預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控分析

鄭尚敏,程海根

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,近些年來世界的橋梁界也發(fā)生了巨大的變化。但同時,國內(nèi)外的橋梁在施工過程中也發(fā)生了許多讓人痛心的事故。1994年 10月韓國漢城橫跨漢江的圣水大橋發(fā)生斷裂,中跨斷塌 50m,其中 15m掉入江中,造成死亡 32人、重傷 17人的重大事故;1998年 9月,寧波大橋在即將合龍的時候發(fā)生橋體斷裂,損失高達(dá) 4億元[6]。同類事情發(fā)生了很多。為了確保橋梁安全耐久以及橋梁施工能安全順利的進(jìn)行,橋梁施工監(jiān)測在大跨橋梁施工中的作用愈發(fā)重要。

目前,橋梁結(jié)構(gòu)施工階段的監(jiān)控監(jiān)測已成為控制橋梁施工質(zhì)量不可缺少的主要手段。準(zhǔn)確的應(yīng)力測試以及標(biāo)高控制不僅是控制結(jié)構(gòu)安全的重要依據(jù),也是進(jìn)行監(jiān)控計算、確定監(jiān)控指令的基本參數(shù),將起到確保橋梁施工安全、運營安全的作用,并能通過早期發(fā)現(xiàn)橋梁病害,以節(jié)約橋梁的維修費用,提高橋梁的綜合使用效益。

1 工程背景

該橋是廈門至成都高速公路江西瑞金到贛州段,因所在地名為九嶺故稱為九嶺高架[3]。九嶺高架共有兩座高架橋,這里主要分析九嶺高架Ⅰ橋。其橋型采用的是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑分布:46m+80m+80m+46m。設(shè)計為雙向四車道,設(shè)計荷載為公路 I級。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁半幅橋箱梁頂板寬 12.50 m,底板寬 6.25m,翼緣板長 3.125m。半幅橋箱梁頂板寬 12.50m,底板寬 6.25m,翼緣板長 3.125m。主墩采用單柱式箱型截面空心薄壁墩,橫橋向?qū)挾?6.25m,順橋向?qū)挾?3m,順橋向壁厚為 50 cm,橫橋向壁厚為 70 cm,承臺以上 3m高度范圍內(nèi)采用實心斷面。主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。全橋共有三個墩,采用對稱懸臂施工,共有 54個塊段(不算合龍段)。

2 橋梁施工監(jiān)控的目的和內(nèi)容

2.1 施工監(jiān)測的目的

(1)為合理成橋狀態(tài)提供技術(shù)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確給定和及時調(diào)整梁端立模標(biāo)高,確保合龍精度,使成橋后的結(jié)構(gòu)線型和內(nèi)力滿足設(shè)計要求。

(2)通過理論計算和施工線形測量相結(jié)合,進(jìn)行高程偏差調(diào)整和預(yù)測,得到合理的施工預(yù)拱度,控制橋梁的線形接近設(shè)計線形。

(3)對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試,掌握實際結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力,通過應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)裂紋的部位,對應(yīng)力不足或危險截面采取補救措施,防患于未然。

2.2 橋梁施工監(jiān)控的工作內(nèi)容

(1)施工過程的實橋模擬計算;

(2)對橋梁每個塊段施工中箱梁 0#應(yīng)力、應(yīng)變的測量;

(3)根據(jù)技術(shù)員提供的三階段的標(biāo)高值進(jìn)行分析給定下一階段立模預(yù)拋高值。

3 橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 計算模型建立

九嶺高架Ⅰ橋為雙幅連續(xù)剛構(gòu)橋,計算中只取單幅建立平面桿系模型。按照施工和設(shè)計所確定的施工工序,以及設(shè)計所提供的基本參數(shù),應(yīng)用同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)分析程序橋梁博士 V3.0建立模型對施工過程進(jìn)行計算。計算模型最大結(jié)構(gòu)包含 127個節(jié)點,129個單元。從制作 0#開始,全橋施工共分為 43個階段。該橋從正面看過去從右向左其橋墩命名分別為 4#墩、5#墩、6#墩,其全橋模型見圖 1。

