■王 靈
(福建南平路橋公路養(yǎng)護工程有限公司,南平 354200)
我國建設(shè)事業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展時期,橋梁建設(shè)及施工也得到了快速發(fā)展,而橋梁運營安全成為引人關(guān)注的重要問題。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性及行車舒適性,在大跨度預(yù)應(yīng)力箱梁施工過程中對其進行監(jiān)測監(jiān)控,是保證施工質(zhì)量的重要手段。
橋梁施工監(jiān)控不僅是施工技術(shù)的重要組成部分,而且也是實施難度相對較大的一部分。對不同的體系,不同的施工方法,不同材料等的橋梁,其施工監(jiān)控技術(shù)要求也不同。以本橋為例,為了達到該橋設(shè)計要求的最終標高必須先設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于除了混凝土本身材料的非均質(zhì)和材料特性的不穩(wěn)定外,它還受環(huán)境溫度、濕度、時間等因素的影響,加上采用懸臂施工自架設(shè)體系施工方法,各節(jié)段混凝土或各層混凝土相互影響,這就必然造成各節(jié)段或?qū)拥膽?yīng)力和位移隨著混凝土澆筑或塊件的拼裝過程的變化而偏離設(shè)計值的現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)超過設(shè)計允許的應(yīng)力和位移。對這種情況,若不通過有效地施工監(jiān)控及時地發(fā)現(xiàn)和調(diào)整,勢必造成成橋狀態(tài)的應(yīng)力與線形不符合設(shè)計要求或在施工過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞。
橋梁施工監(jiān)控是確保橋梁施工宏觀質(zhì)量的關(guān)鍵。對于采用多工序,多階段施工的橋梁上部結(jié)構(gòu),要求結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和標高的最終狀態(tài)符合設(shè)計要求,就需要將施工中的實測值與預(yù)測值進行比較,及時進行誤差調(diào)整,直至達到最終的理想狀態(tài)。
橋梁的施工監(jiān)控又是橋梁建設(shè)的安全保證,為了安全可靠地建設(shè)每座橋梁,施工監(jiān)控將變得非常重要。當發(fā)現(xiàn)施工過程中監(jiān)測得到的實測值與理論值相差過大時,就應(yīng)及時進行檢查和分析原因,從而避免后續(xù)施工中工程安全事故的發(fā)生。
建陽市某大橋起點接建陽市西區(qū)生態(tài)城的迎賓大道(規(guī)劃),路線往東南方向,跨濱溪路(規(guī)劃)、麻陽溪,終點接黃花山路,雙向六車道,全長320m。橋梁平面位于直線段內(nèi)。橋型布置為(82+146+82)m變截面連續(xù)箱梁,主墩采用實體墩,橋臺采用肋式臺,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋型布置圖如圖1所示。
圖1 橋型布置圖(單位:cm)
由于大橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁,結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力均比較復(fù)雜,箱梁施工采用掛籃懸臂灌注施工法進行施工。因此施工監(jiān)控的工作目標是:把大跨度橋梁施工控制的理論和方法應(yīng)用于本橋架設(shè)的實際施工過程,對橋梁施工期間的線形、應(yīng)力等內(nèi)容進行有效的控制和合理的調(diào)整;根據(jù)施工全過程中實際出現(xiàn)的各項影響橋梁應(yīng)力、變形的參數(shù),結(jié)合施工過程中測得的各階段應(yīng)力與變形數(shù)據(jù),及時分析各施工階段中實測值與設(shè)計預(yù)測值的差異并找出原因,提出修正對策,并進行修正,協(xié)助施工單位安全、優(yōu)質(zhì)、高效地進行施工,并確保在全橋建成以后橋梁的內(nèi)力狀態(tài)、線形與設(shè)計的內(nèi)力狀態(tài)、線形相符。
施工控制牽涉到業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理、監(jiān)控監(jiān)測等多家單位,這些單位在施工控制中起到了重要作用。施工控制是靠參建各方協(xié)作、共同努力實現(xiàn)的。在本橋架設(shè)施工中組織體系如圖2所示。
圖2 監(jiān)控組織體系
