(80+155+80) m預應力混凝土連續剛構橋施工監控

張國勝

(中鐵十六局集團第二工程有限公司, 天津 300162)

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(80+155+80) m預應力混凝土連續剛構橋施工監控

張國勝

(中鐵十六局集團第二工程有限公司, 天津 300162)

【摘要】某特大橋為(80+155+80)m預應力混凝土連續剛構。針對各種環境及施工等影響因素，通過建立有限元模型對大橋進行了施工前的預測計算、施工過程中因素影響性分析，求解出施工各個階段的過程控制目標值，運用自校正調節法分析和校正結構施工過程中監測結果與理想狀態的偏差，對各個預應力混凝土連續梁澆筑節段的線形進行控制，橋梁的實際線形與預期狀態之間的誤差在規范允許范圍之內，保證了橋梁順利合龍，最終成橋線形及結構內力滿足設計及規范要求。

【關鍵詞】預應力；混凝土；剛構橋；施工；監控

1工程概況

某特大橋為(80+155+80) m預應力混凝土連續剛構橋，邊、主跨比值0.516，橋型布置見圖1。

(a) 結構布置

(b)支座截面

(c)跨中截面

主橋上以主跨跨中向兩端設置i=0.3 %的縱坡下坡，變坡點豎曲線半徑為R=20 000 m。橋梁橫坡為雙向橫坡，坡度為1.5 %。橋面鋪裝為4 cm細粒式瀝青混凝土(AC13-Ⅰ)+5 cm中粒式瀝青混凝土(AC20-Ⅰ)+6 cm C40防水混凝土，主梁上部的三角墊層與主梁同時澆筑。主梁為單箱單室箱形截面，根部梁高8.50 m，高跨比1/18.2，主跨跨中及邊跨端部梁高3.50 m，高跨比1/44.3，靠主墩邊68.25 m段梁底設計為R=468.306 m的圓曲線，其余梁底均為直線段。

箱梁橫截面尺寸為箱頂寬10.5 m，底寬7.0 m，兩翼懸臂長1.75 m。全橋頂板厚28 cm，底板跨中處厚30 cm，支點處厚80 cm，中間為30～80 cm變厚度。跨中處腹板厚40 cm，支點處70 cm，在第9、10兩段內直線均勻變化。

主梁采用C55混凝土。主墩墩身為鋼筋混凝土結構，墩高94 m。因墩梁結合部受力復雜，故墩頂1.5 m范圍內采用C55鋼筋混凝土，其余采用C40鋼筋混凝土。墩身截面為縱向長7.5 m、橫向寬7.0 m的等截面矩形空心墩，壁厚1.5 m，上端高2.0 m及下端高5.0 m為實心段，并各有高2.0 m的過渡段。主墩承臺置于含碎石亞黏土及中風化凝灰巖中。由于中風化巖層較厚，故每墩設4根直徑為3.0 m的人工挖孔樁。

該橋設計參數：

(1)設計速度：40 km/h；

(2)荷載標準：公路-Ⅱ級；

(3)橋面寬度：單幅全寬10.5 m，兩側剛性防撞護欄寬為0.5 m；

(4)橋面橫坡：雙向坡1.5 %；

(5)橋面縱坡：橋上設置半徑20 000 m的凸形豎曲線，變坡點樁號為K42+050，縱坡坡度0.3 %；

(6)平曲線半徑：直線；

(7)地震烈度：基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ度設防；

(8)設計洪水頻率：1/100。

2施工方法及監控原則

該大橋三跨懸臂澆筑預應力混凝土連續剛構橋，上部箱梁施工流程為：(1)兩個單T懸臂對稱澆筑；(2)邊跨現澆段澆筑，實現邊跨合龍；(3)中跨合龍段澆筑，二期恒載，成橋。施工時，箱梁兩T同時施工，在兩T澆筑完畢后立即進行邊跨合龍，最后進行中跨合龍。

對于采用掛籃懸臂澆筑法施工的連續剛構橋來說，橋梁最終結構的形成要經歷一個漫長而復雜的過程，而且施工期間橋梁結構體系也將隨著施工階段的不同而不斷變化。施工過程中，因設計參數誤差(如材料特性、徐變系數等)、施工誤差(如制造誤差、安裝誤差等)、測量誤差及結構分析模型誤差等種種原因，將導致施工過程中橋梁的實際狀態(線型、內力)與理想目標存在一定的偏差。這種偏離如不及時加以識別和調整，累積到一定程度后將對施工過程中結構的可靠度和安全帶來嚴重影響，并導致成橋后的結構狀態偏離設計要求；而且對于混凝土連續剛構橋，已成結構(懸臂階段)的狀態是無法事后調整的，一旦出現線型誤差時，該誤差將永遠存在，而通過重新調整后續梁段的立模標高能消除的已施工梁段的殘余誤差十分有限，有時甚至無法完全消除。因此，如何確保施工過程的科學、合理以及施工過程中結構的安全、可靠，是大跨度連續剛構橋施工過程中最為關鍵的問題。為此，就必須進行施工過程的控制，即根據設計文件和施工方案，進行施工過程計算，以確定每個懸澆階段的立模標高，并在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測和調整后續梁段的立模標高，以確保施工過程中結構的可靠度和安全，確保合龍段精度以及成橋后的橋面線型、內力符合設計要求。

