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中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

近年來，我國橋梁建設飛速發(fā)展，作為道路交通工程的重要連接通道，其安全可靠性尤為重要，國內眾多學者從風險評估、橋梁健康監(jiān)測、橋梁存在的問題和對策、BIM技術的應用和新測量方法的應用等方面提出不同的看法和研究[1-7]。懸澆梁施工工藝復雜、不確定性因素眾多，為保證懸澆梁結構運營的安全性、耐久性以及行車舒適性等，實施過程監(jiān)測十分有必要。以武漢北四環(huán)線某跨線懸澆梁工程為背景，結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，采用自適應控制的思路對施工過程進行實時糾偏，有效地指導了現(xiàn)場施工調整作業(yè)，保障了懸澆梁安全施工及精準合龍。

1 工程概況

該懸澆梁施工場地位于某天然湖泊邊緣，為跨度38 m＋65 m＋38 m的變截面連續(xù)箱梁，全橋劃分為0#～12#節(jié)段，每節(jié)段長2～7 m，墩柱高20 m，跨越現(xiàn)有機場二通道高架橋，施工期間多雨天，對交通安全通行以及施工場地有較高要求。

懸澆梁段地基下伏軟土層，成因主要為沖積、湖積，地層巖性由淤泥、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土和淤泥質粉土等組成，呈軟塑-流塑狀，埋深2.00～9.00 m。懸澆梁空間位置如圖1所示。

圖1 懸澆梁空間位置示意（單位：cm）

2 選定結構參數(shù)與建立計算模型

2.1 邊界條件及結構參數(shù)

橋梁的主墩頂中心節(jié)點在懸臂施工階段，采用臨時固結施工，當臨時固結約束釋放后，釋放縱橋向轉動約束及水平向約束，同時為保證模型不出現(xiàn)剛體位移，在中跨跨中節(jié)點約束水平向位移；邊墩處節(jié)點在固結約束的基礎上釋放水平向及縱橋向轉動約束。邊跨直線段支架采用豎向約束邊界條件代替，待邊跨合龍張拉后釋放該約束。施加應力時分階段施加自重（自重系數(shù)?。?.04）、二期恒載101.7 kN/m、預應力荷載（按圖紙控制）、掛籃荷載。掛籃荷載（包括兜底防護）按660 kN集中力、217 kN·m的力矩施加在懸臂端。中跨合龍吊架按400 kN集中力施加（兩側各200 kN），勁性骨架按84 kN集中力施加（兩側各42 kN）。

2.2 模型建立

根據(jù)設計圖紙，主梁38 m邊跨段有9個懸臂現(xiàn)澆段，65 m中跨段有18個懸臂現(xiàn)澆段，2個邊跨和2個中跨合龍段將主橋離散成58個單元，梁段截面參數(shù)按設計圖紙設置，預應力鋼束共206束，計算模型如圖2所示。

圖2 變截面連續(xù)箱梁主橋計算模型

3 監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測方案

大跨度橋梁施工過程復雜，不確定因素眾多，為保證結構質量并便于過程糾偏，過程監(jiān)測十分重要。該工程監(jiān)測主要包括主梁應力、應變以及幾何線形監(jiān)測。

3.1.1 主梁變形監(jiān)測

在每一梁段懸臂端（距前端10 cm處）設立2個標高觀測點，測點用短鋼筋預埋，伸出混凝土面1.5～2.5 cm，并用紅油漆標明編號。在7：00和17：00以后用精密水準儀測量測點標高，上、下游觀測點作為長期監(jiān)控觀測點，在監(jiān)測過程中加強觀測點的保護，監(jiān)測點位置如圖3所示。

圖3 梁段撓度測點斷面布置示意

3.1.2 主梁應力監(jiān)測

本次監(jiān)測擬選用型號為JMZX-215型混凝土鋼弦式應變傳感器作為混凝土內部埋入式鋼弦計，配合使用綜合測試計，以測得的測點應變，通過換算得出測點的應力值。根據(jù)結構的受力變形特點，測試預應力混凝土箱梁結構的縱向應力最重要，縱向箱梁應力測試截面選擇在懸臂施工的各個“T”構的根部和合龍口附近。測試截面共有5個，1#、2#、4#、5#截面有6個監(jiān)測點，3#截面有4個監(jiān)測點，各測試截面布置情況如圖4所示。

圖4 應力監(jiān)測布置示意

3.2 主梁應力分析

3.2.1 主梁恒載內力計算分析

對于該橋梁結構的成橋狀態(tài)，恒載內力包括橋梁自重、二期恒載、預應力荷載和掛籃荷載。對該橋梁進行內力計算可以發(fā)現(xiàn)，橋梁施工過程中的每一段均呈倒“V”形波動，究其原因，是現(xiàn)澆段施工懸臂變形所致。在第15節(jié)段和第45節(jié)段附近發(fā)生了較大的軸力突變，該處正好位于橋墩附近，由于橋墩的支撐作用，豎向力發(fā)生較大變化，對應的彎矩反而比較小。

