鄧振全 董 旭 李樹(shù)忱

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量問(wèn)題是公路、鐵路及交通等行業(yè)和全社會(huì)非常關(guān)注的重大問(wèn)題[1]。施工監(jiān)控是確保橋梁結(jié)構(gòu)在施工或運(yùn)營(yíng)階段體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路、滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)，保證工程安全質(zhì)量所必須的重要手段[2]。在實(shí)際施工過(guò)程中，受設(shè)計(jì)假定誤差、施工荷載、環(huán)境天氣、材料和施工技術(shù)水平等多因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力、變形等狀態(tài)參數(shù)會(huì)與設(shè)計(jì)要求、有限元分析結(jié)果有所差異，如不加以及時(shí)調(diào)整，會(huì)致使結(jié)構(gòu)的施工控制參數(shù)誤差不斷累積，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的線形、內(nèi)力和成橋狀態(tài)，甚至造成橋梁無(wú)法合龍，危及施工和運(yùn)營(yíng)安全。對(duì)橋梁施工監(jiān)控各方面問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。包龍生、閆燕紅等[3,4]結(jié)合工程闡述了橋梁施工監(jiān)控的內(nèi)容和通用方法，并通過(guò)對(duì)比分析得到了大跨連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)參數(shù)中橋梁施工和監(jiān)控的主要和次要影響因素；劉慶昌等[5]利用馬爾科夫殘差對(duì)連續(xù)梁橋施工監(jiān)控的灰色理論模型進(jìn)行了改進(jìn)，修正了監(jiān)控的預(yù)測(cè)誤差；陳秀清等[6]基于受力優(yōu)化和均勻性原則，研究了合龍順序?qū)B續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)性能和成橋狀態(tài)的影響，提出了優(yōu)化施工合龍方案；趙國(guó)梁、姚敏紅、王一新等[7-13]則結(jié)合不同梁型、不同設(shè)計(jì)方案研究了橋梁施工監(jiān)控的技術(shù)要點(diǎn)。

本研究依托某地區(qū)鐵路擴(kuò)能改造工程有砟軌道單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，闡述和分析了本研究工程的一整套監(jiān)控方法和理論，介紹了其監(jiān)控內(nèi)容、方案和工具，實(shí)施了線形和應(yīng)力監(jiān)控工作，并給出了其監(jiān)控結(jié)果和結(jié)論，研究保證了該工程安全成功合龍，可作為其他橋梁工程監(jiān)控的參考。

1 工程概況

某鐵路擴(kuò)能改造工程有砟軌道橋梁為48 m+80 m+48 m三跨單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室直腹板式變截面連續(xù)箱梁，最大梁高為6.4 m，中跨及邊跨直線段梁高為3.6 m，箱梁采用縱向、橫向和豎向三向預(yù)應(yīng)力體系；橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔樁基。連續(xù)梁應(yīng)用懸澆法建造，分兩個(gè)對(duì)稱T構(gòu)，各劃分為11個(gè)梁段，邊跨為7.75 m現(xiàn)澆段，邊跨和中跨合龍段均為2 m。梁體全部采用C55混凝土。該連續(xù)梁上跨當(dāng)?shù)啬扯?jí)公路，交叉角度為134°36″。該公路為貨運(yùn)主路，車流量大。連續(xù)梁橋全橋布置及與所跨公路位置如圖1所示。

2 監(jiān)控方法

2.1 監(jiān)控原則

特大跨連續(xù)梁的監(jiān)控工作，最終目的是保證施工過(guò)程中梁橋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。具體表現(xiàn)為：對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和有效控制，以確保工程的線形和受力等滿足規(guī)范要求和設(shè)計(jì)預(yù)期，并保證其有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。一般遵循“預(yù)報(bào)→施工→量測(cè)→識(shí)別→修正→下一次預(yù)報(bào)”循環(huán)流程。

2.2 監(jiān)測(cè)理論

2.2.1分析理論

前進(jìn)分析法是指根據(jù)既定施工方案逐階段地進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，幾何形態(tài)、邊界約束、荷載分布等不斷變化，前一階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為下一階段的分析基礎(chǔ)，并得到成橋受力變形情況。該方法能為強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算和成橋受力提供依據(jù)和精確結(jié)果，能確定可靠的施工階段理想狀態(tài)，故選擇前進(jìn)分析法作為研究分析理論。

2.2.2控制理論

自適應(yīng)控制法認(rèn)為，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別或參數(shù)估計(jì)，不斷修正參數(shù)，使設(shè)計(jì)輸出與實(shí)測(cè)結(jié)果相符，可以達(dá)到工程誤差或問(wèn)題控制的目的，原理如圖2所示。且其相對(duì)其他方法，實(shí)施較為簡(jiǎn)便，故研究選擇自適應(yīng)控制法作為誤差控制方法。

