大跨預應力連續梁橋懸臂施工控制研究

吳湛

(佛山市公路橋梁工程監測站有限公司, 廣東 佛山 528041)

大跨徑預應力連續梁橋一般采用掛籃懸臂施工,施工中受施工荷載、張拉預應力、混凝土收縮徐變、掛籃變形、溫差及基礎沉降等因素影響易產生較大變形[1-2],并隨著節段的增加產生較大的施工累積變形,造成橋梁合龍時出現較大高差,最終導致不能合龍或成橋線形不平順[3]。因此,對預應力連續梁橋施工進行實時監控十分有必要。本文以某大跨預應力連續梁橋為對象,通過MIDAS /Civil建立橋梁有限元模型,結合實測數據,分析橋梁在不同施工階段的變形和應力變化。

1 有限元模型構建

1.1 工程背景

廣佛肇(廣州—佛山—肇慶)高速公路佛山段上一座三跨預應力混凝土連續梁橋,跨徑布置為65 m+115 m+65 m(見圖1),主跨位于緩和曲線上,半徑為865 m。上下行分幅設置,箱梁頂面設置橫坡,箱底與橋面平行。上部結構采用C60預應力混凝土懸澆變截面連續箱梁,主梁采用大懸臂單箱單室直腹板箱形斷面,箱梁寬16.25 m,箱室寬8.25 m,懸臂長4.05 m;根部梁高7.0 m,跨中和邊跨現澆段梁高2.8 m,箱梁梁高按二次拋物線變化。

圖1 橋型布置(單位:cm)

1.2 模型構建

該橋采用掛籃懸臂施工,懸臂箱梁節段沿墩頂對稱布置,每個墩共14個懸澆段。施工順序為采用支架施工箱梁0#節段→懸臂澆筑1#～14#節段,同時采用支架現澆邊跨直線段→邊跨合龍→體系轉換→中跨合龍。節段劃分見圖2。

圖2 箱梁節段劃分

根據該橋結構形式和施工方式,采用MIDAS/Civil建立全橋模型。模型采用梁單元建立并考慮施工過程,邊跨合龍前墩梁固結、合龍后轉連續,不考慮其他特殊荷載。模型共有125個節點、88個單元,圖3為模型離散圖。

圖3 橋梁有限元模型離散圖

2 施工監控撓度分析

2.1 主梁實測撓度

線形監控是橋梁施工監控的重點[4],也是評價橋梁施工質量是否合格、外形是否美觀的重要指標。每個節段的標高監測數據可為后續節段的立模標高計算提供數據支撐,從而使最終成橋線形滿足要求。考慮到施工階段的累積位移及成橋后混凝土長期收縮徐變和運營活載的影響,在立模標高中設置預拱度,抵消這一部分變形,從而使橋梁達到理想線形。

連續梁橋懸臂施工主要有4種工況,分別為掛籃前移、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、預應力張拉[5],每種工況都會對梁段變形產生影響。一個梁段施工完成時,其實際標高和理論標高可能存在一定差異,這個差異就是施工監控中的控制偏差。控制偏差越小,施工水平越高,橋梁線形越精確。將該橋每個梁段施工完成后的實際標高和有限元模型計算理論標高進行比較,得到圖4所示梁段施工控制偏差。

圖4 各梁段施工完成時的控制偏差

由圖4可知:各梁段施工完成時當前梁段的控制偏差變化不規律,如11#梁段施工完成時控制偏差為負,而12#梁段施工完成時控制偏差為正,這是由每個節段施工差異、梁段質量、調模精度、橋面臨時荷載等因素所致[6]。一個梁段施工完成后前一梁段標高發生變化,因為整個懸臂的質量變大。但前面梁段的標高控制偏差與后面梁段完成時的標高控制偏差的變化趨勢相同,如10#梁段施工完成時9#梁段的控制偏差為-17 mm,比9#梁段施工完成時9#梁段控制偏差-10 mm有所增大,此前控制偏差均為負值;而12#梁段施工完成時11#梁段的控制偏差為零,比11#梁段施工完成時11#梁段控制偏差-2 mm有所減小,此后梁段的控制偏差均為正值。總的來說,為使控制偏差盡可能小,必須控制那些能使梁段產生變形的因素,一是準確調整模板標高并重視溫度的影響,二是控制橋上臨時荷載和其他不平衡荷載。

2.2 最大懸臂工況下主梁撓度

最大懸臂工況為橋梁施工最不利工況,也是橋梁施工監控中最重要的節點,此時梁段支點處承受最大負彎矩,梁端變形最大。最大懸臂工況下該橋混凝土澆筑、張拉時梁段的理論累積變形見圖5、圖6,梁段的澆筑、張拉變形見表1。

表1 最大懸臂時梁段的澆筑、張拉變形

圖5 最大懸臂澆筑時梁段的累積位移(單位:mm)