3.2.2 主梁應力分析

由圖5中的主梁應力模擬值變化情況可以發(fā)現(xiàn)，應力值變化趨勢呈對稱的“V”字形，0#～17#單元與30#～43#單元應力呈遞增趨勢，在17#單元與43#單元處應力驟減，究其原因，主要是17#單元與43#單元位于兩墩柱附近，墩柱的支撐力導致應力減小，隨著邊跨的施工，懸澆段離墩柱越來越遠，應力逐漸增大。18#單元與44#單元應力范圍為－6.39～－4.45 MPa，2#與5#監(jiān)測值范圍分別為－3.06～－1.59 MPa、－6.30～－4.68 MPa，結構施工應力均處于正常范圍內。在30#單元附近，應力值處于一段“平行區(qū)”，為－7 MPa，3#現(xiàn)場監(jiān)測值范圍為－4.22～－2.69 MPa，小于模擬值，說明0#段結構施工應力處于正常范圍內。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，1#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－1.51～－0.71 MPa，2#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－3.06～－1.59 MPa，3#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－4.22～－2.69 MPa，4#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－5.34～－3.75 MPa，5#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－6.30～－4.68 MPa。通過應力實測值與模擬值對比分析可以發(fā)現(xiàn)，實測值均在模擬值范圍內，滿足施工的要求。

圖5 主梁應力模擬值分布

3.3 主梁變形分析

3.3.1 預拱度

根據(jù)上述建立的模型，計算每個施工節(jié)段不同工況下的結構響應以獲得計算預拱度，施工過程中考慮的因素有：箱梁結構自重、預應力效應（縱向預應力效應）、混凝土的收縮徐變、掛籃質量及合龍階段的平衡配重、成橋階段結構體系轉換、體系轉換后的預應力及混凝土收縮徐變引起的二次內力、二期恒載等。

在施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況及各施工節(jié)段撓度的變化等，采用最小二乘法等控制理論方法對下一施工階段的預拱度進行預測，在施工過程中進行不斷調整，在下節(jié)段掛籃定位前及時報送施工立模的標高指令表。其施工預拱度分布情況如圖6所示。

圖6 預拱度分布

由圖6可知，0#塊成橋預拱度最大值為35 mm，在兩橋墩處成橋預拱度值最小，幾乎為0，兩邊跨施工預拱度與成橋預拱度呈相反趨勢。

3.3.2 位移

通過計算，并將結果與圖7對比可以發(fā)現(xiàn)，撓度均滿足規(guī)范要求。從數(shù)值模擬可以看出，施工自重、預應力、掛籃托架、墩身固結以及二期恒載都影響著橋梁結構的變形，其中墩身固結的拆除對結構位移變化的影響最大。隨著節(jié)段的施工，施工自重逐漸變大，施工階段的位移（變形）也不斷變大，且變形的速率呈上升趨勢；而每個階段預應力的張拉使得變形相對減小，對結構線性的保持有正面影響，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在施工過程中需要加強預應力施工工藝的規(guī)范性，以此保證施工質量的可靠性，同時需要注意墩身固結拆除對結構的影響。

圖7 二期恒載結構變形

3.3.3 成橋梁面線形控制

中跨合龍完成張拉后，全橋線形已基本定形，此時進行全橋線形通測，將實測平均高程、設計高程繪制成曲線，以便于直觀了解全橋線形（圖8）。由圖8可知，實測高程與設計高程基本平行，最大相差28 mm，平均相差21 mm，滿足設計不超過橋長1/5 000，即28.2 mm的要求[8]。

圖8 成橋梁面線形

4 橋梁施工參數(shù)識別控制框架

橋梁施工過程以理想成橋狀態(tài)為目標，通過結構的倒拆計算等方法確定橋梁結構各施工階段的理想狀態(tài)。結構參數(shù)是施工控制中進行結構施工模擬分析的基本資料，主要包括構件截面尺寸、材料彈性模量、容重、收縮徐變系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、施工荷載和預加應力等，其正確性直接影響分析的結果。為了在施工中不斷修正因設計參數(shù)的誤差而導致的各個控制項目的失真，對設計參數(shù)進行識別是必需的。

因橋梁施工偏差在事后無法調整，故正確的超前預報尤為重要[9-10]。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測值對設計參數(shù)進行修正并反饋到控制計算中，通過動態(tài)調整結構應力、變形等理論期望值來減小偏差，保證橋梁施工質量。根據(jù)以上分析，提出橋梁施工參數(shù)識別控制系統(tǒng)，其流程如圖9所示。在懸澆梁位移監(jiān)測中進行參數(shù)識別，在各節(jié)段預應力張拉前進行位移監(jiān)測，對設計參數(shù)進行適當修正并反饋到控制計算中，重新給出變形理論期望值，以此循環(huán)直至施工結束。

圖9 橋梁施工參數(shù)識別控制系統(tǒng)流程

5 結語

通過現(xiàn)場檢測技術以及數(shù)值仿真技術，并結合現(xiàn)代控制理論，考慮預應力、二期恒載、混凝土收縮、徐變、掛籃和溫度等施工影響因素，對懸澆梁進行了全過程動態(tài)模擬和監(jiān)測，得到以下結論：

1）通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進行對比分析，對懸澆梁施工過程進行動態(tài)調整，主梁的應力狀態(tài)和成橋后的主梁測試標高均滿足設計要求，總體線形平順。

2）通過分析識別結構理想狀態(tài)與現(xiàn)場實測狀態(tài)的差異性，提出了“施工—測試—判斷—修正—預告—施工”的動態(tài)控制框架體系，對結構進行前期預報和后期調整，實現(xiàn)了施工動態(tài)管理。

3）建議全橋設置永久觀測點，運營過程中監(jiān)測主梁撓度變化；主要控制斷面設置應變觀測點，運營過程中監(jiān)測控制斷面的內力變化，為橋梁的養(yǎng)護提供數(shù)據(jù)資料。