(寧德沙埕灣跨海高速公路有限責(zé)任公司，寧德352100)

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控分析

■陳明友

(寧德沙埕灣跨海高速公路有限責(zé)任公司，寧德352100)

為了保證大跨連續(xù)剛構(gòu)橋順利施工以及成橋后結(jié)構(gòu)的線形和應(yīng)力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，對橋梁實(shí)施施工監(jiān)控非常有必要。本文以交溪特大橋三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制目的與工作內(nèi)容，利用橋梁專用有限元分析軟件——橋梁博士建立了施工監(jiān)控計(jì)算模型，分析了各施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對主梁線形和應(yīng)力進(jìn)行了有效控制。通過各施工階段的高程和應(yīng)力理論值與實(shí)測值的對比分析，驗(yàn)證了現(xiàn)場控制實(shí)施的效果。

連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控線形應(yīng)力

1 工程概況

交溪特大橋地處福安白塔村方向，橫跨104國道、交溪河流，其橋型采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為85m+155m+85m，設(shè)計(jì)采用雙向四車道，設(shè)計(jì)荷載為公路I級。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室變截面箱梁，中線處梁高隨梁長呈拋物線狀態(tài)變化，箱梁頂板寬度12.25m，兩翼緣懸臂長3.0m，箱體底板寬6.25m。主墩采用單柱式箱型截面空心墩，兩主墩高分別為81.5m和87.7m，墩身混凝土采用兩種不同標(biāo)號，即墩頂下5.5m范圍內(nèi)為C55標(biāo)號，其余均為C40標(biāo)號。

采用對稱懸臂現(xiàn)澆施工，箱梁縱向劃分為墩頂0號梁段、20個(gè)懸澆梁段、邊跨支架現(xiàn)澆段、邊跨合龍段、中跨合龍段。墩頂0號梁段長12m，懸澆梁段數(shù)及梁段長度從梁根部至跨中布置分別為：5×3m、9×3.5m、6×4m。邊跨現(xiàn)澆段長8.5m，邊跨合龍段、中跨合龍段長均為2m。懸臂澆筑梁段最大控制重量為180.1t，最大懸臂長度為73.5m。

圖1 交溪特大橋主橋立面圖

2 橋梁施工監(jiān)控的目的和內(nèi)容

2.1 施工監(jiān)測目的

本橋主橋施工監(jiān)控的目的是把預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控的理論和方法應(yīng)用于該連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)嶋H施工過程，對該橋施工期間的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形狀態(tài)進(jìn)行有力的控制和調(diào)整[1-2]，即根據(jù)箱梁施工過程中實(shí)際發(fā)生的各項(xiàng)影響橋梁線形的參數(shù)，結(jié)合施工過程中監(jiān)測的混凝土箱梁坐標(biāo)和應(yīng)力，跟蹤分析各施工階段中主梁內(nèi)力和變形與設(shè)計(jì)預(yù)測值的差異并找出原因，提出修正對策，以協(xié)助施工單位安全、優(yōu)質(zhì)、高效地進(jìn)行施工，并確保在橋梁建成以后的內(nèi)力狀態(tài)與外形曲線與設(shè)計(jì)相符、且滿足相關(guān)規(guī)范要求[3]。

2.2 橋梁施工監(jiān)控的工作內(nèi)容

連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容是對結(jié)構(gòu)線形、內(nèi)力和結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制。線形是保證大橋達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵，采取科學(xué)的措施對箱梁的撓度實(shí)施監(jiān)測、預(yù)測分析和實(shí)時(shí)調(diào)整，以使大橋?qū)嶋H線形盡可能地與設(shè)計(jì)線形吻合。內(nèi)力控制主要是在主墩和箱梁的關(guān)鍵部位埋設(shè)應(yīng)力傳感器，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)在施工過程的內(nèi)力變化情況。環(huán)境溫度變化對于懸澆梁段的線形影響較大，因此，為了確保在施工過程中對結(jié)構(gòu)變形的準(zhǔn)確控制，結(jié)構(gòu)的溫度場也是監(jiān)控的工作內(nèi)容之一[4]。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

