超高墩大跨徑懸臂澆筑連續梁/剛構橋的線形控制

林方毅

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001)

超高墩大跨徑懸臂澆筑連續梁/剛構橋的線形控制

林方毅

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001)

超高墩大跨徑懸臂澆筑連續梁/剛構橋的橋形結構及受力狀態復雜，影響橋梁線形因素多。本工藝采用：控制超高墩身垂直度，控制前橫梁和吊帶變形，掛籃非彈性變形。通過監控量測分析砼澆筑、預應力張拉及彈性模量影響，并采用“橋梁博士”“邁達斯”軟件計算立模標高等措施，使橋梁在跨中精確合龍，有效解決超高墩大跨徑連續梁/剛構橋線形控制難題，施工過程安全便捷。

超高墩；大跨徑；連續梁/剛構橋；線形控制

1 工程概況

104國道羅源五里至白塔公路工程的管柄大橋跨越“U”形山谷，高度100m，懸臂箱梁跨度127m，屬于超高墩大跨徑連續剛構橋梁，施工難度位居福建省的國省主干道公路前列。橋梁中心里程K5+102m，連續剛構橋主跨位于3～7#墩，采用(72+127+127+72)m四跨變截面預應力砼連續剛構懸澆箱梁，梁體橫截面為單箱雙室，梁底為1.8次拋物線變化，采用掛籃施工。該橋形結構及受力狀態復雜，影響大橋線形因素眾多：各懸臂節段砼重量、砼及鋼絞線彈性模量的理論值與實際值差異、掛籃變形、溫度變化等。而且，合龍(剛成橋)時的線形與工作一定年限(砼收縮、徐變終止的年限)后的線形差異明顯，對于施工過程中已分節段成型的懸臂箱梁是無法在事后進行調整的。因此要實現最終設計目標和線形控制，需要綜合考慮：懸臂澆筑施工、合龍、工作一定年限后的3種工況。采用本工藝有效解決該施工難題，確保每節段掛籃流水作業順利推進，使工程質量、安全、工期得到有效控制。

2 超高墩大跨徑連續梁/剛構橋的線形控制工藝原理

2.1超高墩身垂直度控制

墩身垂直度控制是高墩施工特別是高度超過60m的超高墩施工難點，因為墩身垂直度直接影響到墩身受力，規范嚴格要求：垂直度≤1‰H且≤20mm(H為墩高)[1-2]。由于墩柱采用分節段施工，誤差將隨高度遞增而逐步累積，因此采用全站儀配合激光垂直儀進行超高墩垂直度控制,如圖1所示。

2.2計算立模標高

(1)

然后將結構倒拆, 以確定各節段節點在懸臂澆筑時產生的累積變形fij，如：要計算三號塊末端(i+1)的變形值，就從合龍段開始拆，一直拆到四號塊(四號塊也要拆)，查看三號塊末端的變形。同時在計算時，將懸臂澆筑塊的施工階段分為掛籃前移、掛籃加載(澆筑混凝土)、混凝土澆筑后和預應力張拉四個階段，分別計算各因素對該施工節段撓度的影響(掛籃自重產生的變形fi1、砼澆筑產生的變形fi2、預應力鋼束張拉產生的變形fi3和徐變變形fi4)，設：

fix=fi1+fi2+fi3+fi4

(2)

最后考慮模板與掛籃變形值fgi，并將以上各值進行累加得到該節段的理論成橋標高Hi。通過上述計算分析得到施工理想狀態節段的理論成橋標高，其計算公式為：

(3)

2.3掛籃預拋高值的控制

圖1 采用全站儀配合激光垂直儀進行超高墩身垂直度控制圖2 連續剛構橋梁中跨合龍示意圖

這是懸臂箱梁橋施工中控制質量、安全最關鍵因素。當掛籃從橋墩頂部0#塊向左右對稱推進時(圖2)，由于重力作用，懸臂箱梁將產生撓度并下垂，因此掛籃要進行預拋高，以抵消和克服下撓值。否則，橋梁在跨中無法正常精確合龍，甚至出現橋梁線形扭曲變形、撓度增大，當外部車輛荷載還未施加上去時已產生內部應力，導致橋梁施工狀態與設計狀態的應力出現重大偏差而發生重大質量安全事故，甚至導致橋梁損毀和報廢。

2.4發揮監控量測作用

連續剛構橋梁采用分節段施工、逐步對稱推進、并在中跨進行合龍，如圖2所示，橋梁整體結構的最終形成需經歷一個長期復雜的結構體系轉換。因此每個階段要都進行變形和受力分析，不但要保證其施工過程中受力合理，而且必須保證最終成橋的線形和受力狀態也滿足設計要求。要根據監控量測的參數進行施工階段受力狀態計算，確定每個節段立模標高，并根據監測成果進行誤差分析和預測，找出差值，對計算模型進行修正，重新計算下一節段立模標高。如果實測值與計算值有較大差異，需采用“最小偏差理論”分析原因并采取調整措施。當偏差較大時不必強行在下一個梁段中立即調整過來，而應分析原因從而在后期懸臂澆注梁段的撓度計算時逐步進行修正。通過后續幾個梁段將標高偏差逐步糾正過來，以保證合龍精度、橋面整體線形平順、流暢合理，確保成橋結構內力狀態最大程度接近設計受力狀態。

