高墩大跨連續剛構橋施工控制分析

羅余良

摘要：在現今橋梁建設中，逐漸向著規模更大的方向發展。其中，連續剛構橋具有著行車舒適、溫度適應性好、地震影響低、無需轉換施工體系以及跨越能力大等特點，非常適合建設在大河以及高山峽谷環境中。在我國交通事業蓬勃發展的情況下，該類型橋梁也在我國的多個地區中成功建設，為當地的發展帶來了十分積極的意義。為了能夠更好的掌握該類型橋梁建設特點，在本文中，將就高墩大跨連續剛構橋施工控制進行一定的研究與分析。

Abstract： Today's bridge construction is gradually in the direction of the larger development. Among them， the continuous rigid frame bridge has the characteristics of comfortable driving， good temperature adaptability， low earthquake effect， simple construction system and great spanning capacity， it is very suitable for the construction in the river and mountain valley. In the case of the explosion of transport enterprise in China， this type of bridge is successfully constructed in many areas， it brought very positive significance for the local development. In order to be able to better grasp the construction characteristics of this type bridge， this paper researches and analyzes the construction control of the high piers of large-span continuous rigid frame bridge.

關鍵詞：高墩大跨；連續剛構橋；施工控制

Key words： high piers of large-span bridge；continuous rigid frame bridge；construction control

中圖分類號：U448.23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0137-03

0 引言

高墩大跨連續剛構橋是將墩身與連續主梁固結而成的一種橋梁，它是在連續梁橋和T型剛構橋的基礎上發展起來的大跨徑橋梁最常用形式之一，具有跨越能力大、伸縮縫少、平順度好、行車舒適、施工無體系轉換、無需大型支座、順橋向抗彎、橫橋向抗扭剛度大等特點，能充分適應溫度、混凝土收縮徐變、地震等運行環境。

高墩大跨連續剛構橋在施工中，受溫度荷載影響，橋體的彎矩、預拱度、線形、應力變化等節點不易控制。由于每個工程的特點和施工要求不同，目前這類橋梁的施工控制工作尚且缺少一套統一的、可供參考的方法或技術標準。尤其是在施工控制中的關鍵節點——預拱度計算，是否應該考慮樁基礎，目前也尚無定論。因此，大多數高墩大跨連續剛構橋施工控制都是盲目進行，既浪費工期，還可能增加施工成本。

本文針對這一現狀，結合我國南部某高墩大跨連續鋼構橋工程施工特點和施工要求，針對溫度和在一定條件下梁體的彎矩、預拱度提出考慮樁基礎與不考慮樁基礎兩套施工控制模型，通過對該橋梁預拱度以及內力的分析、比較，總結出一套準確客觀的施工控制方案，以填補施工控制這一技術空白。

1 工程概況

我國南部某橋梁，為特大型橋梁。主橋分左右兩幅，其上部構造如圖1所示。

主梁材料方面，為C55混凝土，跨中梁高3.5m，箱梁根部梁高度為12m。整個橋梁墩身，其使用C50混凝土作為墩身材料，結構類型為雙肢變截面矩形空心墩，縱向每墩雙肢外側按照100：1比例進行放坡。橫向方面，其根據墩高以分段的方式進行放坡，從下到上分別為40：1、60：1以及100：1的坡率?；鶚兑约俺信_方面，使用的材料為C30混凝土，基樁為直徑2.4m鉆孔灌注樁，最大樁長65m，承臺厚度為4m。持力層方面，為弱風化頁巖。

2 施工控制原則和技術要求

2.1 控制原則 施工控制的目的是要對成橋目標進行有效控制，修正施工中各種可能影響成橋目標的參數誤差，確保成橋后橋面線形、合龍段兩懸臂端標高的相對偏差不大于規定值以及結構內力狀態符合設計要求。