在施工過程,由于受混凝土澆筑、掛籃移動、施工荷載、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土收縮及徐變、溫度、濕度等諸多因素的影響,往往會出現(xiàn)懸澆梁段的合龍誤差較大和成橋線形與設(shè)計目標不相吻合,這些是施工中必須認真解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。本橋的施工監(jiān)控難點和關(guān)鍵點包括以下幾個方面。
(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性影響
混凝土梁橋參數(shù)不確定性較大,施工中各種參數(shù)(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變系數(shù)、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載)的偏差,以及測量等方面產(chǎn)生的誤差,尤其是某些具有累積的特性的偏差 (如主梁的標高誤差、軸線誤差等),都對施工監(jiān)控的準確分析、預(yù)測有很大的影響。
(2)溫度荷載的影響
溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形影響很大,這種影響隨溫度的改變而改變,結(jié)構(gòu)的溫度次內(nèi)力或溫度次應(yīng)力易導致結(jié)構(gòu)裂縫。
(3)掛籃荷載的影響
本橋采用的是掛籃懸臂澆筑施工,掛籃的剛度和變形(彈性、非彈性)對主梁的線形會有較大的影響。懸臂澆筑施工過程中,必須保證掛籃的安全和穩(wěn)定,明確掛籃對主梁結(jié)構(gòu)的作用,消除預(yù)測中因?qū)κ┕すに嚹M不客觀引起的誤差,以確保主梁的線形和內(nèi)力在控制之中,保障橋梁施工的順利安全進行。
(4)預(yù)應(yīng)力的影響
預(yù)加應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形控制考慮的重要結(jié)構(gòu)參數(shù),但預(yù)應(yīng)力值的大小受很多因素的影響,包括張拉設(shè)備、管道摩阻、預(yù)應(yīng)力鋼筋斷面尺寸、彈性模量等,施工控制中要對其取值誤差做出合理估計。
(5)混凝土的收縮徐變
對于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)而言,材料收縮、徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形有較大的影響,這主要是由于橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中混凝土普遍存在加載齡期短和各個階段齡期相差較大等引起的,施工監(jiān)控中予以認真研究,以采用合理的符合實際的徐變參數(shù)和計算模型。
針對上述施工控制的難點和關(guān)鍵點,在本橋的施工監(jiān)控中,我們采用自校正調(diào)節(jié)適應(yīng)法+來解決上述問題,以保證每一施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形都處于預(yù)測和控制范圍之內(nèi),使橋梁施工最終狀態(tài)達到設(shè)計目標。
2.4.1 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測
借助施工建立的平面及高程控制網(wǎng),應(yīng)用三角及精密水準法對橋梁進行線型監(jiān)測。
(1)線型監(jiān)測
線型監(jiān)測是連續(xù)梁施工控制的核心之一,確定好線型測點非常重要。為確保測試結(jié)果的準確、可靠,每個施工塊件兩腹板外緣及中線前端頂部各布置3個對稱的高程觀測點,以利于在觀測箱梁撓度,同時觀察箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。0#塊的中心高程觀測點不但是本塊件箱梁頂板設(shè)計標高的控制點,同時也是后續(xù)各懸澆節(jié)段高程觀測的基準點,因此每個主墩箱梁頂部中心點應(yīng)加固處理。塊件的撓度測點位置設(shè)在距塊件前端15cm處,測點采用φ16鋼筋制作,鋼筋長度約25cm,在垂直方向上與箱梁頂板的上下層鋼筋點焊牢固,并保持垂直,頂端打磨平整,側(cè)緣倒角并露出砼面2cm,用紅油漆標識。0號塊高程測點布置:布置0號塊高程測點目的在于控制頂板的設(shè)計標高,同時也作為以后各懸澆階段高程觀測的基準點。每個0號塊的頂板各布置11個高程觀測點,測點布置如圖3所示。
圖3 0號塊截面尺寸圖和高程測點布置示意圖
各懸澆節(jié)段的高程觀測點布置:每個節(jié)段各布置兩個高程觀測點,對稱布置在懸臂板與承托的交接處,與塊件前端相距10cm,如圖4所示。
圖4 0懸臂節(jié)段高程測點布置示意圖(單位:cm)
各主墩零號塊施工完成后,監(jiān)控單位配合施工單位利用已經(jīng)建立的三維導線控制點設(shè)立零號塊上的箱梁懸壁澆筑施工的高程控制點 (后續(xù)各懸澆節(jié)段高程觀測的基準點),在箱梁懸臂施工中,對于高程控制的基準點,在下述情況下應(yīng)進行復(fù)測:
①結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換后;
②墩基礎(chǔ)發(fā)生較大沉降變化時;
③施工控制組經(jīng)分析后認為有必要進行復(fù)測時。
為了給線性控制提供理論依據(jù),施工單位按照監(jiān)控單位要求現(xiàn)場取樣,制成彈模測試試塊。
(2)主梁軸線偏位測量
主梁軸線偏位測點布置見圖5,采用視準法直接測量。將全站儀或經(jīng)緯儀架設(shè)在墩頂梁面中心,后視另一墩頂梁面中心,視線為基準線,在梁前端中心標記處放置小鋼尺,鋼尺基準點與梁端中心點重合,用儀器直接讀取鋼尺讀數(shù),即為軸線偏移值。測試箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后軸線偏位由施工單位配合進行。
圖5 0號塊測點布置示意圖(CP為軸線偏位測點)
(3)線型測量儀器設(shè)備
全站儀精度為 ±2″;Wild NA2自動安平水準儀精度為±0.7mm/100km。
(4)線型測量注意事項
①線型測量過程中,當各墩之間及各墩與施工控制網(wǎng)之間可以聯(lián)測時,應(yīng)進行聯(lián)測,以確保測量數(shù)據(jù)的可靠、準確。
②為盡量消除溫度對線型測量的影響,線型測量時間定在溫度相對恒定時進行,一般在夜間19:00以后或清晨日出8:00之前,并隨季節(jié)調(diào)整。
③施工監(jiān)控過程中應(yīng)注意因暫時不平衡力而引起的主梁和墩身線型的變化。
④施工監(jiān)控過程中,應(yīng)注意各種臨時荷載、掛藍等力是否平衡。并嚴格管理各種臨時荷載的堆放位置。
⑤箱梁每一節(jié)段懸臂施工過程中,測量小組和施工單位應(yīng)進行至少以下三個工況的撓度測量和高程控制測量:a.掛籃移位、澆筑箱梁混凝土前;b.澆筑箱梁混凝土后及縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前;c.箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后。
同時,應(yīng)進行至少以下兩個工況的箱梁平面中線位置控制測量,即:a.掛籃移位及澆注混凝土前;b.箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后。
以上測量工況,除對當前施工梁進行外,同時對己施工所有節(jié)段測量,以得到箱梁節(jié)段累計實際變形。為了保證成橋橋面標高和監(jiān)控線形的吻合,監(jiān)控單位平時應(yīng)當經(jīng)常性抽測橋面實際標高,并跟鋼筋頭標高推論出的橋面線形進行比較,超出范圍及時匯報。
⑥0號塊施工完畢后,基礎(chǔ)沉降觀測點設(shè)在各墩的墩身或承臺上,每個橋墩或承臺上設(shè)2~4個測點(最高墩尤其要注意),測點采用固定在墩身表面的水準尺或承臺埋置式測點。在特定情況或者根據(jù)業(yè)主監(jiān)理要求復(fù)合墩身沉降。
⑦合攏之前的長懸臂階段必須觀測標高隨日照的變化;合攏段要詳細跟蹤底模板的標高變化;邊跨和中跨合攏監(jiān)控單位都必須提供合攏精度報告;對于施工單位的合攏配重方案,監(jiān)控單位進行復(fù)核并提出建議;中跨預(yù)應(yīng)力張拉后監(jiān)控單位要進行全橋橋面標高復(fù)測。
2.4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測
對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言,由于混凝土材料的非均勻性和不穩(wěn)定性,受設(shè)計參數(shù)(如材料特性、密度、截面特性等參數(shù))、施工狀況(施工荷載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失、溫度、濕度、時間等參數(shù))和結(jié)構(gòu)分析模型等諸多因素的影響,結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力很難完全吻合,即計算應(yīng)力不可能準確反映結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力狀態(tài)。只有通過理論分析、誤差分析等手段,使測試應(yīng)力結(jié)果盡可能地接近于結(jié)構(gòu)實際,才能較準確地掌握結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力狀態(tài)。由于混凝土材料的特殊性,測量應(yīng)力的誤差主要來源于混凝土的實際彈性模量的差異和混凝土的收縮徐變的影響。為了排除非受力應(yīng)變,在埋入工作應(yīng)力計的同時,也埋設(shè)無應(yīng)力計,測試混凝土的非應(yīng)力應(yīng)變。從實測的總應(yīng)變中減去無應(yīng)力計測試的無應(yīng)力應(yīng)變,即可得到由應(yīng)力引起的混凝土應(yīng)變,再根據(jù)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,可以推算混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的單軸應(yīng)變計算公式,從而計算出混凝土的應(yīng)力。
