(1.呼和浩特職業(yè)學院 建筑工程學院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古大學 交通學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

1 概述

公路運輸在我國國民經(jīng)濟中處于重要地位，目前，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國公路運力面臨一定的壓力[1]。橋梁建設在交通基礎設施建設中占有較大的比重[2]。為跨越海灣、大河和公路等，大跨度橋梁的修建非常迫切[3]。在橋梁施工過程中，不斷提高施工技術(shù)發(fā)展水平，對施工進行控制日益重要。我們可將每座橋梁的施工看作一個系統(tǒng)工程，對于大跨度預應力混凝土連續(xù)梁橋來說是如此，施工控制更是非常重要[4]。在系統(tǒng)中，內(nèi)外因素的耦合會對懸臂現(xiàn)澆施工過程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾，從而造成極大影響，所以需及時有效地對影響誤差的系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)控[5]。本文基于呼和浩特市三環(huán)路特大橋，對其預應力連續(xù)梁橋懸臂施工控制進行了研究。

2 工程概況

呼和浩特市三環(huán)路特大橋全長為885.24 m，起點里程為DK191+455.35 m，終點里程為DK192+355.85 m。大橋主橋為三跨預應力混凝土變截面箱型連續(xù)梁，橋?qū)?3.35 m，主跨跨徑41.5 m+61.5 m+45.0 m，設計時速85 km/h且雙線通車。將單箱單室箱型作為主梁選擇對象，同時把單向橫坡向外側(cè)傾斜的方式作為頂面翼緣板的應用方式。橋梁橋墩和箱梁連接根部斷面有5.25 m的梁高，2.82 m的邊跨端部和中跨端部高度。將“T構(gòu)”掛籃分段對稱方法應用在兩高墩懸臂澆筑當中進行現(xiàn)澆段澆筑，在開展邊跨現(xiàn)澆段及連續(xù)懸臂澆筑時，首先將邊跨合攏處理，然后進行中跨合攏。

3 施工仿真計算

3.1 預應力體系

將三向預應力體系放在連續(xù)橋梁使用當中，嚴格按照《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T 5224-2014)要求執(zhí)行橫向、縱向預應力鋼束，將Φ25 mm高強精軋螺紋鋼筋以及金屬波紋管成孔分別應用在豎向預應力鋼筋以及管道形成當中。

3.2 仿真計算

3.2.1計算模型

結(jié)合設計圖紙和相關(guān)規(guī)范，確定公路相關(guān)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值；展開現(xiàn)場試驗等方式識別并調(diào)整偏差系數(shù)和預應力管道摩組等。正裝計算的起點規(guī)定為連續(xù)梁零號塊，對各階段截面的受力、變形情況進行計算。通過Midas/Civil軟件，可使用連續(xù)梁模型對分節(jié)段懸臂澆筑施工全程進行仿真分析，該有限元模型共劃分節(jié)點195個，單元170個。圖1為橋梁結(jié)構(gòu)建模簡圖。

圖1 結(jié)構(gòu)建模計算簡圖Figure 1 Structural modeling computation diagram

3.2.2材料物理性質(zhì)(見表1、2)

表1 C50主梁梁體材料物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of C50 girder materials物理性質(zhì)抗壓彈性模量/MPa泊松比線膨脹系數(shù)/(1·[C]-1)容重/(N·m-3)測試值3.66×1040.211.1×10-52.6×104

表2 預應力鋼絞線材料物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of prestressed steel strand ma-terials物理性質(zhì)抗壓彈性模量/MPa泊松比線膨脹系數(shù)/(1·[C]-1)鋼筋松弛系數(shù)測試值1.96×1050.311.25×10-50.020鋼筋與管道壁摩阻系數(shù)管道每米局部偏差的摩擦影響系數(shù)錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值/m容重/(N·m-3)0.240.002 60.0067.86×104

4 預應力連續(xù)梁橋懸臂施工控制

在懸臂施工各個階段進行線形監(jiān)控，懸臂結(jié)構(gòu)的頂板、底板、翼緣板的平順程度由線性決定[6]。在現(xiàn)場監(jiān)控的基礎上，嚴格按照規(guī)范標準確定橋梁懸臂各部標高誤差，以實現(xiàn)安全合攏的目的。