2.2.3誤差調(diào)整方法

施工中，結(jié)構(gòu)易受到材料、環(huán)境、施工技術(shù)等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致分析采用的理想設(shè)計(jì)參數(shù)值與結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)的相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)值出現(xiàn)一定偏差，設(shè)計(jì)參數(shù)誤差是引起大跨橋梁施工誤差的主要因素之一。本研究通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別，并利用最小二乘法進(jìn)行誤差調(diào)整，通過(guò)最小化誤差的平方和以確定數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)，其基本原理是確定函數(shù)S*(x)，使誤差平方和：

(1)

其中,δi=S*(xi)-yi,(i=0,1,2,…,m)。

3 監(jiān)控方案

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用MIDAS/Civil建立主梁模型，利用前進(jìn)分析法做計(jì)算，并由橋梁博士3.0進(jìn)行復(fù)核。主梁模型依設(shè)計(jì)施工節(jié)段(如圖3所示)對(duì)應(yīng)劃分為若干單元，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬。采用C55混凝土，加載齡期為7 d；預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛損失取為2.5%，錨具變形與鋼束回縮值取為6 mm，管道摩阻系數(shù)μ=0.25，偏差系數(shù)k=0.003；二期恒載取為98 kN/m；收縮徐變考慮1 500 d。有限元計(jì)算模型如圖4所示，全橋共劃分70個(gè)單元，97個(gè)節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)模型計(jì)算，得到自重、預(yù)應(yīng)力以及混凝土收縮徐變引起的懸臂前端撓度值、掛籃彈性變形和活載撓度值等理論數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合上節(jié)段的控制情況，根據(jù)式(2)可知：

(2)

式中：Hlmi——節(jié)點(diǎn)i(待澆筑段底板前端)立模標(biāo)高；

Hsji——待澆筑段底板前端的設(shè)計(jì)標(biāo)高；

∑fdi——施工過(guò)程中恒載(含自重、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等)引起的節(jié)點(diǎn)i累計(jì)撓度值；

fli——靜活載引起節(jié)點(diǎn)i撓度值；

fgl——掛籃彈性變形值，由掛籃預(yù)壓及高程實(shí)測(cè)確定，本研究采用式(3)來(lái)預(yù)測(cè)掛籃變形：

(3)

式中:ff——澆筑第n號(hào)梁段產(chǎn)生的掛籃彈性變形；

Δfn，Δfn-1,Δfn-2——澆筑第n塊混凝土后第n,n-1,n-2號(hào)梁段前端的變形；ln,ln-1為第n,n-1號(hào)梁段長(zhǎng)度。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

3.2.1變形監(jiān)測(cè)

在自重、預(yù)應(yīng)力、不均勻溫差和收縮徐變等作用下，梁體會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，需要對(duì)主梁變形監(jiān)測(cè)，以掌握梁體撓曲和扭轉(zhuǎn)變形的情況和歷程，為結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算準(zhǔn)確控制提供依據(jù)。

在0號(hào)塊頂板中心設(shè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)，作為橋面高程測(cè)控的基準(zhǔn)，其高程以良好山坡上永久高程點(diǎn)為根據(jù)；橋面高程測(cè)控點(diǎn)各對(duì)稱布置3處于每個(gè)節(jié)段前端面10 cm處的頂、底板上表面(如圖5所示)，測(cè)點(diǎn)露出橋面5 cm，用Φ16鋼筋與頂?shù)装邃摻钬Q直焊牢。使用DINI水準(zhǔn)儀或TCA-2003A全站儀，在立模初和調(diào)整后、混凝土澆筑前后、預(yù)應(yīng)力張拉前后進(jìn)行高程量測(cè)。為減少溫度影響，監(jiān)測(cè)宜在日出前完成。

3.2.2溫度監(jiān)測(cè)

混凝土導(dǎo)熱的復(fù)雜性和滯后效應(yīng)，會(huì)造成溫度非線性分布和頂?shù)装鍦夭?，使主梁撓曲、梁體產(chǎn)生較大復(fù)雜內(nèi)力，對(duì)施工影響較大。需進(jìn)行測(cè)試，獲得梁體溫度分布變化規(guī)律，為分析控制提供依據(jù)。

在圖6的梁體②截面，在圖7b)所示6處和箱梁內(nèi)外側(cè)布置JXH-2型鋼弦應(yīng)力計(jì)(內(nèi)含鉑電阻溫敏元件)。對(duì)梁體和環(huán)境溫度、截面應(yīng)力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，間隔為1 h，中午后適當(dāng)縮短。

