波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋施工監(jiān)控＊

向葦康 鄭尚敏 萬(wàn) 水

（東南大學(xué)交通學(xué)院 南京 210096）

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)在國(guó)外的一種新型橋梁，它采用自重較輕的波形鋼板代替混凝土腹板，充分利用混凝土受壓強(qiáng)度高、波形鋼板抗剪屈服強(qiáng)度高的材料特性，實(shí)現(xiàn)了普通混凝土箱梁橋輕型化的目的［1］。

大跨度變截面波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋采用懸臂澆筑法施工時(shí)，施工過(guò)程中諸多因素（如混凝土彈性模量、腹板剪切剛度、橋梁施工臨時(shí)荷載、掛籃變形等）的影響都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際線形和受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)出現(xiàn)偏差，影響成橋后橋梁美觀和行車(chē)舒適，也可能誘發(fā)施工事故［2－3］。因此，為確保安全建成線形平順的高質(zhì)量波形鋼腹板PC組合連續(xù)箱梁橋，施工監(jiān)控是必不可少的。

1 工程概況

南京長(zhǎng)江第四大橋北接線滁河大橋，位于南京市六合區(qū)龍袍鎮(zhèn)和東溝鎮(zhèn)交界處，跨越滁河，起點(diǎn)樁號(hào)AK8＋924．00，終點(diǎn)樁號(hào) AK9＋126．00，總長(zhǎng)202．0m。上部結(jié)構(gòu)為主跨96m的3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑布置為53m＋96m＋53m。主梁采用單箱單室截面，單幅箱梁寬度為16．55m，箱梁底板寬度為8．00m。梁高和底板厚度均以1．6次由跨中向根部變化，跨中梁高3．00m，底板厚28cm，根部梁高6．50m，底板厚130cm。波形鋼腹板波長(zhǎng)1．60m，波高0．22m，采用厚度10，14，16，18mm 4種型號(hào)。96m主跨兩端懸臂對(duì)稱施工半跨96m／2劃分為0～14號(hào)塊，共15個(gè)施工段，即4m＋4×2．4m＋4×3．2 m＋5×4m＋1．6m＝96m／2，0號(hào)塊重量204．75 t，合龍段14b號(hào)塊36．7t；53m邊跨劃分為0～16號(hào)塊，共17個(gè)施工段，0號(hào)塊重量204．75t，合龍段14a號(hào)塊63．6t，邊跨過(guò)渡墩上為15～16號(hào)塊。圖1為滁河大橋現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

圖1 滁河大橋

2 施工過(guò)程仿真計(jì)算

滁河大橋施工控制仿真計(jì)算軟件采用MIDAS／civil，主梁采用平面梁?jiǎn)卧M。不考慮普通鋼筋參與受力，考慮時(shí)間依存效果（累加模型），主梁的橫隔板作用以節(jié)點(diǎn)荷載的形式體現(xiàn)。計(jì)算分析中忽略橋墩影響，抗震球形用一般支承進(jìn)行模擬，梁頂節(jié)點(diǎn)與支座節(jié)點(diǎn)之間使用“彈性連接”中的“剛性”進(jìn)行連接。模型共有91個(gè)節(jié)點(diǎn)、86個(gè)單元，如圖2所示。對(duì)滁河大橋施工過(guò)程進(jìn)行一次正裝計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)際的施工過(guò)程將各標(biāo)準(zhǔn)梁段施工劃分為移動(dòng)掛籃、定位連接波形鋼腹板和澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋3個(gè)工況，模擬計(jì)算得到階段應(yīng)力和位移控制數(shù)據(jù)。

圖2 三維有限元模型

3 線形控制

3．1 立模標(biāo)高的確定與控制

連續(xù)梁橋線形控制主要通過(guò)在主梁的立模標(biāo)高中添加預(yù)拱度實(shí)現(xiàn)，以消除施工過(guò)程中各種作用（主梁自重、溫度效應(yīng)等）對(duì)線形的影響和后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的收縮徐變、后期預(yù)應(yīng)力的損失、活載變形等。滁河大橋主梁懸臂施工立模標(biāo)高按式（1）確定。

