連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)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(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu),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(jié)構(gòu):橋墩為薄壁式空心墩,橋墩高度為 78 m;嵌巖樁基礎(chǔ),深20m;柱式橋臺。施工方式采用懸臂施工法。

2 施工監(jiān)控目的、內(nèi)容及目標

2.1 施工監(jiān)控的目的及意義

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種多次超靜定結(jié)構(gòu)體系,在施工過程中會出現(xiàn)各種復(fù)雜因素引起結(jié)構(gòu)的幾何形狀及內(nèi)力狀況的改變。即使設(shè)計時考慮了施工中可能出現(xiàn)的各種情況,但是由于施工過程中發(fā)生的偶然性難以把握,預(yù)先很難精確地估計出結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)[1]。所以通過在施工過程中對橋梁結(jié)構(gòu)進行全方位實時監(jiān)測,可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對施工過程中的控制參數(shù)給予相應(yīng)的調(diào)整,使其結(jié)構(gòu)的線形符合設(shè)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(jiān)控主要內(nèi)容

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

2.3 施工監(jiān)控目標

橋梁設(shè)計線形是設(shè)計者在理想狀態(tài)下,橋梁結(jié)構(gòu)完成混凝土收縮、徐變后的設(shè)計線形[3]?？⒐顟B(tài)時,結(jié)構(gòu)的收縮與徐變尚未全部完成,施工控制須根據(jù)施工具體實際情況計算分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,確定竣工狀態(tài)的線形內(nèi)力指標。

3 仕望河大橋?qū)嵗治?/h2>

仕望河大橋結(jié)構(gòu)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(jiān)測

在每個懸澆箱梁塊的端部設(shè)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(yù)應(yīng)力束張拉前和張拉后6個工況下主梁懸臂節(jié)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(jié)段箱梁有無出現(xiàn)橫向扭轉(zhuǎn);通過幾個工況測點的比較,分析掛籃的彈性變形、箱梁節(jié)段的下沉量以及預(yù)應(yīng)力張拉的狀況;分析數(shù)據(jù)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(yù)拱度值、實測預(yù)拱度值及修正預(yù)拱度值進行比較(見圖2)。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力傳感器的埋設(shè)部位根據(jù)計算確定,在橋梁的最不利部位進行埋設(shè)。根據(jù)圣維南原理,主梁應(yīng)力測試斷面通過Midas計算,選擇應(yīng)力變化最大、受力最不利的截面進行埋設(shè),并在每個應(yīng)力傳感器埋設(shè)點增設(shè)溫度傳感器(見圖3),測試在不同溫度下各工況的應(yīng)力變化。將應(yīng)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(yù)警。

3.3 數(shù)據(jù)分析

實測應(yīng)力是先由光纖應(yīng)變傳感器測量出被測截面各測點的實測應(yīng)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(yīng)變中,既包括了應(yīng)力應(yīng)變,也包括了收縮、徐變等非應(yīng)力應(yīng)變。所以實測值與理論值有一定的偏差,施工過程中,影響結(jié)構(gòu)受力的主要參數(shù)有材料特性、結(jié)構(gòu)剛度、荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力有效值等。溫度變化、材料特性對結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)受力影響很大,施工過程中應(yīng)測試箱梁的溫度場和有關(guān)材料參數(shù),對預(yù)應(yīng)力實際效果、主梁彎曲剛度、混凝土彈性模量、收縮徐變參數(shù)、自重及臨時荷載、溫度等參數(shù)的有效模擬,并體現(xiàn)在監(jiān)控計算中。以1號墩0號～10號塊應(yīng)力為例,實測應(yīng)力值與理論應(yīng)力值進行比較見圖4。

3.4 誤差分析

參數(shù)識別橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)存在一定誤差(設(shè)計參數(shù)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(shè)計參數(shù)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(tài)最大限度地接近理想狀態(tài),并保證施工過程中的受力安全。

4 結(jié)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(jié)果可以看出,青蘭高速仕望河大橋主梁應(yīng)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(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測試[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997.

[2]李國平.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)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(jiān)測與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

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