3.2.3應(yīng)力監(jiān)測(cè)

利用JXH-2型鋼弦應(yīng)力計(jì)和DT615數(shù)據(jù)采集儀，對(duì)梁體應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與理論計(jì)算比較，以檢視主梁受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)安全控制?？刂平孛嫒鐖D6所示，斷面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖7a)，考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，對(duì)44號(hào)墩半聯(lián)梁做監(jiān)測(cè)，45號(hào)墩梁為復(fù)核，所有應(yīng)變計(jì)縱向布置。每節(jié)段分別對(duì)混凝土澆筑前、澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉后三個(gè)主要工況進(jìn)行測(cè)量。

4 監(jiān)控結(jié)果

4.1 變形監(jiān)測(cè)

成橋后主梁梁底標(biāo)高的理論值及其與實(shí)際標(biāo)高的誤差值如圖8所示。

根據(jù)規(guī)范，要求梁頂面高程差|h1|≤10 mm，梁段高程為-5 mm≤h2≤15 mm，本研究控制誤差要求|Δh|≤10 mm。由圖8可以看出，主梁各節(jié)段的高程與設(shè)計(jì)值差異較小，均在控制要求范圍內(nèi)，主梁線形平順，與理論線形吻合良好。

4.2 溫度監(jiān)測(cè)

梁體和環(huán)境溫度的分布變化如圖9所示，各溫度測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化情況如圖10所示。

由圖9看出，所測(cè)頂板溫度較好地反映了當(dāng)日氣溫情況；梁體內(nèi)部溫度則變化較緩；底板溫度低于大氣溫度，但變化趨勢(shì)相同；考慮到腹板外會(huì)受到翼板遮擋，梁體內(nèi)外溫度呈現(xiàn)相差不大、變化穩(wěn)定的狀態(tài)。

由圖9和圖10對(duì)比，頂板應(yīng)力受溫度影響變化明顯，底板相對(duì)較穩(wěn)定；受預(yù)應(yīng)力束的約束作用，隨節(jié)段增加，截面應(yīng)力受溫度影響變大；應(yīng)力應(yīng)變較溫變有一定的滯后效應(yīng)。

4.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

主梁①，②，③監(jiān)測(cè)截面的頂?shù)装鍛?yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值變化曲線如圖11所示。

可以看出：1)44號(hào)、45號(hào)墩主梁的頂、底板基本均為壓應(yīng)力狀態(tài)，隨施工進(jìn)行，壓應(yīng)力逐漸增大；2)頂、底板應(yīng)力的理論值和實(shí)測(cè)值基本吻合，前期極少數(shù)施工節(jié)段測(cè)點(diǎn)處底板存在受拉情況，但拉應(yīng)力未超過(guò)1 MPa，滿足抗裂設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究依托某地區(qū)鐵路擴(kuò)能改造工程有砟軌道連續(xù)梁，闡述了本研究工程的監(jiān)控方法和理論，介紹了其監(jiān)控內(nèi)容和工具，并實(shí)施了變形和應(yīng)力監(jiān)控工作，得到下面的結(jié)論：

1)受設(shè)計(jì)假定誤差、施工荷載和技術(shù)水平等多因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)會(huì)與設(shè)計(jì)理論有所差異，須進(jìn)行施工監(jiān)控，保證結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力。

2)根據(jù)監(jiān)控結(jié)果，主梁各節(jié)段的高程與設(shè)計(jì)值差異較小，均在控制要求范圍內(nèi)，主梁線形平順，與理論線形吻合良好。

3)所測(cè)頂板溫度能較好符合當(dāng)日氣溫情況；梁體內(nèi)部溫度則變化較緩；底板溫度低于大氣溫度，但變化趨勢(shì)相同；考慮到腹板外會(huì)受到翼板遮擋，梁體內(nèi)外溫度呈現(xiàn)相差不大、變化穩(wěn)定的狀態(tài)。

4)頂板應(yīng)力受溫度影響變化明顯，底板相對(duì)較穩(wěn)定；受預(yù)應(yīng)力束的約束作用，隨節(jié)段增加，截面應(yīng)力受溫度影響變大；應(yīng)力應(yīng)變較溫變有一定的滯后效應(yīng)。

5)梁體頂、底板基本均為壓應(yīng)力狀態(tài)，隨施工進(jìn)行，壓應(yīng)力逐漸增大；頂、底板應(yīng)力的理論值和實(shí)測(cè)值基本吻合，前期極少數(shù)施工節(jié)段測(cè)點(diǎn)處底板存在受拉情況，但拉應(yīng)力未超過(guò)1 MPa，滿足抗裂設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

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