大跨度連續剛構橋施工過程的主梁線型控制與應力控制研究

曾　明

(湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙　410004)

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大跨度連續剛構橋施工過程的主梁線型控制與應力控制研究

曾明

(湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南 長沙410004)

摘要：基于X大橋工程，通過有限元軟件Midas/Civil2010創建三維有限元模型，分析研究主梁線形控制與主梁應力控制兩個內容，分析了引起應力的實測值與模型中計算結果的理論值之間較大偏差的主要因素。

關鍵詞：有限元；主梁線形控制；主梁應力控制

1工程概況

本次控制項目的對象是X大橋主橋，其構造是四跨預應力混凝土連續剛構橋(66 m+2 120 m+66 m)。橋梁設計有雙向六車道與人行道，寬度為27.5 m，設計荷載采用公路-I級，設計車速為60 km/h。橋面設置單向縱坡(坡度為1.45%)以及雙向橫坡(坡度為2%)。其中，主梁結構為三向預應力體系的雙箱單室截面的箱梁。橋臺設計為U型橋臺。主墩為2個雙肢薄壁墩，主墩樁基為群樁基礎(122.2 m)。本工程橋梁寬度相對較大，若采用整幅施工法，則需要很大的掛籃來滿足施工需求，大大影響施工難度以及工程進度。為此本工程在施工中采用分幅對稱逐段懸臂澆筑法，而邊跨端頭塊的施工，則采用支架現澆法。全橋的合龍方案：首先同步合龍5#壤和8#墩的邊跨，接著再同步合龍5#壞和8#墩的中跨。邊跨的合龍方式為支架現澆合龍，中跨的合龍采用掛籃合龍。

2全橋的有限元模型

基于有限元軟件Midas/Civil2010，建立本橋三維有限元模型。整橋模型均采用梁單元建立，單元數量有163。其中，橋繳與主梁之間的連接方式視為彈性連接類型中的剛性連接方式，邊跨支座視為活動鉸支座，橋墩墩底視為固定支座(即約束所有自由度)。

主梁中每一梁段的施工過程由三個步驟完成：混凝土的澆筑(工期5 d，包含掛籃前移、梁段立模及鋼筋綁扎)；混凝土的養護及形成(工期持續5 d)；預應力束的張拉(工期持續1 d)。整個有限元模型共模擬分析了58個施工階段。

3主梁線形控制

3.1測點布置

由于需要獲取主梁撓度的動態值，要求在主梁的零號塊上與懸臂施工過程中的各個梁段上設置高程測點。零號塊上的測點布置在梁頂中心處，各個梁段在懸臂端等長度間隔內橫向布置3個測點。高程測點通過P20的鋼筋捆綁在已完成綁扎的鋼筋骨架上，其中，頂部打磨后要求高于混凝土表面2 cm。全橋整體的斷面橫向有6個點。其中單幅箱梁軸線中心處于2號點，1、3號點與箱梁外側距離均為2 m。

3.2主梁撓度觀測

施工控制過程中，主梁撓度監測是一項重要的工作，由線形通測與局部梁段標高測量組成。局部梁段測量主要是監測目前已完成施工的梁段高程，其目的是獲取實際撓度值，并與理論值對比。在局部梁段標高測量的同時，每隔三個節段施工完成后對橋面線形進行一次通測，在結構主梁的邊跨、中跨合龍之前及之后分別進行一次通測，在施加二期恒載的各階段和成橋時各進行一次通測，在進行重要施工階段時也需要進行通測，以保證全橋能夠順利完成合龍，并形成滿足預期的線形。

3.4立模標高的調整

理論立模標高只是計算時的理論數據，但實際施工中由于許多不確定因素的存在，導致理論計算值與工程實際值有較大不同。其主要原因是施工預拱度是通過模型計算獲取的，但模型中的計算撓度與主梁在施工中產生的撓度存在誤差，因此必須基于施工工況作出調整。如在掛籃移動后、混凝土澆筑后以及預應力張拉后的三個施工工況分別對箱梁上預設的監測點進行高程觀測，并計算出懸臂端下撓值的實際平均值，然后再將實測平均下撓值與有限元軟件Midas civil中模擬出的理論下撓值進行比較，最后再作出相應的調整。

