楊順生， 陳芙蓉， 舒 剛, 陳 釩

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031； 2. 中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100048)

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基于頂推法成橋的波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋施工監(jiān)控技術(shù)研究

楊順生1， 陳芙蓉1， 舒 剛1, 陳 釩2

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031； 2. 中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100048)

波形鋼腹板組合箱梁橋在國內(nèi)快速發(fā)展的同時(shí)，其施工工藝也向著多樣化發(fā)展，并促使相應(yīng)的監(jiān)控技術(shù)一步步跟進(jìn)。常莊干渠高架橋是國內(nèi)第一座采用頂推法施工的波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋，對該橋施工監(jiān)控技術(shù)的研究不僅具有開創(chuàng)性，同時(shí)對后續(xù)橋梁的施工具有廣泛的示范意義。文章以常莊干渠高架橋?yàn)槔?，采用MIDAS Civil建立全橋模型，對主橋上部結(jié)構(gòu)施工階段受力及變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，并對關(guān)鍵截面的變形和應(yīng)力以及軸線偏位進(jìn)行監(jiān)測。有限元結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比表明：整個(gè)施工滿足設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)監(jiān)控內(nèi)容均達(dá)到了預(yù)期效果，結(jié)構(gòu)處于良好工作狀態(tài)，由此證明頂推法可以很好地滿足波形鋼腹板組合箱梁橋施工需要。

連續(xù)箱梁橋； 波形鋼腹板； 頂推施工； 施工監(jiān)控

波形鋼腹板PC組合箱梁橋因其采用波形鋼板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，使結(jié)構(gòu)自重大大減輕。近年來這種結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)得到迅速發(fā)展，其施工方法也逐漸豐富與成熟。目前國內(nèi)已有幾十座波形鋼腹板PC組合箱梁橋，多以懸臂現(xiàn)澆、支架現(xiàn)澆和掛模施工法為主進(jìn)行施工[1-3]。而常莊干渠高架橋是國內(nèi)第一座采用頂推法施工的波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋。

本次研究以常莊干渠高架橋?yàn)楸尘?，通過MIDAS Civil分析頂推過程中各施工階段應(yīng)力(應(yīng)變)和變形數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比，為頂推施工的質(zhì)量控制提供指導(dǎo)，為以后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

常莊干渠高架橋全長940 m，分成兩聯(lián)：YU01聯(lián)長450 m(9×50 m)，YU02聯(lián)長490 m(9×50+40 m)。該橋大致呈東西走向，限于地形地貌和成本等因素，上部結(jié)構(gòu)采用頂推和現(xiàn)澆結(jié)合的施工方法，從淺谷地兩岸以一定的坡度同時(shí)向橋梁中心頂推，各帶導(dǎo)梁。梁體分導(dǎo)梁段、頂推段和現(xiàn)澆段三種類型，其中導(dǎo)梁長度35 m，頂推時(shí)利用該段波形鋼腹板作為導(dǎo)梁主體結(jié)構(gòu)，以節(jié)約導(dǎo)梁用料。頂推段含一段27.5 m節(jié)段和兩個(gè)50 m節(jié)段，每聯(lián)后方若干區(qū)域處于曲線段上，為降低曲線頂推施工難度和充分利用預(yù)制臺(tái)座支架，此區(qū)域梁體采用支架現(xiàn)澆施工。YU01聯(lián)立面布置和上部結(jié)構(gòu)箱梁橫截面分別如圖1和圖2所示。

圖1 常莊干渠高架橋YU01聯(lián)立面(單位：m)

圖2 波形鋼腹板PC組合箱梁橫截面示意(單位：mm)

2 施工過程仿真計(jì)算

采用MIDAS Civil模擬整個(gè)頂推過程并進(jìn)行仿真計(jì)算。在頂推過程中，用一般支撐模擬永久墩，約束DY、DZ和RX；臨時(shí)墩和滑道支承墩用只受壓的彈性連接來模擬，約束DY和RX。頂推到位后，永久墩再約束DX，臨時(shí)墩和滑道支承墩換成受壓的彈性連接。

頂推過程的實(shí)現(xiàn)采用“墩動(dòng)梁不動(dòng)”計(jì)算模式，即主梁和導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)空間位置始終不變，利用邊界條件后移來實(shí)現(xiàn)“向前頂推”。具體實(shí)現(xiàn)過程為：頂推第一節(jié)段梁體時(shí)，施加荷載和邊界條件進(jìn)行求解，在頂推第二段梁體時(shí)，鈍化第一節(jié)段邊界條件，激活第二節(jié)段的荷載和邊界條件進(jìn)行求解，按照上述方法完成所有的節(jié)段頂推，整個(gè)模擬過程簡單明了。部分計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 部分計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工組織設(shè)計(jì)中的施工總體步驟，第一節(jié)段頂推32.5 m，第二節(jié)段頂推50 m，第三節(jié)段頂推62.5 m，主要施工步驟見表1。