式中：Hi為待施工節(jié)段箱梁底板前端立模標(biāo)高；H0i為待澆筑箱梁底板前端設(shè)計(jì)標(biāo)高；fsi為施工預(yù)拱度，是主梁施工梁段施工控制計(jì)算的累計(jì)撓度值（向上為正），即從該施工梁段開(kāi)始施工到二期恒載施加完成后，各個(gè)工況對(duì)梁段前端測(cè)點(diǎn)標(biāo)高的影響值之代數(shù)和；fg為掛籃變形產(chǎn)生的撓度值；fc為成橋預(yù)拱度，通常由設(shè)計(jì)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定各跨跨中的成橋預(yù)拱度，剩余節(jié)段按照二次拋物線方式進(jìn)行變化分配，本文背景工程滁河大橋主跨跨中的fc取6cm，邊跨跨中的fc取3 cm；δ為根據(jù)實(shí)測(cè)的調(diào)整值。

標(biāo)高控制就是當(dāng)實(shí)際施工情況下的實(shí)測(cè)撓度與計(jì)算撓度不符合的時(shí)候，對(duì)比現(xiàn)實(shí)值與計(jì)算值，找出實(shí)際的變形規(guī)律，通過(guò)調(diào)整立模標(biāo)高達(dá)到橋面標(biāo)高控制的目的。立模標(biāo)高調(diào)整過(guò)程中，不強(qiáng)行在下一梁段施工中立即全部調(diào)整，以保證梁的豎曲線和理論豎曲線近似，均勻連續(xù)，無(wú)局部的突起或下?lián)稀?/p>

滁河大橋監(jiān)控采用灰色理論控制方法調(diào)整位移誤差。線形控制結(jié)果表明，左右兩幅成橋后的線形與設(shè)計(jì)線形在各測(cè)點(diǎn)的誤差均控制在規(guī)范規(guī)定和設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)［4］。

3．2 位移測(cè)試

位移測(cè)試的主要內(nèi)容是標(biāo)高測(cè)量。滁河大橋監(jiān)控過(guò)程測(cè)量橋面標(biāo)高的方法為幾何水準(zhǔn)測(cè)量法，水準(zhǔn)控制點(diǎn)設(shè)在箱梁變形較小的0號(hào)塊，測(cè)量?jī)x器為精度0．1mm的DZ－02工程水準(zhǔn)儀。為排除日照溫差引起梁體的不規(guī)則變化和施工對(duì)觀測(cè)工作的干擾，要求箱梁撓度觀測(cè)嚴(yán)格安排在早晨時(shí)間段內(nèi)（06：00～08：00）完成，要求記錄開(kāi)始和終了的環(huán)境溫度，如觀測(cè)時(shí)間超過(guò)1h，要求每小時(shí)記錄一次環(huán)境溫度。每一個(gè)梁段的施工過(guò)程均分為“掛籃前移”、“澆筑后”和“張拉后”3個(gè)階段。表1和表2列出右幅14號(hào)墩13號(hào)塊“澆筑后”和“張拉后”的位移測(cè)試成果，觀察主梁懸臂狀態(tài)下的撓度變化，對(duì)比實(shí)測(cè)值與計(jì)算值。

表1 右幅14號(hào)墩最大懸臂狀態(tài)各節(jié)段撓度（澆筑后）

表2 右幅14號(hào)墩最大懸臂狀態(tài)各節(jié)段撓度（張拉后）

由表1可見(jiàn)，在“澆筑后”階段，箱梁各塊段均產(chǎn)生向下的位移，數(shù)值隨著懸臂端的伸長(zhǎng)而逐漸增大，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化規(guī)律一致，誤差主要來(lái)源于混凝土彈性模量、截面幾何尺寸、混凝土方量、掛籃自重、橋面臨時(shí)荷載等。由表2可見(jiàn)，各塊段混凝土張拉縱向預(yù)應(yīng)力束后，產(chǎn)生向上的位移，數(shù)值隨著懸臂端的伸長(zhǎng)而逐漸增大，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化規(guī)律一致。誤差主要由混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力誤差等造成。

4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力控制是指通過(guò)定期監(jiān)測(cè)與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中可能存在的異常情況，一旦發(fā)現(xiàn)全橋應(yīng)力接近或超出安全指標(biāo)，及時(shí)預(yù)警，保障施工安全。滁河橋測(cè)量斷面選擇在主跨箱梁根部、主跨1／4、主跨跨中、主跨3／4；邊跨箱梁根部、邊跨1／4、邊跨1／2、邊跨合龍段等部位。測(cè)試儀器選擇可同時(shí)測(cè)量溫度的振弦式應(yīng)力傳感器和配套的綜合讀數(shù)儀。

