved girder bridge during the construction process were summarized．T he mechanical properties and linear variation of curved bridge structure during cantilever construction were analyzed．T he effects of the radius of curvature and the seasonal temperature difference were discussed．T he results show that with the decreasing radius of curvature，cantilever root section torque of statically determinate T structure is increasing，while the axial force and bending moment are reduced，lateral displacement increases obviously．T he seasonal temperature difference will cause a larger lateral displacement of the end cross section of statically determinate T structure．For there is a large difference effects caused by temperature gradient mode，sunshine temperature difference should be calculated according to the two-dimensional temperature gradient mode for temperature effect．

Key words:Prestressed concrete curved girder bridge; Construction monitoring; Cantilever casting construction; T he radius of curvature; T emperature difference

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0031-06

作者簡(jiǎn)介:楊亞芳( 1975—)，女，工程師。

基金項(xiàng)目:中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目( 2015JBM064)

收稿日期:2015-09-20;修回日期: 2015-12-24

中圖分類號(hào):U445

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．07