劉 欣

山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 262500

0 引言

大跨度PC連續(xù)梁橋通常采用分段施工的方案,在懸臂施工、分段合龍、預(yù)應(yīng)力張拉等階段,受到混凝土自重、掛籃變形等因素的影響,全橋整體線形有可能出現(xiàn)較大偏差,尤其在豎直方向,結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布也會發(fā)生變化。為了確保連續(xù)梁高程控制精度和結(jié)構(gòu)安全,應(yīng)采取理論計算與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法,達(dá)到良好的施工控制效果。

1 工程概況

某大跨度PC連續(xù)梁跨河橋梁的總長度為295 m,橋跨設(shè)計方案為中跨125 m,2個邊跨均為85 m,橋面寬度為32 m,分為A、B兩幅。該公路橋為雙向6車道的一級公路。箱梁頂板和底板的寬度分別為16、10.6 m,為單箱雙室結(jié)構(gòu)。為了便于施工,將PC連續(xù)梁劃分為若干個梁段,A幅對應(yīng)梁段的編號為1#～15#,B幅對應(yīng)梁段的編號為1′#～15′#,主梁為0#塊。

2 施工控制仿真計算

施工控制的重點為連續(xù)梁的線形和內(nèi)應(yīng)力,在工程實踐中,需要獲得線形和應(yīng)力的理論值,再與實際監(jiān)測值進(jìn)行對比,進(jìn)而評價施工控制的效果,仿真計算是求得理論值的有效方法,實施過程如下。

2.1 施工控制仿真模型

在仿真計算中采用有限元分析法,利用Midas Civil軟件建立橋梁的三維模型,共計形成94個梁單元和95個節(jié)點。模型計算階段需要輸入多個參數(shù),包括混凝土強度等級、混凝土容重、鋼絞線強度、鋼絞線彈性模量等[1]。結(jié)合該項目的實際情況,模型計算參數(shù)見表1。

表1 有限元分析模型計算參數(shù)

2.2 仿真計算結(jié)果

仿真計算的結(jié)果包括各梁段混凝土塊體的理論應(yīng)力、不同施工階段的豎直撓度(反映線形控制效果)。應(yīng)力值包括梁段頂板應(yīng)力和底板應(yīng)力,計算部位涵蓋懸臂根部截面、1/4截面。線形控制主要針對梁段的標(biāo)高,而這一參數(shù)與豎直撓度密切相關(guān)[2]。表2為部份仿真計算的應(yīng)力值示例,表3為部分撓度計算的結(jié)果。

表2 懸臂根部截面應(yīng)力有限元計算結(jié)果示例 單位：MPa

表3 成橋階段梁段累計豎直撓度有限元計算結(jié)果示例

3 施工控制方法及應(yīng)用效果分析

3.1 線形控制方法及效果分析

3.1.1 大跨度PC連續(xù)梁線形控制的內(nèi)容

線形控制的主要內(nèi)容包括PC連續(xù)梁的縱向軸線、頂面高程(或者底面高程)、梁體斷面尺寸、同跨對稱點高程以及合龍后懸臂的高差。在軸線、高程、同跨對稱點高程控制中,根據(jù)PC連續(xù)梁的長度設(shè)置允許偏差,當(dāng)連續(xù)梁的總長度L不大于100 m時,軸線偏差不得超過10 mm,頂面高程偏差控制在±20 mm內(nèi),同跨對稱點高程偏差不得超過20 mm[3];當(dāng)L大于100 m時,軸線偏移量不超過L/10 000,頂面高程偏差和同跨對稱點高程偏差不超過L/5 000。在斷面尺寸控制中,高度偏差值不超過±30 mm,頂板、底板以及腹板的厚度偏差應(yīng)控制在-5～10 mm,合龍后懸臂高差不得超過15 mm。

3.1.2 線形控制方法

3.1.2.1 布設(shè)高程控制點

高程控制點決定了PC連續(xù)梁在豎直方向的線形,在設(shè)置監(jiān)測點時要考慮一系列因素,如測點的可靠性、施工的便捷性。結(jié)合該橋梁的特點,將梁體混凝土中的16 mm鋼筋頭作為控制點。在綁扎鋼筋的過程中,控制鋼筋頭與懸臂梁端的距離(0.2 m),其上端應(yīng)高于梁頂面,高出部分的長度控制在0.1～0.15 m[4]。針對每個梁段設(shè)置4個鋼筋頭監(jiān)測點,在橋梁的縱向軸線上,測點形成4條測線,最外側(cè)的2條測線距離A、B兩幅的翼緣各1 m,內(nèi)側(cè)的2條測線分布在中心線兩側(cè),距離中心線的距離均為1 m,將鋼筋頭刷成紅色。