2.2 受力要求 反映受力的因素是主梁的截面內應力。通常起控制作用的是主梁的上下緣正應力，成橋后截面應力狀態應該接近設計值。

2.3 線形要求 線形主要是主梁的標高。成橋后（通常是長期變形穩定后）主梁的標高要滿足設計要求。

綜合以上控制原則和技術要求，為了優化設計施工參數，筆者建立起兩套模型加以對比分析，從中確定最佳控制方案。

3 分析模型建立

在懸澆連續鋼構橋施工中，其施工流程為：第一，對橋墩進行施工，進行懸臂澆筑；第二，進行中跨、邊中跨以及邊跨合龍；第三，對橋面進行施工。根據此流程，則可以逐階段的對結構不同截面的應力、內力以及位移進行計算，在每個懸臂中，則包括有梁段澆筑、張拉預應力以及移掛籃這幾個工序。而在實際對該橋梁不同施工階段開展仿真計算過程中，則可以將其視為平面結構，按照平面桿有限元程序的方式將其作為兩個不同的模型進行計算與分析。

3.1 基樁模擬 由于土與基樁間的相互作用，剛性支撐已經不是橋梁結構模型的邊界條件，彈性支撐則成為了新的邊界條件。在本文中，以二維梁單元、樁側設置彈性支撐作為有限元模型，并在樁底進行固結。其中，樁側水平彈簧剛度的計算公式為：

在上式中，λ為相鄰彈簧間距離，khi為第i個彈簧的水平方向剛度，b1為樁基礎計算寬度，j為第j個彈簧的對應位置，z為土層厚度，mj地基土比例系數。

在構造方面，地面對于樁的豎向支撐力由樁底阻力以及樁側摩阻力組成，當樁土間存在相對位移時，則會沿著樁身產生荷載傳遞，并產生樁側摩阻力。當兩者間相對位置值相對不大時，樁側摩阻力則能夠得到充分的發揮達到極限值。而對于處于一般土層位置的摩擦樁，當土層支撐反力達到一定值之后，在位移方面則需要存在比極限樁側摩阻力大的多的位移值，并使樁側摩阻力在得到充分發揮之后使樁底反力得到充分的發揮，進而達到一個極限狀態：

在上式中，[pτ]為樁側在li范圍內的摩阻力，li為相鄰彈簧間距離，τi為極限摩阻力，U為樁側周長。而根據地基情況以及樁基實際尺寸，我們在由上式對樁側在li范圍內摩阻力進行獲得的基礎上可以根據下式對樁側豎向彈性lvi值進行求出：

在上式中，Δ為i點相對位移，kvi為樁側i個彈簧在垂直方向上的剛度，在本文中相對位移值取為6mm。

3.2 結構離散圖

在圖2所示的模型1中，對箱梁、橋墩、樁基礎以及樁基等離散單元進行了考慮，在邊界條件方面，則為樁底固結以及彈性支撐，在兩邊端部具有活動鉸支座?？v向預應力筋方面，則通過等效荷載法對其進行了模擬。在整個橋梁結構中，一共具有564個節點，包括上、下部結構，結構單元則共有571個，其中，樁側彈簧支撐數量為128，上部主梁結構為230。

在圖3所示的模型2中，沒有對墩底固結、橋墩離散兩單元、樁基以及箱梁等進行考慮，兩邊端部為活動鉸支座。在縱向預應力筋方面，其按照等效荷載法進行了模擬，在整個橋梁中，其一共具有391個節點，上部主梁單元數量為230個。

在計算參數方面，每個掛籃重量為104t，每個壓重水箱為350t，每個合攏吊架為50t?？v向預應力筋以及混凝土的質量密度、摩阻損失、彈性模量等參數都取規范值。

4 計算結果對比

4.1 預拱度計算 在進行預拱度計算時，需要做好恒載作用的考慮，包括施工架設荷載、混凝土收縮徐變、橋面二期恒載、結構自重以及預加力等。在該橋梁中，由于其規模較大，且主橋橋墩高度為178m，在這個高度情況下，如何能夠以更為全面、準確的方式對橋梁墩身在具體施工中的豎向徐變位移進行分析則成為了對預拱度進行計算的非常關鍵的一類問題。通過上述目標的實現，不僅能夠幫助我們更為準確的對橋梁結構實際施工的歷程進行良好的擬合，且能夠較好的獲得橋梁在不同施工階段所具有的受力以及位移狀態，且能夠更好地對同橋梁結構形成歷程有關的因素進行考慮，如混凝土收縮徐變問題。同時，由于該橋梁墩身規模較大，所具有的施工工期較長，在施工過程中，橋梁墩身在自重的影響下就已經對先期徐變進行了完成。而在分析墩身豎向徐變位移時，則需要對橋梁后期加載產生的徐變情況進行考慮，即同時以后期加載以及先期加載的徐變理論進行計算與分析。在兩種模型情況下，通過運算，得到橋梁施工預拱度的變化情況（如圖4所示）。

