連續梁—剛構組合梁橋施工監測與仿真分析

姚敏紅，張俊光

(1.西安公路研究院 橋梁所，西安 710054;2.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064)

連續梁—剛構組合梁橋是連續梁橋與連續剛構橋的結合體，兼顧了兩者的諸多優點，如橋面連續、減少了大噸位支座、施工方便、養護費用少、有利于高速行車等;又摒除了兩者的不足，既增大聯長又突破了矮墩的限制等。［1-2］

本文針對連續梁—剛構組合梁橋的特點，以西部開發省際公路通道銀川至武漢線封侯溝特大橋為工程實例，探討預應力混凝土連續梁—剛構組合梁橋的施工實測監控與仿真分析。通過把大跨度橋梁施工控制的理論和方法應用于實際施工過程，為本橋的順利建成提供了有力的技術支持，且對結構形似橋梁的施工控制有很好的參考價值。

1 施工控制的方法及理論

1.1 前進分析法

前進分析法的目的在于確定成橋結構的受力狀態。這種計算的特點是:隨著施工階段的推進，結構形式、邊界約束、荷載形式在不斷改變，前期結構發生徐變和幾何位置的改變。因而，前一階段結構狀態將是本次施工階段結構分析的基礎。將這種按施工階段進行的結構分析，稱為前進分析法。

前進分析按照橋梁結構實際施工加載順序分析結構的變形和應力，它能較好地擬合橋梁結構的實際施工歷程，能得到橋梁結構在各個施工階段的位移和受力狀態。不僅可以用來指導橋梁的設計和施工，而且為橋梁的施工控制提供了依據。

1.2 倒退分析法

倒退分析系統的基本思想是，假定t=t0時刻結構內力分布滿足前進分析t0時刻的結果，線形滿足設計軸線。在此初始狀態下，按照前進分析的逆過程，對結構進行倒拆，分析每次拆除一個施工段對剩余結構的影響。在一個階段內分析得到的結構位移、內力便是理想施工狀態。按照橋梁結構實際施工加載順序的逆過程進行結構分析，通過分析可以得到橋梁結構在各個施工階段的高程和理想受力狀態。

1.3 自適應分析法

根據施工過程中識別出來的設計參數實際值不斷地修正計算模型中的相應參數，使計算模型與實際模型磨合一段時間后，自動適應結構的物理力學規律。該控制系統中必須具備一個有效的參數識別系統。這些參數主要為:結構幾何形態參數、截面特征參數、節段自重、混凝土彈性模量、混凝土收縮徐變參數、溫度、混凝土強度、施工臨時荷載等。在箱梁的前幾個節段施工中，結構剛度較大，變形較小。因此，在控制初期參數誤差對箱梁高程的影響較小，這對于自適應控制方法的應用是非常有利的。經過幾個梁段的施工后，計算參數已得到修正，為后續變形較大的節段的施工控制創造了良好的條件。

文獻［1］表明，單獨的正算法無論是理論上還是計算量上都明顯優于倒算法。

2 工程實例

封侯溝大橋位于陜西省永壽縣城東約2 km處，是西部開發省際公路通道銀川至武漢線，陜西境陜甘界至永壽公路上的控制工程之一，橋梁全長570 m，主橋立面見圖1。

圖1 封侯溝大橋立面布置(單位:cm)

大橋上部結構為預應力混凝土變截面連續梁—剛構組合橋，跨徑組成為(75+3×140+75)m。主橋上部采用直腹板的單箱單室結構，箱梁頂面寬度12.75 m，箱體寬度6.5 m，翼緣板懸臂長為3.125 m。跨中箱梁梁高3.0 m，箱梁根部梁高8.0 m，箱梁底曲線按二次拋物線變化。13#、16#橋墩采用薄壁空心橋墩，墩梁分離;14#、15#橋墩采用雙薄壁空心橋墩，墩梁固結。主橋兩幅連續剛構箱梁均采用掛籃懸臂澆筑法施工，合龍順序為先邊跨，再合龍中孔，最后合龍次中孔。

3 有限元模型

對封侯溝大橋進行分析計算時，將其按照空間實用理論簡化為三維空間結構，采用大型橋梁專用程序Madis/Civil進行建模，各懸臂施工梁段用空間梁單元來模擬。將全橋離散為236個單元，其中橋面系190個單元，橋墩、基礎46個單元。13#～16#墩為主橋橋墩，12#為過渡墩、17#為橋臺。13#、16#墩頂設活動支座，12#、17#直接將活動支座約束加在主梁上，14#、15#橋墩墩梁固結。每個節段的懸澆過程分為:掛籃就位與立模、混凝土澆筑、張拉預應力筋與拆模、掛籃前移四個受力階段。整個結構形成過程共分為56個施工階段和1個運營階段，整個施工過程中出現的荷載、邊界條件、計算圖式的改變在分析模型中得到準確的體現。

對于大跨度連續梁—剛構橋，施工時結構的彈性模量、自重、預應力、掛籃變形、混凝土收縮徐變、施工臨時荷載、溫度等對結構的內力和變形存在隨機影響，橋梁的線形、應力測量也存在誤差。一般情況下，采用規范設計參數計算的結構內力和位移均較實測值大，這對設計來講是偏于安全的。但對于施工控制來說，這可能會導致不容忽視的誤差，它將直接影響到橋梁的成橋線形及結構內力是否滿足設計要求。因此，在對結構進行施工控制分析研究時，需要對結構設計參數的取值進行修正。本文采用前進分析和自適應分析相結合的方法對有限元模型進行修正。首先在前進分析中，對應于每個施工階段修改相應的參數值，計算出該參數對狀態變量的影響矩陣。再將各個施工狀況下變量理論值與實際值進行對比分析，采用帶權值的最小二乘法來識別各參數的誤差值。以此為依據預測下一施工階段相應狀態變量參數的理論值。由以上兩種分析方法可以得到各個施工狀態下，以及成橋后狀態變量的理論數據，包括主梁的高程、控制截面應力。除此之外，還有施工控制數據的理論值和立模高程值。

