滕樹元

(中鐵十六局集團 第五工程有限公司，河北 唐山 063000)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是目前山區(qū)橋梁中應(yīng)用最為廣泛的一種橋型[1]，上部結(jié)構(gòu)的施工主要采用對稱懸臂澆筑法。對于高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋而言，由于在施工過程中受多種因素的影響，施工階段結(jié)構(gòu)的變形、截面的應(yīng)力狀態(tài)不僅關(guān)系到施工質(zhì)量和施工安全，還直接影響到成橋線形與成橋的受力狀態(tài)，因此，對大橋進行施工控制顯得尤為重要[2-6]。

李國平等[7]提出大跨連續(xù)梁橋線形最優(yōu)施工控制的方法和理論，將大跨徑連續(xù)梁橋施工期結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)和成橋線形作為最優(yōu)控制的對象，并根據(jù)其懸臂施工特點，來控制約束條件、目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)與變量、以及具體實施方法等，實際應(yīng)用中取得了較好的效果。馬顯紅等[8]以貴州吳江特大橋為例，分析了混凝土節(jié)段重量、收縮徐變、溫度荷載等參數(shù)對該橋施工控制精度的影響，并建立了考慮收縮徐變影響的線性控制預(yù)測模型。莊緒杰[9]采用有限元軟件對背景橋梁施工過程進行分析計算，探討了單邊日照、環(huán)境溫度、薄壁空心墩結(jié)構(gòu)尺寸、風(fēng)荷載等參數(shù)對該橋施工階段以及成橋階段穩(wěn)定性的影響。

本文以云南省麻(柳灣)—昭(通)高速公路牛家溝特大橋為工程背景，對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的線形控制過程和方法進行研究，采取理論分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方式，通過施工控制理論研究，提高高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋施工線形控制精度，滿足成橋線形要求。同時通過施工階段結(jié)構(gòu)分析，確保施工過程中主體結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

麻昭高速公路牛家溝特大橋是云南省第一高橋，位于云南昭通市以北200 km處大關(guān)縣。主橋上部結(jié)構(gòu)采用(95+180+95)m三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)，雙幅布置，見圖1。箱梁采用單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁頂板寬11.8 m，底板寬5.5 m，梁高在根部為11 m，跨中為3.8 m，中跨梁高按1.8次拋物線變化，邊跨現(xiàn)澆段梁高4.5 m。主墩高137 m，墩身采用雙肢變截面矩形空心墩，順橋向雙肢間距7.0 m，單肢墩頂截面尺寸3.5 m×8.5 m?；A(chǔ)為鉆孔樁承臺基礎(chǔ)，承臺長19.2 m，寬15.2 m，厚4.0 m，承臺下設(shè)20根直徑2.0 m 樁基，按端承樁設(shè)計。

圖1 牛家溝特大橋概貌

主梁上部結(jié)構(gòu)采用掛籃懸臂澆筑法施工。箱梁0號節(jié)段長16 m，高11 m，0號梁段采用墩頂托架施工，而后對稱向兩側(cè)施工至合龍段，采用支架法施工邊跨現(xiàn)澆段，先邊跨合龍，再中跨合龍。每個懸臂T構(gòu)順橋向?qū)ΨQ劃分為22個節(jié)段，懸臂節(jié)段最大控制質(zhì)量250 t，掛籃質(zhì)量設(shè)計值為120 t。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立牛家溝特大橋三維空間模型。主墩和主梁采用梁單元模擬，計算過程通過時間依存效應(yīng)考慮收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響。模擬橋梁懸臂施工，T構(gòu)懸澆至最大懸臂狀態(tài)，先邊跨合龍，再體系轉(zhuǎn)換中跨合龍。全橋共分339個節(jié)點，336個單元，其中1～102為主梁單元，103～336為主墩單元。全橋計算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元計算模型

3 施工控制監(jiān)測方法

3.1 施工監(jiān)控內(nèi)容

施工監(jiān)控總體內(nèi)容包括以下3個方面：

1)現(xiàn)場的實時測量體系

測量的內(nèi)容包括溫度、軸線、標(biāo)高、應(yīng)力、應(yīng)變等，測量的頻率需根據(jù)施工現(xiàn)場實際確定。

2)現(xiàn)場測試體系

在主墩澆筑階段應(yīng)做主梁混凝土彈模、重度試驗，收集材料特性方面的檢測數(shù)據(jù)。主梁懸澆前應(yīng)做掛籃靜載試驗，收集與分析各種荷載等資料。主梁張拉前做管道摩阻試驗，為線形控制提供數(shù)據(jù)支持。

3)分析判斷系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場實測資料，對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行分析，與設(shè)計進行對比，給出當(dāng)前階段應(yīng)力、變形、穩(wěn)定等狀態(tài)分析報告，對后續(xù)施工狀態(tài)進行預(yù)測，提出施工控制措施。

