基于頂推法成橋的波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋施工監控技術研究

楊順生， 陳芙蓉， 舒 剛, 陳 釩

(1. 西南交通大學土木工程學院，四川成都610031； 2. 中電建路橋集團有限公司, 北京 100048)

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基于頂推法成橋的波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋施工監控技術研究

楊順生1， 陳芙蓉1， 舒 剛1, 陳 釩2

(1. 西南交通大學土木工程學院，四川成都610031； 2. 中電建路橋集團有限公司, 北京 100048)

波形鋼腹板組合箱梁橋在國內快速發展的同時，其施工工藝也向著多樣化發展，并促使相應的監控技術一步步跟進。常莊干渠高架橋是國內第一座采用頂推法施工的波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋，對該橋施工監控技術的研究不僅具有開創性，同時對后續橋梁的施工具有廣泛的示范意義。文章以常莊干渠高架橋為例，采用MIDAS Civil建立全橋模型，對主橋上部結構施工階段受力及變形情況進行計算分析，并對關鍵截面的變形和應力以及軸線偏位進行監測。有限元結果和現場實測數據的對比表明：整個施工滿足設計要求，各項監控內容均達到了預期效果，結構處于良好工作狀態，由此證明頂推法可以很好地滿足波形鋼腹板組合箱梁橋施工需要。

連續箱梁橋； 波形鋼腹板； 頂推施工； 施工監控

波形鋼腹板PC組合箱梁橋因其采用波形鋼板代替了傳統混凝土腹板，使結構自重大大減輕。近年來這種結構形式在國內得到迅速發展，其施工方法也逐漸豐富與成熟。目前國內已有幾十座波形鋼腹板PC組合箱梁橋，多以懸臂現澆、支架現澆和掛模施工法為主進行施工[1-3]。而常莊干渠高架橋是國內第一座采用頂推法施工的波形鋼腹板PC組合連續箱梁橋。

本次研究以常莊干渠高架橋為背景，通過MIDAS Civil分析頂推過程中各施工階段應力(應變)和變形數據，并與現場實測值進行對比，為頂推施工的質量控制提供指導，為以后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

常莊干渠高架橋全長940 m，分成兩聯：YU01聯長450 m(9×50 m)，YU02聯長490 m(9×50+40 m)。該橋大致呈東西走向，限于地形地貌和成本等因素，上部結構采用頂推和現澆結合的施工方法，從淺谷地兩岸以一定的坡度同時向橋梁中心頂推，各帶導梁。梁體分導梁段、頂推段和現澆段三種類型，其中導梁長度35 m，頂推時利用該段波形鋼腹板作為導梁主體結構，以節約導梁用料。頂推段含一段27.5 m節段和兩個50 m節段，每聯后方若干區域處于曲線段上，為降低曲線頂推施工難度和充分利用預制臺座支架，此區域梁體采用支架現澆施工。YU01聯立面布置和上部結構箱梁橫截面分別如圖1和圖2所示。

圖1 常莊干渠高架橋YU01聯立面(單位：m)

圖2 波形鋼腹板PC組合箱梁橫截面示意(單位：mm)

2 施工過程仿真計算

采用MIDAS Civil模擬整個頂推過程并進行仿真計算。在頂推過程中，用一般支撐模擬永久墩，約束DY、DZ和RX；臨時墩和滑道支承墩用只受壓的彈性連接來模擬，約束DY和RX。頂推到位后，永久墩再約束DX，臨時墩和滑道支承墩換成受壓的彈性連接。

頂推過程的實現采用“墩動梁不動”計算模式，即主梁和導梁結構空間位置始終不變，利用邊界條件后移來實現“向前頂推”。具體實現過程為：頂推第一節段梁體時，施加荷載和邊界條件進行求解，在頂推第二段梁體時，鈍化第一節段邊界條件，激活第二節段的荷載和邊界條件進行求解，按照上述方法完成所有的節段頂推，整個模擬過程簡單明了。部分計算模型如圖3所示。