圖1 有限元模型

邊界條件為:墩底部固結(jié),交界墩按活動絞支座模擬。

約束條件:墩梁之間并不是通過主從約束來模擬,而是通過在其之間建立三個單元來模擬其固結(jié)的作用。

3.2 施工荷載模擬

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的懸臂施工中,掛籃和模板機具設(shè)備對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的影響很大,所以在仿真分析中,必須考慮施工荷載(主要是掛籃的影響)。在本橋的仿真模擬計算分析中充分考慮施工荷載的影響,模擬掛籃的安裝、拆除以及前進(jìn)等工況。在模型中掛籃采用程序中自帶的掛籃組進(jìn)行模擬,其可以很好的模擬實際施工中其對結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 施工過程中的結(jié)構(gòu)分析

對于懸臂施工的剛構(gòu)連續(xù)梁橋,其后一塊件是通過預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土與前一塊件相接而成,每一施工階段是密切相關(guān)的。隨著施工階段的推進(jìn),結(jié)構(gòu)形式、邊界約束、荷載形式等在不斷變化,故分析各施工階段及成橋結(jié)構(gòu)的變形和受力特性是不可缺少的。橋梁結(jié)構(gòu)只有根據(jù)實際施工方案的設(shè)計逐步進(jìn)行計算,才能得出成橋后受力狀態(tài)。在本橋的建模過程中亦是根據(jù)其施工階段以及在施工中結(jié)構(gòu)形式、邊界條件等的不斷變化而建立的。充分考慮了這些因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

3.4 懸臂施工的立模標(biāo)高確定

變形計算是施工監(jiān)控的重點和難點[2],九嶺高架Ⅰ橋的變形采用橋梁博士平行計算,自動考慮了混凝土的收縮徐變、預(yù)力、溫度的影響等。只有準(zhǔn)確地計算變形,并合理地確定立模標(biāo)高,最終才能使橋梁線形較好。九嶺高架Ⅰ橋施工階段箱梁懸澆段各節(jié)段立模標(biāo)高的確定采用以下公式:

式中:Hi為掛籃底模立模標(biāo)高;H0為該點設(shè)計標(biāo)高;Fx為本施工段及以后澆筑的各段對該點撓度影響值; f1m為本施工段頂板縱向預(yù)應(yīng)力束張拉后對該點的影響值; fm為掛籃彈性變形對該施工段的影響值; fi為由徐變、收縮、溫度、二期恒載、活載影響產(chǎn)生的撓度計算值。

4 施工監(jiān)測

4.1 變形監(jiān)測

4.1.1 測點布置

撓度測量數(shù)據(jù)是控制成橋線形最主要的依據(jù)。在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋箱梁懸臂施工中,通過在每個懸澆梁段上布置 3個的高程觀測點,可以同時觀測箱梁的豎向撓度及扭轉(zhuǎn)變形情況。觀測點為預(yù)留露出頂板(約 5 cm)的鋼筋頭( 16鋼筋),對稱布置在腹板與頂板交界離現(xiàn)澆段前端 10 cm處。鋼筋頭都用紅漆作了標(biāo)記。在 0#塊箱梁頂板處設(shè)臨時水準(zhǔn)點。

4.1.2 變形監(jiān)測成果

由于在監(jiān)控中做到了認(rèn)真分析實測值和理論計算值的差別,多方找原因,在監(jiān)控專家的知道下及時對相關(guān)數(shù)據(jù),參數(shù)做出調(diào)整。九嶺高架Ⅰ橋的監(jiān)控工作取得了令人滿意的結(jié)果。在各工況下?lián)隙瓤刂频膶崪y值與理論值偏差模標(biāo)高誤差控制在 ±5mm情況下,各工況的變化值絕大多數(shù)控制在 ±10mm。其左幅的高程對比圖可見圖 2。

4.2 應(yīng)力監(jiān)測

4.2.1 測點布置

圖2 左幅橋?qū)崪y成橋高程與理論高程對比

根據(jù)以前的工程實例分析,本橋施工監(jiān)控所使用的測件是振弦式 JMZX-215型應(yīng)變計。其觀測值較為穩(wěn)定,并且耐久性較好,適合應(yīng)力場的長期觀測。

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工方法,本橋采用的是掛籃對稱施工,在0#塊一邊埋設(shè)測件監(jiān)控其施工過程中每個塊段對 0#塊的影響。通過分析將全橋共布設(shè) 9個斷面,分別是在 0#塊、1/4跨、1/2跨、還有兩邊邊跨。而其重點監(jiān)控斷面與一般斷面的測點布置也是不同的,見圖 3～圖 5。