4.1 連續(xù)梁掛籃驗算及優(yōu)化

4.1.1掛籃結(jié)構(gòu)設計

懸臂施工過程中橋梁的安全性和施工質(zhì)量都是由掛籃的穩(wěn)定性和變形來決定的[7]?；诂F(xiàn)場掛籃荷載試驗方式消除非彈性變形，并結(jié)合預壓方式增強其安全性和可靠性。將三角形掛籃放置在三環(huán)路特大橋連續(xù)梁當中，將4.05 m作為最長梁段長度，適用最大梁段重為205 t，每副掛籃自重為48.5 t，適用梁高為4.96～7.96 m。

大橋掛籃的主體結(jié)構(gòu)： ①主桁：為承重結(jié)構(gòu)，其中又分為上中橫梁、主梁、立柱、上前橫梁、斜拉帶等。②懸吊系統(tǒng)：包括后橫梁吊桿、前橫梁吊帶、模板吊桿。③錨固系統(tǒng)：吊帶錨固、主桁后錨以及軌道錨固都是其中非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。④行走系統(tǒng)：包括行走軌道、四氟滑動支座、后錨行走小車。沿橋縱向，每條軌道設有兩排間距為0.26 m的滑動行走輪，設置兩根滑軌于桁架下箱梁頂面處，設滑行拖船于滑軌及主桁前后支點處；前移時，將配重在桁架后錨梁上安裝好，用5 t的兩個導鏈在前端牽引，掛籃前移。⑤模板系統(tǒng)：槽鋼、角鋼焊接而成箱梁外模外框架，將槽鋼用作模板圍帶，保持6.05 mm的板面鋼厚度。內(nèi)模組成包括斜支撐、內(nèi)模桁架、組合鋼模等。

4.1.2模擬計算

基于Midas/Civil驗算掛籃的強度和變形結(jié)構(gòu)，三角掛籃仿真計算模型如圖2所示，其中共有224個單元和195個節(jié)點。

支點在掛籃前約束轉(zhuǎn)動，錨點在掛籃后為全約束，可滑動約束在行走軌道中點處。在前下縱梁上，根據(jù)20.5 N/mm進行模板、混凝土荷載的加載，在四根吊帶上加載翼緣和側(cè)模荷載，每根3.05 t。呼和浩特市三環(huán)路特大橋掛籃最大剪力為268.82 kN、最大軸力為625.32 kN、最大彎矩為132.85 kN·m。在工作狀態(tài)下，掛籃各桿件變形及受力能滿足規(guī)范、設計要求。

圖2 大橋掛籃有限元計算模型Figure 2 Finite element calculation model of hanging basket for super-large bridge

4.1.3掛籃現(xiàn)場預壓試驗

在完成零號塊施工和其余節(jié)段施工前，對三角掛籃安全性、可靠性進行檢算，對懸臂施工過程進行有效控制，當掛籃安裝完以后，需要結(jié)合現(xiàn)場預壓試驗確定最終的受力情況，消除掛籃自身非彈性變形，表3為三環(huán)路特大橋20號墩掛籃試壓加載測量值。

表3 大橋20號墩掛籃試壓加載測量值Table 3 Measurement value of hanging basket pressure test loading for pier 20 of bridge觀測點加載卸載彈性變形0%55%105%125%0%55%105%Δh0%Δh55%Δh105%Δh125%10-20-33-34-5-18-230-14-19-3020-25-37-38-6-19-250-14-20-3330-24-35-35-9-20-240-12-16-2740-31-47-51-14-31-360-18-23-3850-36-41-46-14-21-290-8-16-3360-32-38-48-12-29-310-18-20-37Δ—0.0-28-38.5-42-12-23-280.0141933

4.2 線性監(jiān)控

大跨徑連續(xù)橋梁未合攏時，一直是懸臂狀態(tài)，當不斷推進施工進程后，將會顯著增加懸臂的長度和荷載，由于受到外界溫差和風力等因素的干擾，將會出現(xiàn)下?lián)献饔?，此時在預應力張拉、自身剛性以及梁端對稱平衡施工的基礎上能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[8]。當合攏操作完成后，由于二期荷載產(chǎn)生作用，將會持續(xù)發(fā)生下?lián)献饔?。大跨徑連續(xù)橋梁會在分節(jié)段平衡懸臂施工過程中產(chǎn)生下?lián)献冃巫饔?，這個過程中可能產(chǎn)生比較復雜的影響因素，如果沒有合理有效的控制，將會出現(xiàn)設計預期與實際施工標高之間存在誤差的現(xiàn)象，進而影響線行和合攏等過程。所以需要將線形監(jiān)控應用在橋梁施工的全部過程，并結(jié)合理論設計與實際監(jiān)測偏差識別并調(diào)整敏感參數(shù)，不斷修正仿真模型。