3.1.2.2 掛籃變形量計算方法

該項目采用掛籃懸臂梁施工方法,掛籃用于承載施工載荷,包括混凝土和鋼筋的自重,如果掛籃發(fā)生變形,將會引起橋梁線形變化。為避免這一情況,必須檢驗掛籃的載荷能力,檢驗方法為向掛籃分級施加載荷,并且載荷的質(zhì)量取最重的橋梁節(jié)段。該項目最重梁段的編號為1#,其設(shè)計質(zhì)量為268 t,第1到第4級載荷分別為最重梁段的0%、50%、100%以及120%[5]。測點高程與掛籃載荷的關(guān)系顯示,載荷級別按照由高到低掛籃變形引起的測點高程累計變形量分別為0、32、40、47 mm,完全卸載后的最終變形量為22 mm。在掌握試驗梁段的數(shù)據(jù)之后,可借助經(jīng)驗公式計算出其他梁段的掛籃變形量,計算方法為：

(1)

式中：梁段n的掛籃彈性變形量記為fn;f1為梁段1的掛籃彈性變形量,其取值從載荷試驗中獲得;L1、Ln對應(yīng)梁段1和梁段n的長度;M1、Mn為梁段1、梁段n的載荷質(zhì)量。

3.1.2.3 立模底部標(biāo)高計算方法

各梁段底部的立模標(biāo)高與設(shè)計高程密切相關(guān),可通過理論方法計算出各梁段的立模底部標(biāo)高,計算方法為：

Hlmi=Hsji+Hypgi+fgi+Δf

(2)

式中：梁段i底板立模標(biāo)高記為Hlmi;梁段i梁底前端的設(shè)計標(biāo)高記為Hsji;梁段立模的設(shè)計標(biāo)高為Hypgi;梁段i的掛籃變形量記為fgi;Δf為計算時的調(diào)整值。

3.1.3 線形控制結(jié)果

3.1.3.1 懸臂施工階段線形控制效果分析

該PC連續(xù)梁橋梁的懸臂工況有15個,在懸臂施工階段,線形控制的技術(shù)措施為對稱合龍,即先邊跨、后中跨,其中小里程邊跨梁段的編號為1′#～15′#,大里程中跨梁段的編號為1#～15#。以該項目8號墩懸臂施工過程的豎直撓度變化值為例,對比有限元分析法計算的理論值和施工時的實測值,結(jié)果如表4所示。綜合所有數(shù)據(jù),可得到以下結(jié)論。

表4 8號墩懸臂施工階段各梁段豎直撓度變化量示例 單位：mm

第一,在澆筑懸臂混凝土之后,受到重力作用,各梁段出現(xiàn)下?lián)?并且理論計算值略小于實際測量值,二者的偏差在-0.21～1.89 mm。理論值和實測值變化趨勢高度接近,并且不超過15 mm的規(guī)范值。

第二,在預(yù)應(yīng)力張拉階段,理論值與實測值的偏差范圍在-1.40～0.93 mm,數(shù)值變化趨勢高度接近,并且不超過15 mm的規(guī)范值。

在成橋之后,需要對比各梁段設(shè)計高程與實測高程之間的差值,其中實測高程通過測量高程控制點獲得,測量儀器為高精度的水準(zhǔn)儀。梁段設(shè)計高程存在差異,范圍在76.248～77.042 m,實測高程范圍在76.244～77.056 m。高程偏差在-17～16 mm。相比于高程設(shè)計值,偏差非常小,滿足規(guī)范要求。

3.2 應(yīng)力控制方法及效果分析

3.2.1 應(yīng)力控制方法

3.2.1.1 應(yīng)力控制的原理

在大跨度PC連續(xù)梁施工中,需要分段澆筑懸臂梁,隨著混凝土澆筑量的增加,其產(chǎn)生的載荷分別作用于梁頂板和底板,形成拉力和壓力。吊籃移動和預(yù)應(yīng)力張拉也會導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生變化。對于分段合龍的橋梁工程,消除應(yīng)力集中是確保結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)措施。應(yīng)力控制的原理是在懸臂根部截面、1/4和1/2跨徑截面預(yù)埋應(yīng)力傳感器,混凝土澆筑之后,由傳感器檢測梁段內(nèi)的應(yīng)力值。對比實測值和有限元分析法計算的理論值,即可評價施工應(yīng)力控制效果。