圖3 主橋應(yīng)力測試斷面布置示意

圖4 重點監(jiān)控斷面測點布置

圖5 一般斷面測點布置

4.2.2 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

從九嶺高架Ⅰ橋控制截面應(yīng)力測試結(jié)果看,在各施工階段,箱梁截面上下緣應(yīng)力基本上處于全截面受壓狀態(tài),各工況下理論設(shè)計值和實測值變化趨勢基本吻合,都在規(guī)范和設(shè)計允許范圍之內(nèi)。具體情況見圖 6～圖 11。

5 誤差分析

在混凝土應(yīng)力監(jiān)測中,目前常用振弦式應(yīng)變計。但由于各種因素的影響,實測應(yīng)力值不可能與理論分析值完全一致,兩者之間存在著誤差。對誤差進(jìn)行合理分析和及時處理,是現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)控工作的重要環(huán)節(jié)。一般將各類誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩大類。引起系統(tǒng)誤差的因素包括元件測試精度、混凝土收縮徐變影響;引起隨機誤差的因素包括溫度影響 、施工偏差等[1]、[4]、[5]。

圖6 4號墩上緣實測值與理論值對比

圖7 4號墩下緣實測值與理論值對比

圖8 5號墩下緣實測值與理論值對比

圖9 5號墩下緣實測值與理論值對比

圖10 6號墩上緣實測值與理論值對比

圖11 6號墩下緣實測值與理論值對比

5.1 混凝土收縮徐變影響

鋼筋混凝土作為一種組合材料,鋼筋和混凝土具有不同的物理力學(xué)性能。在持續(xù)應(yīng)力作用下,隨著時間的推移,混凝土?xí)l(fā)生徐變,同時也會產(chǎn)生收縮,而鋼筋則沒有這種性能。在普通鋼筋與混凝土粘結(jié)完好的情況下,材料特性的差異將引起混凝土與鋼筋兩者的變形差,由此在構(gòu)件截面上產(chǎn)生應(yīng)力重分布。這種誤差對實測應(yīng)力值的影響較復(fù)雜,處理起來較困難。

5.2 溫度影響

溫差影響包括季節(jié)溫差(或年溫差)和日照溫差。前者使箱梁發(fā)生整體的均勻溫度變化,一般只對超靜定結(jié)構(gòu)起作用而產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力;后者由于溫度驟然升降,截面各部位溫度變化劇烈,形成較大的溫度梯度,各纖維層相互約束共同變形,而在截面上產(chǎn)生溫差應(yīng)力。在懸臂施工中,橋梁結(jié)構(gòu)是靜定結(jié)構(gòu),理論上溫度不會產(chǎn)生應(yīng)力,而實際測量時有虛應(yīng)變,為了減小溫度的影響,測量時應(yīng)在溫度變化小的早晨測量,但這仍然不能消去溫度對測量結(jié)果的影響。

5.3 施工偏差

在應(yīng)力監(jiān)測中,還需要考慮各種施工偏差導(dǎo)致的應(yīng)力測試誤差。例如,預(yù)應(yīng)力張拉力多采用油表壓力和伸長量來控制。與設(shè)計值相比,張拉力的測定勢必有一定誤差。電子元件埋設(shè)位置的偏差也會引起應(yīng)力誤差。另外,施工中構(gòu)件截面尺寸、施工荷載等也會影響計算的精確度。這要求在施工監(jiān)控計算中,根據(jù)實際情況予以適當(dāng)修正。

監(jiān)測過程中,除了上述各個因素的影響。還有其它一些影響因素,比如混凝土強度影響,應(yīng)變修正中由于混凝土的收縮、徐變,溫度變化等導(dǎo)致其修正誤差比較的大。在施工過程中產(chǎn)生的變化通過參數(shù)(灰色理論)識別以及有效的優(yōu)化方法(如采用帶權(quán)最小二乘法、線性規(guī)劃法等),對計算模型進(jìn)行調(diào)整,從而使測量值與施工時不斷變化的實測值有更好的吻合。

6 結(jié)束語

橋梁施工控制作為橋梁施工技術(shù)的重要組成部分,其實施難度相對較大,但是它對于橋梁施工宏觀質(zhì)量控制、保證橋梁建設(shè)安全有著非常重要的意義。如何把握現(xiàn)場施工外界影響因素的隨機性,如何更準(zhǔn)確地控制橋梁變形及橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展等都需要在今后的實踐中進(jìn)一步研究。

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