(1)傳感器選擇
基于大橋施工工期長、工作量大(測量頻繁且須多點同時讀數(shù))、現(xiàn)場測試環(huán)境差(邊施工,邊測量),密封、絕緣要求高,溫度變化難于預(yù)測,因撞擊、振搗損壞傳感器器件的情況不可避免。同時,還必須設(shè)法排除混凝土收縮徐變對測試結(jié)果的影響。在整個監(jiān)測監(jiān)控期間,為了不影響橋梁現(xiàn)場施工進度,鑒于同類橋梁施工監(jiān)控的經(jīng)驗,擬選用內(nèi)埋式鋼弦應(yīng)變傳感器。目前,工程界普遍認為,鋼弦式內(nèi)埋應(yīng)變傳感器量程大、精度高、零漂和溫漂小,且自身防護破損的能力好,便于長期觀測,是混凝土應(yīng)變測量較理想的傳感元件。
根據(jù)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)可受到的荷載和溫度變化情況,選用智能記憶數(shù)碼應(yīng)變計XHX-115和XHX-215兩種。 其主要指標如下:量程±1500με、靈敏度 1με、長期穩(wěn)定性2~3με。配合使用無應(yīng)力計,檢測儀器為XHY-ZH1型綜合測試儀。
(2)測試斷面及測點布置方案
實踐表明:箱型截面整體性好,結(jié)構(gòu)剛度大,承受正、負彎矩及抗扭能力強,是一種經(jīng)濟合理的截面形式。單箱單室薄壁截面,可提高單位面積的慣性矩,可采用箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力與腹板內(nèi)豎向預(yù)應(yīng)力配筋來解決長懸臂箱梁的受力問題。對于大跨度三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋,箱梁結(jié)構(gòu)在混凝土懸澆中各截面的應(yīng)力分布有很大的差別,起控制作用的因素是主梁的自重、掛籃和預(yù)應(yīng)力,因此監(jiān)測主梁的上下緣正應(yīng)力就顯得尤為重要。
應(yīng)力測試斷面的選擇主要考慮以下因素:①結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵截面;②施工流程;③本橋自身特點;④結(jié)構(gòu)的對稱性;⑤結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力特點。梁體應(yīng)力監(jiān)測斷面見圖6,各斷面應(yīng)力監(jiān)測點布置見圖7。主橋上部結(jié)構(gòu)箱梁中共布置7個測試斷面,其中支點附近截面每個斷面內(nèi)布置6個應(yīng)變傳感器,跨中位置截面(A、D、G)每個斷面內(nèi)布置4個應(yīng)變傳感器,傳感器在各個斷面內(nèi)均為順橋向布置;此外,結(jié)合以往的連續(xù)梁橋施工過程中常常遇到的一些問題,在主跨1/4斷面位置處增設(shè)一個觀測斷面(H-H斷面),斷面內(nèi)共布置4個應(yīng)變傳感器。斷面選擇在最早施工的主跨梁段內(nèi)。斷面內(nèi)各個傳感器的測試導線端頭統(tǒng)一引到橋面上,并采取相應(yīng)的保護措施防止導線受到損壞。
圖6 主橋施工監(jiān)測斷面布置示意圖
圖7 主橋施工監(jiān)測斷面測點布置示意圖(單位:cm)
(3)應(yīng)變計埋設(shè)
為保證埋設(shè)的鋼弦應(yīng)變計有較高的成活率,需對埋設(shè)的應(yīng)變計特殊處理和進行多項檢查。在操作中盡可能準確地使鋼弦應(yīng)變計與縱向應(yīng)力方向保持一致。為防止混凝土澆筑過程中傳感器的竄位和角度改變,埋設(shè)時用扎絲將傳感器較牢捆扎在鋼筋上。
(4)箱梁應(yīng)力測量工況
混凝土箱梁的懸澆過程大致可分為三個工序:①掛籃前移、立模;②混凝土澆筑;③預(yù)應(yīng)力張拉。則應(yīng)力測量工況為:懸臂施工的前1~2個階段,在混凝土澆筑后和預(yù)應(yīng)力張拉后測量;后續(xù)節(jié)段正常施工,在預(yù)應(yīng)力張拉后測量,合攏前適當加密;然后對體系轉(zhuǎn)換后箱梁結(jié)構(gòu)各工況改變后的應(yīng)力進行監(jiān)測,直至箱梁竣工。特殊情況下可適當加密箱梁應(yīng)力的監(jiān)測頻次。測量時間選定在每一工況結(jié)束后3~6小時為宜,同時,在每一施工階段,各工況測量時的溫度變化不能太大。