表1 頂推施工階段工序

3 施工監(jiān)控的內(nèi)容和方法

3.1 變形及軸線偏位測量

通過測量導(dǎo)梁及主梁各段撓度，并參照有限元結(jié)果，確保在頂推階段混凝土頂板、底板、導(dǎo)梁乃至結(jié)構(gòu)整體變形不超過限值，施工過程中和竣工后結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計(jì)要求[4-6]。測量工況包括：混凝土澆筑前、澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉后、頂推前、頂推中，以及根據(jù)施工控制要求需補(bǔ)測的其它工況，采用符合精度要求的水準(zhǔn)儀測量，其中導(dǎo)梁撓度測量可在導(dǎo)梁上設(shè)置固定標(biāo)尺。撓度測量時(shí)采用相對高程，即每節(jié)段頂推時(shí)，以另一幅作為基準(zhǔn)點(diǎn)和后視點(diǎn)，通過相對高程換算得到頂推過程中主梁實(shí)際撓度值，并與理論值進(jìn)行比較，如有異常及時(shí)反饋施工單位和監(jiān)理。監(jiān)測斷面布置如圖4所示。

軸線偏位測量的實(shí)現(xiàn)依賴于頂推過程中首尾端主梁軸線橫向坐標(biāo)與頂推開始時(shí)坐標(biāo)的差值，并以此判斷整個(gè)頂推過程中主梁是否偏離了預(yù)定軌道。主梁軸線偏位及頂推距離采用全站儀測量，分別在預(yù)應(yīng)力張拉前、張拉后、頂推前、頂推中和頂推完成后進(jìn)行測量。頂推中測量時(shí)，各節(jié)段頂推的前半段每隔10 m測量一次，后半段每隔5 m測量一次，當(dāng)該節(jié)段離頂推到位不足5 m時(shí)應(yīng)加密測量，確保到位時(shí)軸線偏位小于10 mm，否則及時(shí)進(jìn)行糾偏。

圖4 變形監(jiān)控?cái)嗝?/p>

3.2 應(yīng)變及溫度測量

混凝土橋梁的溫度場，即受長期溫差和短期溫差影響，橋梁結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部形成的瞬時(shí)不均勻溫度狀態(tài)[7-8]。這兩種溫差對橋梁線形均有重要影響，特別是頂推長度大時(shí)，溫度對導(dǎo)梁端標(biāo)高影響是施工過程中不可忽略的因素，因而在施工過程中需對橋梁溫度場進(jìn)行有效監(jiān)測。采用埋入式振弦應(yīng)變計(jì)，既可以實(shí)時(shí)測量頂推過程中混凝土的應(yīng)變分布，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，確保施工過程中結(jié)構(gòu)的安全，其內(nèi)置的溫度傳感器還可以顯示測點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，環(huán)境溫度可直接用水銀溫度計(jì)測量。

在第一節(jié)段空腹段(成橋后跨中1#)、鋼導(dǎo)梁結(jié)合段(2#)、第一節(jié)段內(nèi)襯段(成橋后支座處3#)、第二節(jié)段空腹段(成橋后跨中4#)、第二節(jié)段內(nèi)襯段(成橋后支座處5#)、第三節(jié)段空腹段(成橋后跨中6#)、第三節(jié)段內(nèi)襯段(成橋后支座處7#)設(shè)置7個(gè)傳感器監(jiān)測斷面?；炷谅袢胧秸裣覀鞲衅鞑贾迷陧敯搴偷装逯胁考敖孛孀兓幐浇攲愉摻钕虏?，部分截面腹板中部布置有表貼式傳感器。監(jiān)測斷面和應(yīng)力測試點(diǎn)布置分別如圖5和圖6所示。

圖5 應(yīng)力監(jiān)控?cái)嗝?/p>

圖6 橫截面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽?/p>

3.3 溫度影響的消除

該橋施工經(jīng)歷夏季和冬季，溫差跨度大，所以必須對埋入式振弦傳感器的溫度影響進(jìn)行修正。為便于計(jì)算比較，所有應(yīng)變數(shù)據(jù)均以平均氣溫25 ℃進(jìn)行修正。

3.3.1 依據(jù)公式修正

由于混凝土和應(yīng)變計(jì)中鋼弦的線膨脹系數(shù)不同，溫度變化會(huì)引起應(yīng)變變化，測試中需消除其影響。由混凝土的溫度修正公式得修正后應(yīng)變?chǔ)?為：

ε*=ε-(T-T0)(α-α0)

(1)

式中：α為應(yīng)變計(jì)線膨脹系數(shù)；α0為結(jié)構(gòu)體線膨脹系數(shù)；ε為測量應(yīng)變；T為測量溫度；T0為初始溫度。

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，α0取1×10-5，α取1.2×10-5，即：

ε*=ε-ΔT×2

(2)