本橋采用懸臂施工，由于連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中已成梁段的空間位置是無法事后調(diào)整的，所以主要采用事前預(yù)測和事中控制，以確保成橋線形符合設(shè)計要求。

3.2 施工監(jiān)控方案

3.2.1 結(jié)構(gòu)線形及位移監(jiān)測

主梁施工過程中，需對箱梁頂面的撓度進行觀測，在掛籃就位、立模、混凝土澆筑前后和張拉前后均需觀測主梁撓度變化，為控制分析提供實測數(shù)據(jù)。通過豎直面內(nèi)與水平面內(nèi)的線形監(jiān)測，有效地控制橋梁施工全過程。

1)標(biāo)高控制點布置

主梁標(biāo)高測點設(shè)置在各梁段上表面的前端，如圖3(a)所示,立模標(biāo)高測點設(shè)置在各梁段模板的前端，如圖3(b)所示。

圖3 標(biāo)高控制點布置

2)立模標(biāo)高

在建立了正確的計算模型和確定性能指標(biāo)之后，依據(jù)設(shè)計參數(shù)和控制參數(shù)，結(jié)合橋梁狀態(tài)、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等進行前期數(shù)據(jù)采集及分析，獲得各階段內(nèi)力和撓度、成橋狀態(tài)內(nèi)力和撓度。設(shè)定成橋為理想狀態(tài)，對橋梁結(jié)構(gòu)進行倒拆分析。利用分析所得數(shù)據(jù)，獲得理想狀態(tài)下各階段的計算預(yù)拱度值。根據(jù)設(shè)計標(biāo)高、現(xiàn)場各項數(shù)據(jù)，對施工過程中各工況標(biāo)高及應(yīng)力測點觀測結(jié)果進行分析，修定計算預(yù)拱度值，提供施工立模標(biāo)高。從而保證橋跨結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計要求并考慮混凝土長期收縮、徐變等不利因素對線形的影響。

提供的施工立模標(biāo)高用下式計算。

H施=H設(shè)+∑f1+∑f2+f3+f4+f5

式中：H施為梁段施工立模標(biāo)高；H設(shè)為箱梁設(shè)計標(biāo)高； ∑f1為自身及后續(xù)梁段自重對立模梁段產(chǎn)生的撓度；∑f2為自身及后續(xù)梁段張拉預(yù)應(yīng)力對立模梁段產(chǎn)生的撓度；f3為掛籃自重和自身變形產(chǎn)生的撓度；f4為二期恒載對立模梁段產(chǎn)生的撓度；f5為箱梁因混凝土收縮、徐變、長期使用荷載及施工臨時荷載對立模梁段產(chǎn)生的撓度。

考慮到撓度f5的影響因素比較復(fù)雜，立模標(biāo)高應(yīng)綜合考慮各項檢測數(shù)據(jù)，確定計算參數(shù)，通過施工監(jiān)測與控制，在施工前確定。

3)觀測時間及頻率

本橋在監(jiān)測過程中，將標(biāo)高基準(zhǔn)點布設(shè)在墩頂0#段，定期進行校核。將標(biāo)高觀測時間安排在太陽升起之前進行，觀測時間可適當(dāng)延長，但最遲不超過日出后0.5 h，這樣可基本排除溫度的影響。橋梁施工觀測應(yīng)在各施工工況變化后進行。本橋根據(jù)實際情況安排在掛籃前移并立模時、澆筑混凝土前后、預(yù)應(yīng)力張拉前后、二期恒載施工前、二期恒載施工后，測量各梁段控制點標(biāo)高。

4)主梁預(yù)拱度設(shè)置

主梁懸臂施工開展之前，對全橋進行了詳細的施工過程模擬，并由此確定了本橋的控制目標(biāo)線形，建立了相應(yīng)的立模標(biāo)高控制數(shù)據(jù)。在懸臂施工過程中以此成果為目標(biāo)并結(jié)合實測誤差狀態(tài)逐段預(yù)測并提供梁段立模標(biāo)高。

3.2.2 墩頂變位及基礎(chǔ)沉降的監(jiān)測

1)墩頂變位監(jiān)測

利用橋梁兩岸控制網(wǎng)點，采用后方交匯法，得出測點的三維坐標(biāo)。逐墩頂布置水平基準(zhǔn)點和軸線基準(zhǔn)點，監(jiān)控單位和施工單位每月進行一次聯(lián)測。以首次墩頂標(biāo)高值作為初始值，各工況下實測值與初始值之差即為該工況下的墩頂變位。測點位置選在墩頂、墩底便于觀測的可靠位置處，用全站儀測量。每完成5～7個節(jié)段后測量1次。