2.4.3 結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測
溫度是影響主梁變形的最主要因素之一,溫度變化包括日溫度變化和季節(jié)溫度變化兩部分。日溫度變化比較復(fù)雜,尤其是日照作用,會引起箱梁頂?shù)装宓臏夭睿怪髁喊l(fā)生撓曲,同時也會引起墩身的偏移。季節(jié)溫差對主梁撓度的影響比較簡單,其變化是均勻的,可通過采集各節(jié)段在各個施工階段的溫度,輸入計算機進行處理。因此,為了摸清箱梁截面內(nèi)外溫差和溫度在截面上的分布情況,在梁體上布置溫度觀測點進行觀測,以獲得準確的溫度變化規(guī)律。監(jiān)測控制截面的溫度和溫度應(yīng)力,可以在分析時消除溫度產(chǎn)生的附加應(yīng)力,準確地監(jiān)控截面的真實應(yīng)力情況。
考慮到各個“T”的溫度分布大致相同,故選取其中一個“T”的一側(cè)懸臂作為溫度測試對象。共設(shè)置2個溫度觀測斷面,每個斷面各布置4個溫度觀測點。長沙翔昊記憶智能型應(yīng)變計帶有溫度應(yīng)變功能,則溫度傳感器可選用此型號。C-C斷面和H-H斷面選為溫度觀測斷面。
當箱梁懸澆施工至長懸臂狀態(tài)時,大氣溫度變化、日照溫差等對長懸臂箱梁變形影響顯著,為了保證各跨箱梁順利合攏和線形控制要求,必須進行懸臂標高的24小時跟蹤測量,同時量測相應(yīng)的氣溫變化值。
2.4.4 施工線型控制目標
合攏兩側(cè)主梁懸臂端高差小于10mm,要求結(jié)構(gòu)的線形平順最大誤差與理論線形比較小于30mm,橋面線型符合設(shè)計要求,力求做到自然合攏。橋墩允許偏差為不大于0.3%h(墩高)且不大于20mm。懸臂合攏的中軸線位置誤差不大于10mm,立模精度在±10mm范圍。
(1)理論立模標高
理論立模標高根據(jù)模型計算的預(yù)拱度和梁底設(shè)計標高進行設(shè)置,按照規(guī)范要求,橋梁預(yù)拱度考慮橋梁合龍1000天后的收縮和徐變與1/2活載下的撓度。理論模擬標高見圖8。
式中,Hlm為梁體立模標高;Hd為設(shè)計標高;Hypg為計算所得的預(yù)拋高值;fgl為掛籃變形值。
(2)成橋線型
橋梁成橋后橋面線形與設(shè)計高差在-0.006m~0.019m之間,理論值和實測值基本吻合;橋面線形光順,成橋線形達到線形預(yù)定施工控制目標。成橋后橋梁理論線型和實測線型如圖9所示。
圖8 理論立模標高(單位:m)
圖9 成橋理論線型和實測線型對比分析圖(單位:m)
(3)應(yīng)力監(jiān)測
施工過程重梁體的應(yīng)力隨著施工進度不斷變化,在施工過程中,梁體應(yīng)力值受到各種因素影響可能會偏離計算值,嚴重時梁體實際應(yīng)力超過混凝土的允許值。因此,有必要在施工階段對梁體控制截面進行施工應(yīng)力監(jiān)控測試,為設(shè)計、施工控制提供實測應(yīng)力值作為參考數(shù)據(jù),以確保大橋安全、優(yōu)質(zhì)建成。本橋應(yīng)變測試主要測試主梁沿橋縱向的正應(yīng)變,因此,在測試截面的梁頂、底板布置應(yīng)力測點。
從測量結(jié)果可知:(1)施工過程中測量應(yīng)力與理論應(yīng)力的差值在1.5MPa以內(nèi);測量的施工過程中最大壓應(yīng)力為 13.9MPa, 滿足規(guī)范要求≤0.70fck′=0.7×35.5=24.85MPa;施工階段未出現(xiàn)拉應(yīng)力;(2)成橋后梁體應(yīng)力在-5.1~-12.3MPa之內(nèi),測量應(yīng)力與理論計算的成橋應(yīng)力差值在0.8MPa以內(nèi),測量應(yīng)力接近理論計算應(yīng)力。
測量各個施工階段和成橋狀態(tài)下應(yīng)力測試數(shù)據(jù)表明,左幅橋施工階段和成橋狀態(tài)下梁體應(yīng)力與計算應(yīng)力接近,且滿足規(guī)范要求,成橋狀態(tài)左幅橋內(nèi)力內(nèi)處于安全、合理狀態(tài)。
對本橋橋梁結(jié)構(gòu)進行正常極限狀態(tài)驗算表明結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度均滿足規(guī)范要求;施工階段計算表明施工過程結(jié)構(gòu)安全,線形和應(yīng)力達到施工控制要求;各項測試數(shù)據(jù)表明本橋施工和成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力狀態(tài)始終在控制范圍內(nèi),最終施工的成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力達到設(shè)計的目標狀態(tài)。
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