式中：ΔT為測量溫度與初始溫度的差值；ε*單位為με。

3.3.2 依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)修正

為了正確反映主梁的溫度影響，采用自動(dòng)讀數(shù)系統(tǒng)在凌晨無施工干擾和溫度穩(wěn)定時(shí)刻每隔1 h連續(xù)讀取振弦式傳感器應(yīng)變值，并選取高溫、中溫和低溫三個(gè)時(shí)段(夏季、秋季和冬季)讀數(shù)，擬合得出溫度影響系數(shù)并取平均值作為主梁的溫度影響系數(shù)。圖7～圖9分別是高溫、中溫和低溫時(shí)段的實(shí)測應(yīng)變及擬合曲線。

圖7 高溫時(shí)段擬合曲線

圖8 中溫時(shí)段擬合曲線

圖9 低溫時(shí)段擬合曲線

圖7～圖9相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.990 9、0.975 0和0.992 3，可見擬合度較好，溫度變化系數(shù)分別為-2.259 8με/℃、2.790 5με/℃和-2.390 9με/℃，平均值為-2.48 1με/℃，大于依據(jù)式(2)得到的溫度變化系數(shù)-2με/℃。主要是混凝土的配比和配筋率等因素的差異造成的。

綜上，為真實(shí)反映主梁應(yīng)變(應(yīng)力)情況，本橋埋入式振弦傳感器溫度變化系數(shù)取-2.481με/℃。

4 施工監(jiān)控結(jié)果及分析

4.1 軸線偏位監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

圖10、圖11是部分頂推軸線調(diào)整圖。通過第一節(jié)段頂推，發(fā)現(xiàn)隨頂推過程即時(shí)糾正軸線偏位比較影響工期，最后將軸線糾偏方案調(diào)整為，前期以限位器被動(dòng)糾偏為主，主動(dòng)糾偏為輔，后期離到位5～10 m時(shí)采用主動(dòng)糾偏并加密全站儀測量。從整個(gè)施工期情況可以看出該方案對工期影響較小，同時(shí)最終軸線偏位均小于10 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 YU01聯(lián)南側(cè)第三段軸線調(diào)整

圖11 YU02聯(lián)南側(cè)第二段軸線調(diào)整

4.2 變形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

導(dǎo)梁前端撓度如表2所示，實(shí)測撓度小于有限元數(shù)值模擬結(jié)果。主要原因在于有限元模擬時(shí)波形鋼腹板用等厚度的混凝土板進(jìn)行簡化，實(shí)際結(jié)構(gòu)均設(shè)置了加勁肋，而在有限元模擬時(shí)忽略了這些構(gòu)造細(xì)節(jié)，使模型結(jié)構(gòu)剛度降低；另外頂推施工是持續(xù)工作，日間溫差變化和大風(fēng)均對應(yīng)變測試產(chǎn)生影響。

表2 關(guān)鍵工況導(dǎo)梁前端撓度 mm

4.3 應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

圖12、圖13分別為YU01聯(lián)北側(cè)5#和7#截面頂板應(yīng)力實(shí)測值與有限元計(jì)算值對比結(jié)果。

圖12 YU01聯(lián)北側(cè)5#截面頂板應(yīng)力對比

圖13 YU01聯(lián)北側(cè)7#截面頂板應(yīng)力對比

由圖可知，頂板實(shí)測值與有限元計(jì)算值整體趨勢較符合，差值較小。在頂推過程中，5#截面頂板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在頂推57.5 m時(shí)壓應(yīng)力值為9.21 MPa，在頂推至45 m和145 m過程中出現(xiàn)拉應(yīng)力，即第二、第三節(jié)段分別頂推至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.31 MPa，雖出現(xiàn)拉應(yīng)力但是混凝土未開裂，符合規(guī)定要求。7#截面頂板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在頂推57.5 m時(shí)壓應(yīng)力值為9.28 MPa，最小壓應(yīng)力為0.95 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，符合規(guī)定要求。

5 結(jié) 論

通過在施工過程中跟蹤每個(gè)施工環(huán)節(jié)，將施工監(jiān)控的技術(shù)成功運(yùn)用于常莊干渠高架橋，取得了以下結(jié)論：

(1)由于頂推施工的連續(xù)性，并且考慮誤差傳播和工期因素，在本工程中采用全站儀測量水平偏位和水準(zhǔn)測量高程變化相結(jié)合，同時(shí)連續(xù)監(jiān)測施工過程的變形、應(yīng)力及溫度的方式是可行的。

(2)通過全程仿真模擬計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測，時(shí)刻掌握頂推過程中結(jié)構(gòu)所處的受力狀態(tài)，及時(shí)識(shí)別相關(guān)影響參數(shù)的同時(shí)提出有效的調(diào)整改進(jìn)措施，保證結(jié)構(gòu)線形和受力安全，為施工質(zhì)量提供可靠保證。

(3)頂推法可以很好地運(yùn)用于波形鋼腹板橋梁的施工，利用波形鋼腹板做導(dǎo)梁大大降低了工程費(fèi)用，而且波形鋼腹板代替混凝土腹板很大程度上避免了頂推過程中腹板的開裂。

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楊順生，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭姓こ獭?/p>

U445.462

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[定稿日期]2017-02-24