圖3 部分計算模型

根據設計圖紙和施工組織設計中的施工總體步驟，第一節段頂推32.5 m，第二節段頂推50 m，第三節段頂推62.5 m，主要施工步驟見表1。

表1 頂推施工階段工序

3 施工監控的內容和方法

3.1 變形及軸線偏位測量

通過測量導梁及主梁各段撓度，并參照有限元結果，確保在頂推階段混凝土頂板、底板、導梁乃至結構整體變形不超過限值，施工過程中和竣工后結構線形符合設計要求[4-6]。測量工況包括：混凝土澆筑前、澆筑后、預應力張拉后、頂推前、頂推中，以及根據施工控制要求需補測的其它工況，采用符合精度要求的水準儀測量，其中導梁撓度測量可在導梁上設置固定標尺。撓度測量時采用相對高程，即每節段頂推時，以另一幅作為基準點和后視點，通過相對高程換算得到頂推過程中主梁實際撓度值，并與理論值進行比較，如有異常及時反饋施工單位和監理。監測斷面布置如圖4所示。

軸線偏位測量的實現依賴于頂推過程中首尾端主梁軸線橫向坐標與頂推開始時坐標的差值，并以此判斷整個頂推過程中主梁是否偏離了預定軌道。主梁軸線偏位及頂推距離采用全站儀測量，分別在預應力張拉前、張拉后、頂推前、頂推中和頂推完成后進行測量。頂推中測量時，各節段頂推的前半段每隔10 m測量一次，后半段每隔5 m測量一次，當該節段離頂推到位不足5 m時應加密測量，確保到位時軸線偏位小于10 mm，否則及時進行糾偏。

圖4 變形監控斷面

3.2 應變及溫度測量

混凝土橋梁的溫度場，即受長期溫差和短期溫差影響，橋梁結構表面和內部形成的瞬時不均勻溫度狀態[7-8]。這兩種溫差對橋梁線形均有重要影響，特別是頂推長度大時，溫度對導梁端標高影響是施工過程中不可忽略的因素，因而在施工過程中需對橋梁溫度場進行有效監測。采用埋入式振弦應變計，既可以實時測量頂推過程中混凝土的應變分布，及時掌握結構的受力狀態，確保施工過程中結構的安全，其內置的溫度傳感器還可以顯示測點處的結構內部溫度，環境溫度可直接用水銀溫度計測量。

在第一節段空腹段(成橋后跨中1#)、鋼導梁結合段(2#)、第一節段內襯段(成橋后支座處3#)、第二節段空腹段(成橋后跨中4#)、第二節段內襯段(成橋后支座處5#)、第三節段空腹段(成橋后跨中6#)、第三節段內襯段(成橋后支座處7#)設置7個傳感器監測斷面?；炷谅袢胧秸裣覀鞲衅鞑贾迷陧敯搴偷装逯胁考敖孛孀兓幐浇攲愉摻钕虏浚糠纸孛娓拱逯胁坎贾糜斜碣N式傳感器。監測斷面和應力測試點布置分別如圖5和圖6所示。

圖5 應力監控斷面

圖6 橫截面傳感器布置示意

3.3 溫度影響的消除

該橋施工經歷夏季和冬季，溫差跨度大，所以必須對埋入式振弦傳感器的溫度影響進行修正。為便于計算比較，所有應變數據均以平均氣溫25 ℃進行修正。

3.3.1 依據公式修正

由于混凝土和應變計中鋼弦的線膨脹系數不同，溫度變化會引起應變變化，測試中需消除其影響。由混凝土的溫度修正公式得修正后應變ε*為：

ε*=ε-(T-T0)(α-α0)

(1)

式中：α為應變計線膨脹系數；α0為結構體線膨脹系數；ε為測量應變；T為測量溫度；T0為初始溫度。

依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，α0取1×10-5，α取1.2×10-5，即：

ε*=ε-ΔT×2

(2)

式中：ΔT為測量溫度與初始溫度的差值；ε*單位為με。

3.3.2 依據現場監測數據修正

為了正確反映主梁的溫度影響，采用自動讀數系統在凌晨無施工干擾和溫度穩定時刻每隔1 h連續讀取振弦式傳感器應變值，并選取高溫、中溫和低溫三個時段(夏季、秋季和冬季)讀數，擬合得出溫度影響系數并取平均值作為主梁的溫度影響系數。圖7～圖9分別是高溫、中溫和低溫時段的實測應變及擬合曲線。

圖7 高溫時段擬合曲線

圖8 中溫時段擬合曲線

圖9 低溫時段擬合曲線

圖7～圖9相關系數R2值分別為0.990 9、0.975 0和0.992 3，可見擬合度較好，溫度變化系數分別為-2.259 8με/℃、2.790 5με/℃和-2.390 9με/℃，平均值為-2.48 1με/℃，大于依據式(2)得到的溫度變化系數-2με/℃。主要是混凝土的配比和配筋率等因素的差異造成的。