2)基礎(chǔ)沉降變形監(jiān)測

每個主墩承臺上布置4個觀測點。沉降監(jiān)測網(wǎng)的建立、精度要求等應(yīng)符合規(guī)范的要求。在承臺四角布置測點便于觀測，用全站儀測量測點標(biāo)高。每完成5～7個節(jié)段后測量1次。

4 施工監(jiān)控過程與結(jié)果

4.1 立模標(biāo)高控制

施工監(jiān)測過程中對每一個節(jié)段施工循環(huán)進行了跟蹤測量，及時掌握了結(jié)構(gòu)在每個施工工況下的實際變形行為，與理論數(shù)值進行對比，以便對誤差進行調(diào)整。

4.2 合龍頂推控制結(jié)果

剛構(gòu)橋為平衡運營過程中混凝土主梁的徐變效應(yīng)，使橋墩受力更加合理，在中跨合龍過程中需進行頂推。本橋頂推力根據(jù)現(xiàn)場實際情況計算，千斤頂頂推量為120 t，合龍口理論頂開位移為29.6 mm，實測頂開位移為16.1 mm，頂開位移較理想。

4.3 合龍精度控制成果

本橋2015年10月合龍作業(yè)全部順利完成，這也是本橋的關(guān)鍵施工階段之一。牛家溝特大橋的合龍鎖定勁性骨架及合龍臨時鋼束構(gòu)造均符合設(shè)計要求。

全橋各個合龍段施工作業(yè)前均對合龍口兩懸臂端的標(biāo)高值進行了觀測。表1給出合龍口標(biāo)高及合龍誤差。從表中實測數(shù)據(jù)看出，橋跨合龍精度得到了很好的控制，6個合龍段扣除橋面縱向坡度影響后的合龍誤差均在2.0 cm以內(nèi)。軸線誤差1.5 cm。成橋后主梁線形良好，為鋪裝線形控制創(chuàng)造了有利條件。

表1 合龍口標(biāo)高及合龍誤差 m

4.4 合龍后橋面標(biāo)高及橋面鋪裝控制成果

分析標(biāo)高通測結(jié)果可以看出：控制斷面主梁標(biāo)高測點實測平均值與理論值偏差絕大部分在-3.6～3.6 cm 之間，滿足控制精度±3.6 cm(±L/5 000,L為橋梁跨度)的限值。合龍成橋狀態(tài)橋面標(biāo)高總體控制情況較好，線形較為順暢，但由于測點位置偏差以及相應(yīng)塊段的橫向坡度控制水平，部分實測標(biāo)高與理論值有一定差異。針對這一情況，對橋面鋪裝厚度進行了曲線擬合，供鋪裝施工時參考。

圖4為左幅上游側(cè)橋面實測標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高差值分布。

圖4 左幅上游側(cè)橋面實測標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高差值分布

分析圖4可知：左幅橋面線形總體順暢，無明顯變異點。其中上游側(cè)橋面實測標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高之差處于-5.9～17.3 cm；下游側(cè)橋面實測標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高之差處于-2.5～21.8 cm。3#—4#墩中跨跨中上游側(cè)實測豎向標(biāo)高值比設(shè)計值高10.4 cm，下游側(cè)實測豎向標(biāo)高值比設(shè)計值高16.9 cm。由于成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土存在收縮徐變，預(yù)應(yīng)力筋存在松弛等原因，主跨將會出現(xiàn)一定的下?lián)?。成橋?qū)崪y線形優(yōu)于設(shè)計線形，符合成橋預(yù)拱度的設(shè)置，對橋梁整體受力及結(jié)構(gòu)的耐久性有利。

5 結(jié)語

1)牛家溝特大橋主橋在整個施工過程中預(yù)拱度計算及掛籃變形值的預(yù)測是精確的，實測橋梁變形值與理論值吻合良好。主梁控制斷面上下游標(biāo)高測點實測平均值與理論計算值偏差在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。

2)牛家溝特大橋主橋各跨合龍施工過程體系轉(zhuǎn)換順利，橋跨合龍精度較好，最大合龍誤差滿足控制目標(biāo)要求，且主梁軸線基本無偏差。頂推合龍過程中，左右幅橋?qū)崪y頂開位移量及所需頂推力值與理論計算結(jié)果基本相符，整體頂推效果良好，達到了墩身垂直度線形控制的目標(biāo)值。

3)合龍成橋狀態(tài)橋面標(biāo)高總體控制情況較好，合龍后主梁線形良好，鋪裝厚度滿足設(shè)計要求，為鋪裝線形控制創(chuàng)造了有利條件。

4)牛家溝特大橋主橋的施工控制工作，為實際了解大跨預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)行為提供了施工全過程信息，對該類橋型今后的設(shè)計、施工及進一步發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗。

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