基于該特大橋的結構特點，確定施工監控原則為：線形、內力控制綜合考慮，其中線形控制是前提和關鍵。而線形與內力控制采取如下的控制策略：在嚴格控制各控制截面的撓度和軸線橫向偏移的同時，兼顧應力(變)發展情況。上述策略的制定主要考慮到應力反映的是截面上某一點的受力情況，而撓度是結構整體位移的綜合反映，是結構的整體表現，撓度和內力都能反映出結構的當前狀態，撓度的控制屬于宏觀控制，而應力的控制相對來說屬于局部控制。

3施工監控計算

采用MIDAS/ Civil建立全橋空間有限元模型(圖2)，全橋共150個單元，其中57～150為主梁單元，其他為墩柱單元。模型的邊界條件采用與施工過程一致，由于缺少支座剛度的資料，故模型中均不考慮彈性邊界條件，所有位移邊界條件均為剛性約束。計算采用以下假定:

圖2　全橋計算模型

(1)主梁為全預應力構件，不考慮普通鋼筋參與結構受力。

(2)墩身底部與承臺按固結約束考慮。

以設計提供的每節段標高為基礎，當一個節段施工完成后，進行現場測量，測試此時狀態下的線形、應力等控制信息。因各種因素的影響實測數據與理論計算值會存在偏離，這時要對誤差進行分析，修改計算模型或調整計算參數重新計算，并在后續狀態的預報中考慮誤差對施工目標的影響，以此循環直到施工完成和獲得與設計相符的結構狀態。

監控計算內容如下:

(1)成橋狀態的計算及復核和施工過程中整體結構安全性驗算。本項內容主要是對施工監控計算的目標狀態——成橋狀態及形成此狀態的施工過程中整體結構安全性驗算(包括掛籃及支架的強度、剛度、穩定性驗算)并對設計計算進行復核。

(2)設計參數識別。在本橋施工控制中，設計參數的識別就是通過量測施工過程中實際結構的行為，分析結構的實際狀態與理想狀態的偏差，用誤差分析理論來確定或識別引起這種偏差的主要設計參數，經過修正設計參數來達到控制橋梁結構的實際狀態與理想狀態的偏差的目的。本橋采用的施工控制技術為我公司開發的自校正調節法，該辦法是將自適應控制和預測控制結合起來，實現最優控制。

(3)施工各階段的架設計算。施工架設過程計算與施工同步進行，包括施工前的預測計算及施工后的校核計算。施工前的預測計算是結合現場實測監控參數，計算下一施工階段的結構內力狀態和位移狀態，并據此為施工單位提供各項施工控制參數的目標值。施工前的預測計算包括參數識別、理論計算和預測控制參數等內容。施工后的校核計算是本階段施工完畢后，將計算結果與施工監測結果進行比較，若兩者差別滿足要求，則繼續下階段的預測計算及施工；若不滿足要求，則根據最新的實測監控參數進行結構分析并對原施工控制參數的目標值進行必要的修正，提供修正計算后的施工控制參數。

4施工監控主要成果

4.1主梁線形

主梁撓度的測試是在澆筑當前節段之后，測試該澆筑節段對前幾個已施工完畢節段的撓度變化，該撓度變化值可反映當前澆筑段混凝土的體積及容重的大小。一般情況下容重已知，那么撓度值的變化就是混凝土方量的大小的直接反映；另外也可間接反映出預應力鋼束張拉的效果，雖然鋼束張拉力的大小屬于結構內力的變化，但是內力的變化也會導致結構撓度的變化。因此，測試分析各階段主梁撓度值就十分有必要。

箱梁每一截面的控制點的位置如圖3所示。大橋主梁的軸線和里程用全站儀進行測量，高程用自動安平水準儀進行測量。將軸線后視點引至過渡墩，用遠點控制近距離點。

說明：N01～N02為撓度測點， CP為軸線偏位測點圖3　箱梁截面測點布置示意(單位：cm)

施工過程中，主梁實測線形與理論線形差值滿足階段撓度差值不得超過20 mm施工控制要求，主梁變位在合理范圍內。說明施工控制計算參數取值合理，當前計算模型與實際橋梁施工比較吻合。

圖4為二期恒載鋪裝后理論線形與實測線形對比圖。由圖可以看出，實測線形曲線與理論線形曲線吻合度較好。由于實測線形測點在縱橋向位置(如1/4、1/8處等)并不完全與相對坐標吻合，鋪裝層厚度也因施工誤差并不能保證均勻，因此實測曲線并不連續，與理論線形差值最大為值3.2 cm，基本滿足線形控制要求和相關規范要求。

圖4　二期恒載鋪裝后實測線形與理論線形對比

4.2主梁應力

對于大跨度預應力混凝土連續梁橋，箱梁結構在混凝土懸澆中各截面的應力分布有很大的差別，起控制作用的因素是主梁的自重、掛籃和預應力，因此監測主梁的上下緣正應力就顯得尤為重要。

應力測試斷面的選擇主要考慮以下因素：(1)結構受力的關鍵截面；(2)施工流程；(3)本橋自身特點；(4)結構的對稱性；(5)兼顧荷載試驗；(6)結構或構件的受力特點。基于此，箱梁共布置5個應力測試斷面(圖5)，邊跨箱梁應力監測斷面在1/2跨處；中跨在1/4跨、1/2跨及0#塊處(墩頂附近箱梁根部截面)。箱梁各斷面應力測點布置見圖6。為補償砼內部的無應力應變，在應力測點附近同時布置無應力計以消除無應力應變。

圖5　應力測試斷面布置(單位：cm)

圖6　箱梁應力測點布置示意(單位：cm)

表1　全橋竣工后實測應力與理論應力對比結果　MPa

5結論

[作者簡介]張國勝(1972～)，男，本科，工程師，從事施工管理工作。

【中圖分類號】U448.23

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-12-30