鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋的施工控制

張瑞征，王力波，王 凱

（1.陽泉市交通局，山西 陽泉 045000；2.北京工業(yè)大學(xué) 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100124）

山西某高速公路一交通樞紐匝道采用鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是通過把鋼梁和混凝土板連接成整體而共同工作的受彎構(gòu)件。在荷載作用下，混凝土板受壓，而鋼梁受拉，充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料特性。實踐表明：它兼顧鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，必將在工程實際中得到越來越多的應(yīng)用[1-4]。

對于連續(xù)結(jié)構(gòu)的鋼-混凝土結(jié)合梁，不同的施工方法下，其組合梁的受力存在較大差異。為了保證結(jié)構(gòu)物的安全，同時為了掌握其在各個工況條件下的線形變化、變位，以及各部內(nèi)力狀態(tài)分布，有必要對橋梁進(jìn)行施工監(jiān)測[5-7]。

1 工程概況

圖1 全橋整體布置、測點(diǎn)布置圖

山西陽泉某高速公路交通樞紐G匝道，第一聯(lián)主梁為3跨連續(xù)3-30 m鋼混組合梁。全橋位于R=90 m圓曲線上，單向交通。橋梁全寬為8.5 m，橫向布置為：0.5 m防撞護(hù)欄+7.5 m行車道+0.5 m防撞護(hù)欄。全橋平面按圓曲線設(shè)計，各隔板沿徑向布置，垂直于橋梁中心線。本橋設(shè)計為雙箱單室結(jié)構(gòu)，中間用橫梁連接。頂板寬8.5 m，單箱底板寬2.0 m，懸臂板寬為1.25 m，梁中心高為1.695 m，橋面設(shè)6%的橫坡。箱梁底板水平設(shè)置在同一腹板位置處，全橋梁高相等。為使鋼梁與混凝土共同受力，鋼梁頂板與混凝土頂板通過剪力釘進(jìn)行連接。橋型布置見圖1。每片預(yù)制鋼梁共分5個預(yù)制段，鋼梁在工廠進(jìn)行焊接制作，在現(xiàn)場搭設(shè)臨時支架安裝鋼梁，采用高強(qiáng)螺栓連接，形成純鋼斷面的5孔連續(xù)梁；拆除臨時支架，安裝模板，綁扎鋼筋，先澆筑跨中正彎矩區(qū)混凝土，再澆筑負(fù)彎矩區(qū)混凝土。待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，完成體系轉(zhuǎn)換。接著，安裝二期恒載（防撞護(hù)欄，橋面鋪裝等）即可成橋。施工流程見圖2。

圖2 橋梁施工流程

2 施工監(jiān)控方案

2.1 監(jiān)控內(nèi)容及測點(diǎn)布置

2.1.1 線形控制

結(jié)構(gòu)的變形控制是橋梁施工控制的基本要求，包括結(jié)構(gòu)尺寸控制和線形控制。在橋梁施工中以標(biāo)高和變形控制為主。標(biāo)高控制點(diǎn)的布置情況為：沿橋梁縱向布置Ⅰ～Ⅷ標(biāo)高控制截面，每一截面沿橫向布置1～4號監(jiān)控點(diǎn)，測點(diǎn)制作采用剪力鍵頂面焊接剪力鍵的方式。具體布置見圖1。

2.1.2 應(yīng)力控制

結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)直接影響到橋梁的安全性和使用壽命。結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制是橋梁施工監(jiān)控的一項重要內(nèi)容，但是結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)不能通過外觀檢查獲得，只能采用在關(guān)鍵截面預(yù)埋儀器的方法監(jiān)測橋梁施工過程中的實際應(yīng)力。本項目采用鋼弦式應(yīng)變計監(jiān)測箱梁各斷面的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力控制點(diǎn)布置情況為：沿橋梁縱向布置S1～S5共5個應(yīng)力控制截面，截面上布置8個應(yīng)力測點(diǎn)。具體布置見圖1。

2.1.3 溫度監(jiān)測

溫度效應(yīng)對施工過程中的鋼箱梁整體穩(wěn)定的影響比較大，溫度效應(yīng)是不容忽視的，溫度場的采集可為溫度效應(yīng)的精確分析提供依據(jù)。本項目采用熱敏電阻型溫度傳感器對日照作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度場進(jìn)行監(jiān)測，沿橋梁縱向設(shè)置T1、T2兩個溫度測試截面，截面上布置8個溫度測點(diǎn)。具體布置見圖1。

2.1.4 動力參數(shù)監(jiān)控

通過在鋼箱梁控制斷面上安裝加速度傳感器，識別出結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)，可適時、全面地掌握結(jié)構(gòu)的實際受力狀況。考慮到項目的實際特點(diǎn)，傳感器分別布置在橋梁的第一跨1/2截面、第二跨1/2截面和第三跨1/2截面3個截面。每個截面在豎向設(shè)置一個加速度傳感器，傳感器重復(fù)使用，使用相配套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)采集。具體布置見圖1。