按照施工和設(shè)計(jì)所確定的施工工序和計(jì)算參數(shù)對交溪特大橋進(jìn)行施工過程計(jì)算，應(yīng)用橋梁博士計(jì)算分析軟件，采用平面該系單元模型，主梁劃分為107個(gè)單元，橋墩劃分為87個(gè)單元。從主墩施工開始，全橋共劃分74個(gè)施工階段，邊界條件采用主墩底固結(jié)，過渡墩采用僅豎向支撐的鉸支座。有限元計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型圖

施工過程中，掛籃和模板等施工機(jī)具對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形影響很大，所以在懸臂施工階段，考慮的施工荷載主要是掛籃荷載，根據(jù)施工方案，單個(gè)掛籃重量按90t考慮，并在及計(jì)算中模擬掛籃的安裝、拆除和前進(jìn)等工況。在邊中跨合龍時(shí)，需要拆除掛籃，并安裝合龍吊架，吊架重量按照單個(gè)20t考慮。

3.2 立模標(biāo)高的計(jì)算調(diào)整

在懸臂施工過程中，梁段立模標(biāo)高的合理確定是關(guān)系到主梁的線形是否平順、是否符合設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。如果在確定立模標(biāo)高時(shí)考慮的因素比較符合實(shí)際，而且加以正確的控制，則最終成橋線形一般是較為良好的；相反，如果考慮的因素和實(shí)際情況不符合，控制不力，則最終成橋線形會(huì)與設(shè)計(jì)線形有較大的偏差。連續(xù)剛構(gòu)橋的線形控制主要是立模標(biāo)高的確定。

眾所周知，立模標(biāo)高并不等于設(shè)計(jì)橋梁建成后的標(biāo)高，總要設(shè)一定的預(yù)拋高，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形(撓度)。其計(jì)算公式如下：

式中：Hi為當(dāng)前梁段的掛籃底立模標(biāo)高；H0i為該梁段設(shè)計(jì)標(biāo)高；fyi為本節(jié)段的成橋預(yù)拱度；fsi為本節(jié)段的施工預(yù)拱度；fg為掛籃變形。其中掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗(yàn)，綜合各項(xiàng)測試結(jié)果而得。

初始的幾個(gè)節(jié)段立模標(biāo)高按理論值確定，當(dāng)理論值與實(shí)測值基本不一致時(shí)，需根據(jù)實(shí)測值對結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，修正計(jì)算模型。修正后按調(diào)整下一梁段立模標(biāo)高。

4 施工監(jiān)測與分析

4.1 高程監(jiān)測

4.1.1 測點(diǎn)布置

高程測量是懸臂施工橋梁控制主梁線形的主要依據(jù)。通過在每個(gè)懸臂梁段頂板上布設(shè)的2個(gè)梁頂測點(diǎn)和底板下緣(模板頂)布設(shè)的2個(gè)底模監(jiān)測點(diǎn)(見圖3)，可以同時(shí)測量箱梁的豎向撓度和扭轉(zhuǎn)變形情況。梁底測點(diǎn)供底板定位使用，通過澆筑前建立的上、下測點(diǎn)的高程差，在澆筑完成后將測點(diǎn)引至梁頂。頂板測點(diǎn)用直徑20mm的鋼筋綁在腹板的鋼筋骨架上，露出梁頂表面5cm左右，并用紅漆做好標(biāo)記，在后續(xù)施工中通過測量梁頂高程可以反算梁底高程。同時(shí)在0#塊頂板出設(shè)置臨時(shí)的水準(zhǔn)點(diǎn)。

4.1.2 合龍精度

以左幅橋梁為例，由邊、中跨兩懸臂端的合龍前底板測量數(shù)據(jù)表1可知：合龍的最大誤差為17mm，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[5]所規(guī)定的合龍高程差小于20mm的要求。

表1 合龍前底板高程

4.1.3 成橋高程結(jié)果

合攏成橋后(橋面鋪裝施加前)，對底板、橋面每個(gè)梁段橫斷面布置的測點(diǎn)觀測確定底板、橋面線形。以左幅橋梁為例，底板理論計(jì)算標(biāo)高與實(shí)測標(biāo)高對比如圖4所示，頂板理論計(jì)算標(biāo)高與實(shí)測標(biāo)高對比如圖5所示。