4.2.1確定立模標高及預拱度

立模標高需進行一定預拱度的設置，涉及到施工過程中預應力張造成的抵消掛籃下降兩或上翹位移、二期荷載等[9]。在十年后或更長時間內(nèi)要滿足橋梁軌頂標高，需提供撓度值，將撓度值和設計標高相加可獲得立模標高。計算方法見公式(1)：

HL=HS+YY+Δg

(1)

式中:HS表示設計標高；HL表示立模標高；Δg表示掛籃變形值；YY表示計算所得預拋高值。預計標高見公式(2)所示：

HY=HL+x0-Δg

(2)

式中:在澆筑當前，節(jié)段混凝土和張拉預應力后總下?lián)现涤脁0表示。

4.2.2標高控制方法及實施

標高測點布置圖如圖3所示，不同梁段前端需要通過高程控制設一測試斷面的方式將2個測點預埋在斷面的頂板和底板，其中零號塊共預埋測點7個。實際結(jié)構(gòu)與理論的尺寸會存在一些差別，通過線性控制方式降低兩者間的偏差，并確保該偏差不超過參考規(guī)范范圍，表4所示內(nèi)容為其實際情況。

(a) 0號塊測點

(b) 其他塊橫斷面測點

表4 連續(xù)梁懸臂澆筑梁段的允許偏差和檢驗方法Table 4 Permissible deviations and test methods for canti-lever cast-in section of continuous beams序號項目允許偏差/mm檢驗方法1懸臂梁段頂面高程+15.5/-5.5 測量檢查2合攏前兩懸臂端相對高差 合攏段長的1/100,且≤15.53梁段軸線偏差15.54相鄰梁段錯臺5

4.2.3標高監(jiān)控結(jié)果

以大橋20號、21號墩標高控制作為研究對象展開分析，同時全面計算分析0號塊、1號塊、4號塊、7號塊施工階段的監(jiān)測數(shù)值，圖4為測點布置圖，表5為20號墩施工四塊標高控制結(jié)果。

圖4 測點布置圖Figure 4 Layout of measuring points

表5 20號墩施工四塊標高控制結(jié)果Table 5 Control results of four elevation blocks in pier 20 construction測點鋼筋頭/m澆筑前實測值/m澆筑后實測值/m張拉后實測值/m澆筑前后實測值之差 /mm澆筑后理論變形值/mm澆筑前后理論與實測值誤差/mm張拉前后實測值之差/mm張拉后理論變形值/mm張拉前后理論與實測值誤差/mm1165.879165.878165.879-1-0.0500.92810.000-1.0000號快2165.870165.870165.8700-0.050-0.05000.0000.0003165.720165.719165.720-1-0.0500.92810.000-1.0004165.723165.721165.723-2-0.0501.92820.000-2.0001165.904165.901165.904-3-0.1182.86030.003-2.9961號快2165.902165.900165.902-2-0.1181.86020.003-1.9963165.703165.701165.703-2-0.1181.86020.003-1.9964165.703165.701165.704-2-0.1181.86030.003-2.9961165.935165.935165.9360-0.241-0.24111.0300.0304號快2165.939165.936165.936-3-0.2412.73701.0301.0303165.668165.664165.666-4-0.2413.73721.030-0.9684165.679165.675165.676-4-0.2413.73711.0300.0301165.979165.978165.978-1-0.4310.54702.1282.1287號快2165.964165.964165.9660-0.431-0.43122.1280.1283165.665165.664165.668-1-0.4310.54742.128-1.8704165.654165.655165.6611-0.431-1.43162.128-3.870

由表4、圖5知，各標高測點理論值和實測值并不完全一致，變化幅度并不十分顯著，沒有顯著的規(guī)律性。理論值和實測值之間保持-4～2 mm范圍內(nèi)的差值變化，當對4號塊梁體做完澆筑處理后，會突然降低其中一實測標高，其造成因素主要是澆注4號塊砼的掛籃、自重荷載，屬于正常變化；當完成7號塊張拉后，此時理論值和梁體實測標高值之間并不完全一致，但差值未超過允許范圍。在后續(xù)監(jiān)控過程中實時跟蹤實際測量值，如果出現(xiàn)整體數(shù)值存在差異的情況，需要及時進行調(diào)整和分析，對結(jié)構(gòu)變形有效控制。分析0號塊、1號塊、4號塊、7號塊施工標高變化情況，可以看出，由于多元化因素耦合的作用而提高其復雜程度；因此，要及時分析原因，對施工中出現(xiàn)偏差要進行控制。