綜上，為真實反映主梁應變(應力)情況，本橋埋入式振弦傳感器溫度變化系數取-2.481με/℃。

4 施工監控結果及分析

4.1 軸線偏位監控數據分析

圖10、圖11是部分頂推軸線調整圖。通過第一節段頂推，發現隨頂推過程即時糾正軸線偏位比較影響工期，最后將軸線糾偏方案調整為，前期以限位器被動糾偏為主，主動糾偏為輔，后期離到位5～10 m時采用主動糾偏并加密全站儀測量。從整個施工期情況可以看出該方案對工期影響較小，同時最終軸線偏位均小于10 mm，符合設計要求。

圖10 YU01聯南側第三段軸線調整

圖11 YU02聯南側第二段軸線調整

4.2 變形監控數據分析

導梁前端撓度如表2所示，實測撓度小于有限元數值模擬結果。主要原因在于有限元模擬時波形鋼腹板用等厚度的混凝土板進行簡化，實際結構均設置了加勁肋，而在有限元模擬時忽略了這些構造細節，使模型結構剛度降低；另外頂推施工是持續工作，日間溫差變化和大風均對應變測試產生影響。

表2 關鍵工況導梁前端撓度 mm

4.3 應力監控數據分析

圖12、圖13分別為YU01聯北側5#和7#截面頂板應力實測值與有限元計算值對比結果。

圖12 YU01聯北側5#截面頂板應力對比

圖13 YU01聯北側7#截面頂板應力對比

由圖可知，頂板實測值與有限元計算值整體趨勢較符合，差值較小。在頂推過程中，5#截面頂板最大壓應力出現在頂推57.5 m時壓應力值為9.21 MPa，在頂推至45 m和145 m過程中出現拉應力，即第二、第三節段分別頂推至最大懸臂狀態時，最大拉應力為0.31 MPa，雖出現拉應力但是混凝土未開裂，符合規定要求。7#截面頂板最大壓應力出現在頂推57.5 m時壓應力值為9.28 MPa，最小壓應力為0.95 MPa，未出現拉應力，符合規定要求。

5 結 論

通過在施工過程中跟蹤每個施工環節，將施工監控的技術成功運用于常莊干渠高架橋，取得了以下結論：

(1)由于頂推施工的連續性，并且考慮誤差傳播和工期因素，在本工程中采用全站儀測量水平偏位和水準測量高程變化相結合，同時連續監測施工過程的變形、應力及溫度的方式是可行的。

(2)通過全程仿真模擬計算，并結合現場連續監測，時刻掌握頂推過程中結構所處的受力狀態，及時識別相關影響參數的同時提出有效的調整改進措施，保證結構線形和受力安全，為施工質量提供可靠保證。

(3)頂推法可以很好地運用于波形鋼腹板橋梁的施工，利用波形鋼腹板做導梁大大降低了工程費用，而且波形鋼腹板代替混凝土腹板很大程度上避免了頂推過程中腹板的開裂。

[1] 劉雙意. 頂推施工法在波形鋼腹板組合箱梁中的應用研究[D]. 長沙：湖南大學，2014.

[2] 萬水，李淑琴，馬磊. 波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁結構在中國橋梁工程中的應用[J]. 建筑科學與工程學報，2009(2).

[3] 李宏江，葉見曙，萬水，等. 波形鋼腹板預應力混凝土箱梁的試驗研究[J]. 中國公路學報，2004(4).

[4] 韓大建，蘇成，王衛鋒. 崖門大橋施工監控的技術流程與主要成果[J].橋梁建設，2003(1).

[5] 閆林東. 石武客運專線跨京珠公路特大橋預應力混凝土連續梁橋施工監控技術[J]. 鐵道標準設計，2011(9).

[6] 曾田勝. 波形鋼腹板彎箱梁橋設計、施工與監控[J]. 中外公路，2014，34(3).

[7] 余錢華. 大跨混凝土橋梁施工監控中的應力分析與測試[J]. 中國公路學報，2008，21(2).

[8] 梁瑤. 橋梁施工監控技術[J]. 施工技術，2014(S1)： 338-340.

楊順生，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為市政工程。

U445.462

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[定稿日期]2017-02-24