4 主橋施工監控

4.1 高程測點的布置

連續梁橋在懸臂澆筑時，首先將梁與墩臨時固結，而對于連續剛構橋則不需要臨時固結措施。在主梁0#塊澆筑完之后，即在頂面上設置5個基準點(見圖2)。主梁其它節段開始澆筑后，在主梁腹板外側及中點布置高程觀測點，主梁梁頂設3個高程觀測點。

圖2 0#塊變形及高程測點布置(單位:cm)

4.2 立模高程的確定

對于懸臂施工的橋梁結構來說，施工控制的主要任務之一就是根據施工監測所得的結構參數真實值，進行施工階段的仿真分析，確定出每個懸臂澆筑階段的立模高程。并在施工過程中根據施工監測的成果，對誤差進行分析、預測，對下一立模高程進行調整。以此來保證成橋后橋面線形、合龍段兩懸臂端高程的相對偏差不大于規定值，以及結構內力狀態符合設計要求。

立模高程H=設計高程H1-鋪裝層厚h1-截面高h2+掛藍變形h3+活載預拱度h4/2+恒載預拱度h5。

4.3 應力測點的布置

施工監控中主要是監測箱梁的縱橋向正應力，因此應力計在箱梁上都是沿縱橋向布置在底、頂板內。梁段的應力監測通常需要在主梁控制斷面處埋設應力測試元件，用以測定各施工階段主梁混凝土的應力。將梁段應力監測的結果與施工控制中其他監測結果相結合，能全面地判斷施工過程中的全橋內力狀態，從而安全可靠地保障橋梁施工。

為了對施工過程中梁段的應力進行監測，在主梁的懸臂根部(1#塊內)，L/4截面以及 L/2截面等梁部關鍵截面處埋設弦式應變計。將應變計順橋向固定在主筋上，其中應變測點的橫截面布置如圖3所示。

圖3 應變測點布置(單位:cm)

4.4 主梁線形監測

由于理論分析中混凝土彈性模量取值與實際值存在差異，以及測量誤差、溫度等影響，導致梁段懸澆施工4個受力階段懸臂梁段產生變形的理論值和實測值存在一定差異。本文對這些差異進行了分析比較，其中掛籃前移使得梁段產生的變形很小。梁段澆筑前后、預應力鋼束張拉前后產生的變形能反映出施工過程中主梁撓度的變化，這些數據是進行施工控制分析的重要因素之一。通過對現場測量數據與理論計算數據進行分析比較發現，梁段澆筑前后的變形實測值與理論值相差不大，除個別數據外，差值均在15 cm之內，達到了《公路橋涵施工技術規范》(JTJ041—2000)［3］中允許的主梁控制誤差精度(±20 mm)，線形控制得到了比較滿意的結果。

4.5 應力監測

該橋應力監控采用階段應力分析方法，其優點是可充分反應梁體在各個施工階段所產生的應力變化情況，以便對每個階段的數據變化進行分析和處理。由于數據較多和限于篇幅，現僅取最具有代表性的支點控制截面實測值與理論值進行對比分析，見表1。

由表1可知施工階段截面上、下緣均為壓應力，箱梁基本上處于全截面受壓狀態，箱梁的應力滿足規范要求。從實測值與理論值的分析比較可知，懸臂根部截面實測值與仿真分析得到的理論值總體吻合良好。在施工過程中的實測應力大部分大于理論值，但兩者相差不大，實測值與理論值的差值小于4 MPa。這是由于箱梁剪力滯效應的存在，導致箱梁頂、底板在靠近腹板處的正應力往往比初等梁理論計算值大。

表1 13號橋墩懸臂根部截面部分應力比較 MPa

5 結語

1)本文結合封侯溝連續梁—剛構組合梁橋的施工監控實踐，闡述了橋梁施工控制的理論方法。通過采用前進分析與自適應控制相結合的方法對該橋進行了仿真分析，從而有效地調整橋梁的內力和線形，確保了橋梁建造質量和施工安全，對類似橋梁結構的施工控制有很好的參考價值。

2)從變形觀測結果來看，各梁段實測高程值與理論值的偏差均在15 mm之內，符合規范要求。表明根據理論模型與實測數據相結合，分析得出的各節段立模高程值，可用于指導立模施工，能有效地控制誤差。

3)在現場測量預應力鋼束張拉產生的梁段變形時，要準確把握測量時機，減小測量誤差。

4)施工控制中的變形觀測、應力觀測對保障橋梁安全施工具有重要意義。

［1］中華人民共和國交通部.JTJ041—2000 公路橋涵施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］徐君蘭.大跨度連續剛構橋施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］薛成鳳，白延芳，趙雷.大跨度混凝土斜拉橋施工控制正裝和倒拆仿真分析［J］.鐵道建筑，2009(8):1-4.

［4］劉俊，陳銘.大跨徑連續剛構橋施工控制研究［J］.中外公路，2008，28(1):109-112.