3.2.1.2 應(yīng)力測量儀器

該項目采用埋入式應(yīng)力傳感器,型號為JMZX-215HAT,由國內(nèi)企業(yè)設(shè)計和制造。每個傳感器都具有獨立的電子編號,其芯片具有一定的智能化水平,可同時采集應(yīng)變和混凝土內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。傳感器采集到的數(shù)據(jù)同步傳輸至配套的綜合測試儀,進(jìn)行具體分析。

3.2.1.3 應(yīng)力測點布置方案

根據(jù)PC連續(xù)梁的特點,選取11個重要的應(yīng)力監(jiān)測截面,2個邊跨各3個、中跨為5個,其中有4個截面分布在懸臂梁的根部附近,其他截面位于中跨的中軸線、中跨1/4跨徑等位置。每個監(jiān)測截面的傳感器數(shù)量為6個,頂板和底板各3個。

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3.2.1.4 應(yīng)力傳感器安裝方法

第一,為防止混凝土澆筑影響應(yīng)力傳感器的位置,應(yīng)使用扎帶將傳感器固定在箱梁縱筋正下方。

第二,傳感器通過數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù),在設(shè)置傳感器時,應(yīng)預(yù)留長度足夠的數(shù)據(jù)線,并且將其適當(dāng)拉緊、拉直,再利用扎帶將數(shù)據(jù)線固定在鄰近的鋼筋上。

3.2.1.5 誤差修正方法

應(yīng)變傳感器在工作過程中有可能受到非力學(xué)因素的影響,導(dǎo)致其出現(xiàn)一定程度的測量偏差,常見的影響因素包括混凝土溫度、混凝土彈性模量、傳感器的安裝方式等。例如應(yīng)變傳感器內(nèi)部設(shè)計有鋼弦,如果鋼弦和鋼筋混凝土的線性膨脹系數(shù)存在差異,就可能引起測量誤差。為了消除溫度因素的影響,可對應(yīng)力計算方法進(jìn)行修正,新的計算方法為：

ε=(ε1-ε0)+(T1-T0)(Fgx-Fgj)

(3)

式中：將當(dāng)前的應(yīng)變測量值、初始狀態(tài)應(yīng)變值分別記為ε1、ε0;T1和T0分別為傳感器當(dāng)前溫度、初始溫度;鋼弦和鋼筋混凝土的線性膨脹系數(shù)分別記為Fgx、Fgj。

環(huán)境溫度、水泥的水化生熱都會影響混凝土的彈性模量,可根據(jù)以下經(jīng)驗公式對其進(jìn)行修正。

(4)

3.2.2 應(yīng)力控制效果分析

3.2.2.1 懸臂梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

應(yīng)力監(jiān)測的數(shù)據(jù)量較大,為便于展示,以下僅列舉其8號墩小里程懸臂梁根部的截面應(yīng)力實測值和理論值的比較,部分?jǐn)?shù)據(jù)見表5。綜合全部懸臂應(yīng)力對比數(shù)據(jù),理論應(yīng)力與實測應(yīng)力的變化趨勢高度一致,最大差值僅為1.25 MPa,屬于可控范圍。

表5 8號墩小里程懸臂梁根部截面應(yīng)力監(jiān)測值與理論值對比 單位：MPa

3.2.2.2 合龍段應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

該橋梁的合龍段涵蓋3個截面,分別為小里程邊跨、中跨以及大里程邊跨。預(yù)應(yīng)力張拉后,合龍段應(yīng)力監(jiān)測值與有限元計算理論值的對比結(jié)果見表6。從中可知,實測值整體略大于理論值,最大偏差為1.11 MPa,最小偏差為0.38 MPa,均在允許范圍內(nèi)。

表6 合龍段截面應(yīng)力監(jiān)測值與理論值對比結(jié)果 單位：MPa

4 結(jié)束語

在大跨度PC連續(xù)梁橋施工控制階段,先通過有限元分析法計算出控制指標(biāo)的理論值,包括各梁段在不同工況下的應(yīng)力值以及豎直撓度變形量等,再通過設(shè)置高程監(jiān)測點、預(yù)埋應(yīng)力傳感器的方式獲取梁段在不同階段的豎直撓度變化量和應(yīng)力監(jiān)測值,對比理論計算結(jié)果和實測值的偏差,可判斷出施工過程的線形和應(yīng)力控制效果。