3.5線形監測結果

全橋合龍后鋪裝前，橋梁的監控目標高程(設計理想線形)是設計標高、成橋預拱度以及二期鋪裝引起的施工預拱度三者之和。為能夠在全橋合龍后鋪裝前的線形達到設計理想線形的需要，在立模時必須嚴格遵循監控指令標高開展施工。全橋線形控制結果如圖1所示(以上游幅5#為例)。

圖1　上游幅5#邊跨與中跨監控目標高程與實測高程對比圖

結果表明全橋實測線形與設計理想線形稍有偏差，但總體趨勢基本一致，整體線形滿足預期。

4主梁應力控制

4.1應力測試元件

本工程預埋在主梁控制截面的應力測試元件的是ZX-215CT型智能應變計，該應變計在現行實際工程中運用較為普遍的應力測試儀器。因該應變計該應變計還內置溫度傳感器，可直接獲取測點溫度，并且，抗干擾能力強，可以在混凝土內部完成長時間的測量，在多種被廣泛應用。現今應變計的一般安裝方式是直接綁扎在鋼筋下表面。但是施工現場復雜，不可控因素較多，在施工時引出混凝土的應變計導線頭很有可能遭到機器損壞或人為破壞，因此安裝時應將導線頭裝在波紋管內，并用膠帶將管口密封以防止雨水滲入腐蝕。

4.2主梁應力監測結果分析

基于有限元模擬結果與現場施工情況，對施工過程的關鍵工況進行應力監測。本橋施工階段的關鍵監測工況有兩步：(1)各節段混凝土完成澆筑后；(2)各節段預應力張拉完畢后。在進行施工控制過程中，必須定時結構應力值，尤其是在懸臂端挑出長度較大時，由于橋上施工物料堆積物以及施工設備等荷載作用下，會嚴重增加橋梁受力。若監測到實際應力和理論值偏差過大時，應要求立即停止施工及上報，排查原因，提出施工預警。以下游幅5#墩為例，1#斷面的部分應力數據如表1所示。

表1　下游幅5#主激邊跨1#斷面實測

由上表可以看出，應力的實測值與模型中計算得到的理論值有較大的偏差，針對偏差產生的原因，具體分析如下。

(1)理論值計算誤差的影響：理論應力值的是通過Midas有限元軟件建立模型，模擬實際結構施工過程計算得到的。由于模擬的設計是根據設計單位提供的圖紙的成橋標高，不能模擬實際施工中橋梁的預拱度，另外模型中選取的設計參數與施工現場中的實際參數存在不同，因此應力的實測值不可避免的會與計算理論值之間存在一定的偏差。

(2)傳感器安裝導致的誤差影響：安裝應變計時，一般是綁扎在構造鋼筋下表面，這樣能夠使應變計長久可靠的固定在梁內混凝土中，但同時應變計與箱梁混凝土表面就會有一定的距離，得到的應力值與理論值就會有一定誤差。另一方面，施工中混凝土的澆筑和振搗過程，使得應變計的軸線與結構的軸線不可避免的產生偏移，這是實測值與設計值產生偏差的原因之一。

參考文獻：

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Research on the control of girder geometry and girder stress of long-span continuous rigid frame bridge in construction stage

ZENG Ming

(Hunan Road and Bridge Construction Group Co.,Ltd., Changsha,Hunan 410004,China)

Abstract:Based on X major bridge, three-dimensional finite element model is built through finite element software Midas/Civil2010. The control of girder geometry and girder stress are discussed, then the factors of large deviation between measured value caused by stress and the calculation results of the model.

Keywords:finite element; the control of girder geometry; the control of girder stress

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)01-0079-02

作者簡介：曾明(1982-)，男，湖南漢壽人，工程師，研究方向：公路與橋梁工程施工控制。

收稿日期：2015-10-15