圖6 最大懸臂張拉時梁段的累積位移(單位:mm)

由圖5、圖6可知:懸臂端在自質量荷載作用下產生的變形呈現先緩慢上升后下降的趨勢,在根部較小,隨著懸臂變長逐漸增大,在13#塊附近產生最大累積變形,在14#塊后略微減小。結構中激活預應力后,梁體產生向上的位移,張拉預應力產生的當前位移與恒載產生的累積位移變化趨勢較相似[7],且預應力張拉位移只能抵消一部分恒載位移,還有一部分恒載產生的位移通過合龍束預應力來消除。懸臂施工剛開始時,梁段幾乎沒有變形;懸臂較大時,張拉預應力后懸臂產生向下的累積位移,預應力張拉產生的向上位移不足以抵消自質量產生的所有向下位移。從表1也可以看出:梁段澆筑時變形向下,梁段張拉時變形向上,但向下的位移大于向上的位移。施工過程中可通過合理調整預應力鋼束布置位置和控制張拉力來抵消恒載產生的累積變形[7]。但預應力在張拉時和后期運營階段都有損失,預應力損失會使橋梁發生下撓,影響橋梁線形,預應力的張拉和貯備對橋梁施工階段和運營階段的整體線形影響巨大。

2.3 溫度對主梁撓度的影響

溫度是影響橋梁結構變形和應力變化的重要指標[8],溫度監測是橋梁施工監控的重要內容。在距45#墩中心線10 m的截面上布置溫度傳感器(見圖7),每3 h讀取一次數據,連續觀測24 h,每次讀取溫度數據的同時對懸臂梁端前3個節段的標高進行測量,觀測其撓度變化。頂板、腹板、底板的溫度監測結果見表2、表3,梁段撓度變化見表4、圖8。

表2 頂板和底板的溫度監測結果

表3 腹板的溫度監測結果

表4 梁端的撓度變化

1～12為溫度測點圖7 溫度傳感器布置

圖8 溫度-撓度-時間變化曲線

從圖8可以看出:頂板受外界環境影響較大,溫度變化較明顯;箱梁腹板和底板沒有長期受陽光照射,其溫度變化不明顯。溫度升高,梁段下撓[9],15:00時左右撓度最大,箱梁溫度也接近一天中最高溫度;之后隨著時間的推移撓度慢慢變小,箱梁溫度也慢慢降低。橋梁懸臂越大,梁段撓度變化受溫度的影響越大,14#梁段的撓度比13#、12#梁段大。因此,如果在下午進行模板調整,必須考慮溫度對梁段變形的影響,對標高進行修正。

3 施工監控應力分析

應力是橋梁施工監控中的主要監測指標之一,它能直接反映結構的施工質量與存在的安全隱患,如果橋梁在施工過程中發生失穩、傾覆等情況,關鍵截面的應力會發生急劇變化。在頂板頂層鋼筋下緣、底板底層鋼筋上緣埋設應力傳感器監測各工況的應力變化,傳感器方向與縱向鋼筋順直(見圖9)。

圖9 應力傳感器的埋設位置

對該橋施工過程中的應力變化采用應力增量的分析方式,分析梁段澆筑前后、張拉前后箱梁上下緣應力變化,并與有限元模型計算的理論應力增量進行對比,分析是否符合設計及規范要求。該橋左幅45#墩應力監測結果見圖10～13。

圖10 各節段澆筑后箱梁上緣應力增量

圖11 各節段澆筑后箱梁下緣應力增量

圖12 各節段張拉后箱梁上緣應力增量

圖13 各節段張拉后箱梁下緣應力增量

從圖10～13可以看出:各節段應力增量實測值和理論值較接近,且變化趨勢大致相同;大部分節段實測應力小于理論值,且各節段上下緣均未出現拉應力,表明預應力有一定儲備,結構受力安全。張拉后箱梁上緣累積應力增量在11#節段后增長速率減緩,箱梁下緣累積應力理論值與實測值一直比較接近,但最大懸臂時下緣應力增量實測值小于理論值,這是由于最大懸臂時為增加結構剛度,確保結構處于安全狀態,預應力儲備增大。

4 結論

(1) 一個梁段施工完成后會影響前一個梁段標高控制偏差,但各梁段的變化趨勢大致相同,大跨徑橋梁懸臂施工時預應力張拉位移只能抵消一部分恒載位移。

(2) 懸臂越大,梁段撓度受溫度的影響越大,懸臂梁段溫度在15:00時左右達到峰值,此時撓度最大。

(3) 張拉后箱梁上緣累積應力增量在11#節段以后增長速率減緩,箱梁下緣累積應力理論值與實測值一直比較接近,最大懸臂時預應力儲備增大,確保結構處于安全狀態。