下面以滁河橋右幅為例，給出14號(hào)墩主跨根部截面的全施工階段實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論應(yīng)力對(duì)比分析結(jié)果（見(jiàn)圖3～圖5）。混凝土實(shí)測(cè)值取頂?shù)装遄蟆⒅小⒂?個(gè)測(cè)點(diǎn)所采集的應(yīng)力值的平均數(shù)。

從各施工階段實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比情況看，該斷面頂板、底板混凝土的正應(yīng)力值與計(jì)算值的整體變化趨勢(shì)一致，隨著懸臂的伸長(zhǎng)，箱梁應(yīng)力數(shù)值逐漸增大。最大壓應(yīng)力為18．76MPa，最大拉應(yīng)力為0．20MPa，小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62－2004）規(guī)定的短暫狀況下混凝土壓應(yīng)力限值和拉應(yīng)力限值。

圖3 右幅14號(hào)墩主跨箱梁根部截面頂板應(yīng)力

圖4 右幅14號(hào)墩主跨箱梁根部截面底板應(yīng)力

圖5 右幅14號(hào)墩主跨箱梁根部截面某側(cè)鋼腹板剪應(yīng)力

由于實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)，數(shù)值誤差來(lái)源于施工過(guò)程中機(jī)具堆放、環(huán)境誤差以及鋼弦應(yīng)變計(jì)測(cè)量精度等多種因素，因此只要測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定，變化趨勢(shì)一致，施工中應(yīng)力不超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值，就可以說(shuō)明結(jié)構(gòu)是安全的。

剪應(yīng)力方面，鋼腹板理論上在懸臂狀態(tài)下應(yīng)隨著節(jié)段的增多而逐步增大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)控制值吻合良好。鋼板應(yīng)力保持在20MPa左右，遠(yuǎn)低于Q345鋼的容許剪應(yīng)力（120MPa），滿足設(shè)計(jì)要求。

5 鋼腹板空間位置控制

鑒于波形鋼腹板的柔性，需在施工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行空間定位，避免因波形鋼腹板橫向偏位嚴(yán)重而造成兩側(cè)懸臂端不能進(jìn)行正常合龍。由于波形鋼腹板是一塊空間的板，所以其空間位置控制方法采用3個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行定位，圖6給出了每塊鋼腹板空間3個(gè)點(diǎn)的位置圖 。測(cè)量?jī)x器使用精度1″的徠卡TPC1201全站儀。

圖6 波形鋼腹板的空間定位點(diǎn)

表3給出了右幅14號(hào)墩邊跨側(cè)5號(hào)梁段兩邊鋼腹板6個(gè)定位點(diǎn)y向的坐標(biāo)及與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差，代表的是波形鋼腹板橫向偏位差，最大值為5 mm。施工中應(yīng)盡可能將各塊段鋼腹板誤差控制在5mm之內(nèi)，以確保合龍段的順利完成。

表3 右幅14號(hào)墩邊跨側(cè)5號(hào)塊鋼腹板定位表

6 結(jié)語(yǔ)

本文從施工過(guò)程仿真計(jì)算、線形控制、應(yīng)力控制、鋼腹板空間位置控制等方面對(duì)南京長(zhǎng)江第四大橋北接線滁河大橋的施工監(jiān)控過(guò)程進(jìn)行了闡述。實(shí)踐表明，對(duì)結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程的受力和位移狀態(tài)的有效控制，為施工各階段和環(huán)節(jié)的操作提供了科學(xué)依據(jù)，保證了工程施工安全和營(yíng)運(yùn)安全。滁河大橋合龍后線形流暢、預(yù)拱度設(shè)置合理、幾何尺寸及結(jié)構(gòu)安全，符合設(shè)計(jì)要求。

［1］ 徐 強(qiáng)，萬(wàn) 水．波形鋼腹板PC組合箱梁橋設(shè)計(jì)與應(yīng)力［M］．北京：人民交通出版社，2009．

［2］ 陳健兵，萬(wàn) 水，喻文兵，等．波形鋼腹板PC組合箱梁彎曲性能理論分析與試驗(yàn)研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2004，28（1）：15－18．

［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］ JTG TF50－2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2011．