圖4為兩種模型下預拱度的變化情況，從圖中走勢可以看出，兩種模型預拱度在具體走勢方面具有著相同的特點，僅僅在墩頂位置具有著較大的差別。而通過表1中數據的比較，我們可以了解到，兩種模型預拱度在墩頂位置具有著較大的差值，其中，左7墩頂所具有的差值最大，其差值為0.36cm。而在跨中方面，其數值同預拱度間則幾乎不存在差別。從上述比較情況的分析我們則可以了解到，在該橋梁建設中，樁基礎對于整體橋梁的預拱度所具有的影響并不大，該種情況出現的原因，主要是由于橋梁墩高同樁長間的比值較小引起的。

4.2 溫度荷載 溫度荷載方面，該橋梁箱梁頂板溫度提升15℃，頂板降溫8℃，合龍溫度15℃，體系降溫25℃，結構體系升溫25℃。其中，橋梁主要節點在溫度荷載情況下所具有的彎矩情況如表2所示。

從表2數據中可以了解到，在溫度載荷情況下，模型1墩頂以及跨中彎矩值具有降低趨勢，箱梁根部彎矩具有增大情況，這部分情況的變化，對于橋梁的整體受力具有著較為積極的影響。而在橋梁整體升溫、箱梁整體降溫的情況下，橋梁箱梁138單元位置則具有著較大的彎矩變化。同時，由于在該模型建立中對橋梁樁基礎的作用進行了考慮，則在增大橋梁墩身柔度的同時，有效減少了橋墩自身彎矩。

5 施工控制效果

在上文中，我們通過對某橋梁實例基礎的模擬，分別建立起了不考慮樁基以及考慮樁基這兩個控制模型，并通過對該橋梁預拱度以及內力的分析、比較獲得了以下結論：第一，對于大跨連續剛構橋而言，溫度荷載對其具有著較大的影響。通過兩種不同模型在溫度荷載情況下彎矩的比較數據可以了解到：樁基礎在橋梁縱向柔性方面具有著較強的增加效果，通過對橋梁樁基礎的模擬，能夠有效降低溫度荷載條件下橋梁墩身的彎矩；第二，在橋梁施工中，預拱度計算是非常重要的一項工作，將對實際施工起到非常積極的指導作用。而通過兩種模型情況下橋梁預拱度數值的比較，則可以了解到樁基礎對橋梁預拱度沒有非常大的影響。

5.1 效果

5.1.1 預拱度控制效果 圖5是采用模型2進行施工控制后所得到的橋梁線形（預拱度）控制效果。從圖中可以看出，成橋后所得到的預拱度線形均已達到目標現行控制標準。

5.1.2 應力控制效果 本文對5號墩（最高墩110m）1～15號塊主梁上部進行了監測，得到圖6所示監測結果。從圖中看出，兩應力大小相差不大，說明本工程對應力的控制卓有成效。

5.2 建議 ①建議承建同類工程的施工單位成立施工控制小組，選派專職測量工程師實時跟蹤監測施工控制效果，每完成一個階段的施工內容，應及時整理出預拱度、應力變化等數據，以便根據監測數據及時糾正誤差。②應該深入研究施工控制理論，提高監測精度和自動化程度，建立起一套更完善的綜合控制系統。這是今后橋梁施工控制需要進一步研究的工作。③研發橋梁工程智能監控系統。高墩大跨連續剛構橋梁構造復雜，工程規模浩大，單憑人力很難對整個橋體的施工進行全面而有效的控制，應該借助智能監測系統輔助監測，不斷提高施工控制質量和精度。④通過效果分析，本文關于高墩大跨連續剛構橋梁施工控制方法切實可行，建議在其他橋梁工程中進一步推廣應用，以期使之日臻完善。

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