圖3 高程測點(diǎn)布置示意圖

圖4 梁底高程理論值與實(shí)測值對比圖

圖5 梁頂高程理論值與實(shí)測值對比圖

從圖中所示的梁段頂面和底板的高程理論值和實(shí)測值的對比可以看出：在全橋合龍后，鋪裝施工前，底板的高程最大誤差為17mm，梁頂面高程的最大誤差為23mm，均小于《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》L/5000=31mm的允許誤差范圍，說明實(shí)測線形與成橋目標(biāo)線形吻合較好，主梁的線形平順。

導(dǎo)致理論計(jì)算高程和實(shí)測高程偏差的原因有以下幾個(gè)方面：對于理論計(jì)算所采用的混凝土容重、彈性模量與實(shí)際值有差別，仿真計(jì)算中徐變系數(shù)和預(yù)應(yīng)力摩阻損失系數(shù)均采用規(guī)范規(guī)定值，而沒進(jìn)行原位檢測試驗(yàn)進(jìn)行修正，對高程有一定影響；施工中的立模誤差、測量誤差等也會(huì)導(dǎo)致高程的偏差。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測

4.2.1 測點(diǎn)布置

應(yīng)力監(jiān)測通過在結(jié)構(gòu)的控制斷面處布設(shè)應(yīng)變傳感器，以觀測在施工過程中這些截面的應(yīng)力變化和應(yīng)力分布情況。結(jié)合施工監(jiān)控中的其它監(jiān)測結(jié)果，就能更全面地判斷全橋的內(nèi)力變形狀態(tài)，形成一個(gè)較好的預(yù)警機(jī)制，從而保障橋梁施工的安全和質(zhì)量。

圖6 應(yīng)力控制斷面布置圖

考慮到長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的方便程度，采用振弦式應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。根據(jù)懸臂施工連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特性，主梁的典型控制截面為懸臂端根部(0#塊前端)、L/4跨截面和跨中截面，如圖6所示。每個(gè)控制截面布設(shè)6個(gè)應(yīng)變傳感器，如圖7所示。

圖7 控制斷面應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

4.2.2 應(yīng)力控制結(jié)果

以左幅橋梁為例，中跨跨中根部截面S4、1/4跨截面S5的上下緣應(yīng)力，在各關(guān)鍵工況下的理論計(jì)算值和實(shí)測值(扣除非受力因素影響)的對比結(jié)果如圖8、圖9所示。

從圖8～圖9可知：各施工階段控制截面上緣、下緣混凝土實(shí)測應(yīng)力變化規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果是一致的，實(shí)測值與理論值較吻合，測試結(jié)果能準(zhǔn)確反映施工過程中梁體工作狀態(tài)。理論分析結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)之間存在的偏差主要是混凝土收縮徐變，橋面施工機(jī)械自重及結(jié)構(gòu)溫度變化等各種復(fù)雜因素而導(dǎo)致?？傮w來說，主梁受力狀況良好，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖8 中跨根部截面應(yīng)力歷程圖

圖9 中跨1/4跨截面應(yīng)力歷程圖

5 結(jié)論

橋梁施工控制作為橋梁施工技術(shù)的重要組成部分，是對橋梁宏觀施工質(zhì)量的掌握與控制，對保證橋梁建設(shè)安全、成橋達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)具有非常重要的意義。就交溪特大橋施工監(jiān)控的工程實(shí)施而言，主要結(jié)論和成果如下：

(1)分析了監(jiān)控實(shí)施過程中結(jié)構(gòu)的線形和應(yīng)力狀態(tài)，總結(jié)了影響高程和應(yīng)力的主要因素，分析了高程、應(yīng)力理論值和實(shí)測值存在偏差的主要原因。

(2)合攏成橋狀態(tài)下主梁線形順暢，結(jié)構(gòu)受力符合設(shè)計(jì)要求，主梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

(3)合攏成橋后，通過高程和應(yīng)力實(shí)測值和理論值對比分析，驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性和合理性，可為同類型橋梁的施工監(jiān)控提供參考。

[1]張繼堯,王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]石雪飛,項(xiàng)海帆.斜拉橋施工控制方法的分類分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(1):55-59.

[3]李建民.連續(xù)鋼構(gòu)橋梁施工控制[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015 (17).

[4]冉偉.淺談連續(xù)鋼構(gòu)橋梁施工監(jiān)控要點(diǎn)及體會(huì)[J].城市建設(shè)理論研究:電子版2015(15).

[5]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTG/TF50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2011.