4.3 應力監(jiān)控

在施工過程中，當連續(xù)梁橋出現(xiàn)安全、質(zhì)量隱患時，應停工分析問題并進行調(diào)整[10]。需要永久性保留橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋應力計，并在檢測運行橋梁安全狀態(tài)的過程中發(fā)揮作用。

4.3.1監(jiān)控截面、監(jiān)測點布置及測試時間

通常情況下，在懸臂跨中、根部等應力關(guān)鍵控制截面，布置連續(xù)梁橋主梁鋼筋應力監(jiān)測測點，確保及時監(jiān)測連續(xù)梁各階段實際應力分布情況。本橋在中跨3L/8、L/4、L/8，邊跨的L/4、L/2、3L/4，中支點懸臂根部截面處進行測點的設置，每個斷面布置測點6個，底板、頂板各3個。圖5為大橋連續(xù)梁鋼筋應力計布置圖，圖6為埋設鋼筋應力計。

圖5 大橋連續(xù)梁鋼筋應力計布置圖Figure 5 Layout of reinforcement stress meter for continuous girder of extra large bridge

圖6 埋設鋼筋應力計Figure 6 Embedded steel bar stress gauge

4.3.2應力測試數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

在現(xiàn)場預埋的基礎上，全面且及時的監(jiān)測施工全過程以及實際應力情況，對其受力情況有效把控，通過實際應力監(jiān)控可以看出，不同階段具有相似的頂板應力和控制截面底板變化規(guī)律，沒有出現(xiàn)超出規(guī)范規(guī)定的情況。大橋連續(xù)梁共有8個梁應力測試斷面，本研究的詳細情況見表6。

表6 20號墩4-4斷面應力實測值與計算值比較表Table 6 Comparisons between measured and calculated stresses of section 4-4 of pier 20MPa 施工階段頂板測點123456理論值0號澆注后-0.450.01-0.120.070.730.480.120號張拉后-1.50-1.36-1.560.43-0.03-0.090.031號澆注后-2.53-1.90-1.81-0.03-0.21-0.120.101號張拉后-3.41-3.32-2.67-0.53-0.30-0.31-0.242號澆注后-3.64-4.16-3.45-0.57-0.30-0.30-0.262號張拉后-5.43-5.02-4.24-0.74-0.56-0.30-0.363號澆注后-5.44-5.26-4.77-0.65-0.43-0.36-0.273號張拉后-5.54-5.42-5.04-0.36-0.66-0.50-0.44邊跨合攏后-8.15-7.55-8.05-5.77-5.32-4.90-4.64邊跨合攏張拉后-7.24-7.22-6.76-4.68-4.42-4.21-3.88邊跨合攏后-8.50-8.61-8.10-3.40-3.22-2.82-2.90邊跨合攏張拉后-8.07-7.02-8.11-3.63-3.70-2.92-3.03

由表6可知，5.54 MPa是主要測點在中跨1/4截面和主梁懸臂根部受壓應力的最大值，0.43 MPa是其最大拉應力值。C50砼[σc]=13.2 MPa，[σtp-1]=2.77 MPa，與軸心抗壓、允許抗拉強度的設計值相比，實際測量值顯然更小，也就是說該結(jié)構(gòu)安全性較強。現(xiàn)場實際監(jiān)測理論值與實際值之間并不完全一致，但具有較為相似的變化規(guī)律，這說明在施工控制中，使用的理論方法所建模型能客觀、準確對實際施工進行反映，監(jiān)測控制點切實可靠。

5 結(jié)論

基于呼和浩特市三環(huán)路特大橋，對其預應力連續(xù)梁橋懸臂施工控制進行了研究，得出結(jié)論如下：

a.呼和浩特市三環(huán)路特大橋掛籃最大剪力為268.82 kN、最大軸力為625.32 kN、最大彎矩為132.85 kN·m。在工作狀態(tài)下，掛籃各桿件變形及受力能滿足規(guī)范、設計要求。

b.通過分析仿真模型的建立及控制參數(shù)具體取值，各標高測點理論值和實測值并不完全一致，變化幅度亦不十分顯著，沒有顯著的規(guī)律性。理論值和實測值之間保持-4～2 mm范圍內(nèi)的差值變化。

c.5.54 MPa是主要測點在中跨1/4截面和主梁懸臂根部受壓應力的最大值，0.43 MPa是其最大拉應力值。現(xiàn)場實際監(jiān)測的連續(xù)梁值和理論值具有較小偏差、變化規(guī)律比較類似，在施工控制中，所建模型能客觀、準確地對實際施工進行反映，監(jiān)測控制點切實可靠。