2.2 監(jiān)控過程

首先在對橋梁實施施工監(jiān)控之前，根據(jù)施工設(shè)計圖紙等可參考資料選取結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)施工控制的有限元仿真計算（有限元模型見圖3），然后根據(jù)實際施工中采用的施工方法對各施工階段的監(jiān)控內(nèi)容（變形、應(yīng)力等）進(jìn)行實時監(jiān)控，根據(jù)得到的監(jiān)控數(shù)據(jù)選擇合適的參數(shù)對有限元模型進(jìn)行修正，以使各施工階段中的施工監(jiān)控計算值與實際施工測量值相符合，最終實現(xiàn)成橋時橋梁結(jié)構(gòu)的線形與內(nèi)力符合要求。

圖3 實橋有限元模型

3 施工監(jiān)控成果

在鋼-混凝土組合梁施工過程中，經(jīng)過各方面人員的大力合作，順利地完成了橋梁的施工監(jiān)控工作，取得良好的監(jiān)控效果，同時也獲得了大量的監(jiān)控數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，下面僅列舉兩項成果。

3.1 線形監(jiān)控成果

對橋梁施工過程的線形控制取得了良好的監(jiān)控效果，由于線形監(jiān)控的數(shù)據(jù)較多，下面僅列出第二跨跨中Ⅳ截面的4個測點(diǎn)理論標(biāo)高和實測標(biāo)高隨施工過程的變化情況，見圖4。

圖4 Ⅳ截面各測點(diǎn)標(biāo)高變化趨勢圖

通過對線形監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析可知，施工過程中鋼-混凝土組合梁橋各標(biāo)高測點(diǎn)的實測標(biāo)高整體變化趨勢與理論值較為相符，絕大多數(shù)測點(diǎn)的標(biāo)高實測值與理論值的差值控制在20 mm之內(nèi)，并且隨著施工過程的發(fā)展，此差值整體上呈現(xiàn)出變小的趨勢，成橋整體線形與設(shè)計線形較為相符。

3.2 應(yīng)力監(jiān)控結(jié)果

對橋梁施工過程的應(yīng)力控制取得了良好的監(jiān)控效果，由于監(jiān)控的數(shù)據(jù)較多，下面僅列出第一跨跨中S1截面的各測點(diǎn)理論應(yīng)力和實測應(yīng)力隨施工過程的變化情況，見圖5。

通過對應(yīng)力數(shù)據(jù)及應(yīng)力變化趨勢圖進(jìn)行分析可以看出：a）應(yīng)力實測值與理論計算值比較接近，一方面說明通過數(shù)值模擬可以較為精確地反映鋼-混凝土組合梁施工過程中的受力狀態(tài)，另一方面也證明了應(yīng)力測試儀器及測試方法的可行性；b）由鋼箱梁應(yīng)力測點(diǎn)（1~4號）的實測應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出，施工過程中鋼箱梁實際應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其設(shè)計強(qiáng)度（抗拉、抗壓、抗彎）295 MPa，整個施工過程直至成橋狀態(tài)，鋼箱梁處于安全可控的狀態(tài)；c）在卸載壓重階段（工況7）中支點(diǎn)截面混凝土橋面板中存在一定的壓應(yīng)力，而在成橋狀態(tài)下，中支點(diǎn)截面混凝土橋面板中出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力，小于混凝土的抗拉設(shè)計強(qiáng)度，避免裂縫的出現(xiàn)，起到了改善負(fù)彎矩區(qū)混凝土受力性能的作用。

3.3 動力特性監(jiān)控成果

在橋梁施工過程中，各施工階段自振頻率的實測值與理論值吻合較好，其前3階自振頻率的理論值和實測值隨工況變化的趨勢基本一致，見圖6~圖7。

圖6 各施工階段理論頻率變化圖

圖5 S1截面各測試工況應(yīng)力狀態(tài)

圖7 各施工階段實測頻率變化圖

通過對鋼-混凝土組合梁橋施工階段動力特性參數(shù)測試結(jié)果可以看出，橋梁施工過程中的頻率實測值與計算值基本一致，且絕大多數(shù)的實測頻率值略高于計算值，說明本橋的實際剛度比理論計算剛度偏大，具有一定的安全儲備。

4 結(jié)論

在此次鋼-混凝土組合梁橋的施工監(jiān)控過程中，監(jiān)控單位制定了較為詳細(xì)的監(jiān)控方案，針對整個施工過程進(jìn)行了詳盡的仿真計算，獲得了良好的監(jiān)控效果。在保證了橋梁施工過程安全的前提下，基本實現(xiàn)了成橋線形和內(nèi)力滿足設(shè)計要求。監(jiān)控過程中將對橋梁結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)監(jiān)控作為一項重要的監(jiān)控內(nèi)容，對橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中的安全、穩(wěn)定及整體施工質(zhì)量的控制起到了一定的作用。此次對鋼-混凝土組合梁橋施工監(jiān)控的成功實施，不僅為橋梁的成功修建起了關(guān)鍵的作用，同時也為同類型鋼-混凝土組合梁橋的施工監(jiān)控積累了一定的經(jīng)驗。