連續剛構橋施工監控分析

于明聰 田 俊 葉蘭洲

1 工程概況

仕望河大橋主橋上部為53 m+90m+53 m三跨預應力混凝土變截面連續剛構,由單箱單室箱形截面組成。橋面寬度:0.5 m(防護欄)+11.25 m(行車道)+0.5 m(防護欄)。主橋下部結構:橋墩為薄壁式空心墩,橋墩高度為 78 m;嵌巖樁基礎,深20m;柱式橋臺。施工方式采用懸臂施工法。

2 施工監控目的、內容及目標

2.1 施工監控的目的及意義

連續剛構橋是一種多次超靜定結構體系,在施工過程中會出現各種復雜因素引起結構的幾何形狀及內力狀況的改變。即使設計時考慮了施工中可能出現的各種情況,但是由于施工過程中發生的偶然性難以把握,預先很難精確地估計出結構的實際狀態[1]。所以通過在施工過程中對橋梁結構進行全方位實時監測,可以根據監測結果對施工過程中的控制參數給予相應的調整,使其結構的線形符合設計要求,確保橋梁在施工和運營階段達到安全性、實用性和耐久性的要求。

2.2 施工監控主要內容

1)連續剛構橋施工監控的主要內容是對結構的撓度、應力和溫度實施全程監控,修正理論設計參數,確保該橋達到預期的設計目標,采取科學的措施對箱梁撓度實施監控、預測分析、實時調整,以使大橋實際線形盡可能地與設計線形吻合;內力控制主要是在箱梁的關鍵部位埋設鋼筋及應力傳感器以監測大橋實際受力及其內部的溫度變化狀況,確保大橋在施工及運營期間的結構安全。2)連續剛構橋施工監控主要對施工過程的標高、內力實測值與預測值進行比較,對橋梁結構的主要參數進行識別,找出產生偏差的原因,從而對參數進行修正,使成橋后線形滿足設計要求,提出預防措施,建立安全預警體系[2]。連續剛構橋施工過程的影響參數較多,如:結構剛度、梁段的重量、施工荷載、混凝土的收縮徐變、溫度和預應力等。求施工控制參數的理論設計值時,都假定這些參數值為理想值。為了消除因設計參數取值的不確切所引起的施工中設計與實際的不一致性,我們在施工過程中對這些參數進行識別和預測。對于重大的設計參數誤差,提請設計方進行理論設計值的修改,對于常規的參數誤差,通過優化進行調整,使本梁段與未來梁段的立模標高滿足要求,使成橋狀態最大限度地接近理想設計成橋狀態,并且保證施工過程中受力安全。

2.3 施工監控目標

橋梁設計線形是設計者在理想狀態下,橋梁結構完成混凝土收縮、徐變后的設計線形[3]。竣工狀態時,結構的收縮與徐變尚未全部完成,施工控制須根據施工具體實際情況計算分析結構的內力和變形,確定竣工狀態的線形內力指標。

3 仕望河大橋實例分析

仕望河大橋結構采用Midas通用軟件建立空間有限元近似分析計算模型圖,見圖1。

3.1 位移監測

在每個懸澆箱梁塊的端部設3個測量觀測點;在梁段的施工過程中,觀測掛籃移動前和移動后、混凝土澆筑前和澆筑后以及預應力束張拉前和張拉后6個工況下主梁懸臂節段前端3個測點的標高;通過橫向測點的比較,可觀測到該節段箱梁有無出現橫向扭轉;通過幾個工況測點的比較,分析掛籃的彈性變形、箱梁節段的下沉量以及預應力張拉的狀況;分析數據并與理論計算值進行比較,并進行修正。本文以1號墩0號～10號塊箱梁測點理論預拱度值、實測預拱度值及修正預拱度值進行比較(見圖2)。

3.2 應力監測

應力傳感器的埋設部位根據計算確定,在橋梁的最不利部位進行埋設。根據圣維南原理,主梁應力測試斷面通過Midas計算,選擇應力變化最大、受力最不利的截面進行埋設,并在每個應力傳感器埋設點增設溫度傳感器(見圖3),測試在不同溫度下各工況的應力變化。將應力的變化值與理論計算值進行比較,如有異樣,找出原因,必要時對施工提出預警。

3.3 數據分析

實測應力是先由光纖應變傳感器測量出被測截面各測點的實測應變的大小,再由實驗室測出的混凝土彈性模量按照彈性理論推算出來的。但是混凝土的實測應變中,既包括了應力應變,也包括了收縮、徐變等非應力應變。所以實測值與理論值有一定的偏差,施工過程中,影響結構受力的主要參數有材料特性、結構剛度、荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變、預應力有效值等。溫度變化、材料特性對結構剛度和結構受力影響很大,施工過程中應測試箱梁的溫度場和有關材料參數,對預應力實際效果、主梁彎曲剛度、混凝土彈性模量、收縮徐變參數、自重及臨時荷載、溫度等參數的有效模擬,并體現在監控計算中。以1號墩0號～10號塊應力為例,實測應力值與理論應力值進行比較見圖4。

3.4 誤差分析

參數識別橋梁結構的實際狀態與理想狀態存在一定誤差(設計參數誤差、施工誤差、測量誤差等),因此,本橋施工控制先采用卡爾曼濾波法對施工誤差的特性進行分析,然后再運用最小二乘法對設計參數進行識別和修正[4],從而確定未澆筑梁段的立模高程,使成橋后的狀態最大限度地接近理想狀態,并保證施工過程中的受力安全。

4 結語

從整個施工過程及主橋全部施工完成后對受控變量(標高和線形)的實測結果可以看出,青蘭高速仕望河大橋主梁應力及主梁線形控制的精度非常高。雖然由于梁上臨時施工荷載的存在及其大小和作用位置的隨機性,以及各梁段混凝土重量的施工誤差、混凝土收縮徐變和溫度等因素的影響,使這些受控變量的量值在某一施工階段可能與理論值不完全一致,但總的來說這種不一致是小的和個別的,最終的控制效果是令人十分滿意的。

[1]余天慶,李德寅,熊健民,等.工程材料與橋梁結構的力學性能測試[M].北京:國防工業出版社,1997.

[2]李國平.預應力混凝土結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4]顧安邦,張永水.橋梁施工監測與控制[M].北京:機械工業出版社,2005.

[5]姚輝光.大跨度連續剛構橋懸臂施工監控方法[J].山西建筑,2008,34(11):327-328.