2.5施工工藝流程

采用全站儀配合激光垂直儀進行超高墩身垂直度控制→掛籃及托架的安裝和預壓(施工準備)→掛籃從橋墩頂部0#塊向左右對稱推進(如果是連續梁則在懸臂澆筑階段主橋與墩身臨時固接，待合龍后解除臨時錨固；如果是剛構橋則墩梁固結)→分節段對稱施工：控制前橫梁變形≤20mm→通過預壓控制掛籃非彈性變形≤5mm→通過預壓控制吊帶變形≤5mm→手拉葫蘆與前吊帶轉換，確保葫蘆不受力而是吊帶精軋螺紋鋼受力→控制掛籃后錨錨固緊密→消除溫度影響→監控量測。采用“邁達斯MIDAS/Civil”軟件進行平面和空間計算，并將影響參數輸入“橋梁博士 (Dr.Bridge)”軟件進行校核，計算砼澆筑、預應力張拉影響、砼自重及彈性模量影響產生的撓度，確定掛籃預拋高值→澆筑前對模板再復測→澆筑懸臂箱梁砼，流水推進下一模掛籃施工→中跨合龍[3]。通過以上措施，精確控制掛籃預拋高值，使橋梁在跨中精確合龍，不至出現扭曲變形、撓度增大等不利狀況，確保合龍(剛成橋)時的線形及工作一定年限(砼收縮、徐變終止的年限)后的線形均符合設計工況要求。

3 超高墩大跨徑連續梁/剛構橋的線形控制的施工操作要點

3.1控制前橫梁變形

前橫梁變形直接影響掛籃立模標高，因此在掛籃預壓同時，測量人員對前橫梁變形進行觀測和現場驗證，控制最大變形(包括吊帶變形的總和)≤20mm，如表1所示。

表1 前橫梁變形觀測表

3.2加強掛籃彈性變形監測，控制后錨緊密錨固，實時調整立模標高

如果掛籃剛度不夠將導致底模變形，因此掛籃就位后應立即對掛籃用千斤頂加載預壓，如圖3所示。控制卸載后底模平臺標高與卸載前變化值即非彈性變形≤5mm。另，掛籃后錨點數量是控制梁體相鄰節段高程誤差大小的重要環節，如果數量過少以及錨點固定不緊，受到砼施工沖擊荷載時模板會與后段砼脫離產生錯臺，導致標高發生變化。因此，掛籃和模板加固后應逐個檢查后錨、吊帶受力情況，將每根精軋螺紋鋼用千斤頂固定緊密，確保每個吊帶受力均勻，敲擊聲音清脆，吊帶嵌入連接器中的長度足夠且兩邊等長，并安排專人檢查，發現問題及時處理。控制節段底板錯臺≤3mm符合《公路工程質量檢驗評定標準》允許范圍[2]，如圖4所示。

3.3控制吊帶變形

施工時雖然已對掛籃進行120%預壓，消除了變形，但吊帶(Φ32精軋螺紋鋼)長期受力會疲勞導致變形伸長從而影響節段標高。因此利用水準儀觀測每個階砼段澆筑前、后的底模標高，確定吊帶變形量，控制總變形值≤5mm并在計算立模標高時予以考慮。另，應檢查手拉葫蘆與吊帶轉換情況，不允許手拉葫蘆未全部松掉而導致其直接受力。應將手拉葫蘆與前吊帶進行轉換，確保手拉葫蘆不受力而是吊帶受力。否則，在澆注砼過程中很容易就把葫蘆拉斷，既存在安全隱患，又可能發生質量問題，如圖5所示。

圖3 掛籃預壓圖 圖4 掛籃后錨固定緊密 圖5 手拉葫蘆與前吊帶轉換

3.4消除溫度影響

為了減小溫度影響，撓度的觀測宜安排在清晨進行，因為梁段懸臂澆筑過程中，箱體內外溫差的變化會對梁段線形產生影響。另，為避免溫度變化產生的內應力影響線形并對合龍段砼產生應力，(如有)兩個中跨合龍段，要同時進行合龍。中跨合龍段混凝土的澆筑應安排在一年中的合適氣溫(南方地區10±5℃時)進行 (如果溫度過高，則要采用適當的頂推力進行預頂開，然后再澆筑砼)。

3.5計算并控制預應力張拉對梁體線形的影響

預應力張拉和梁體自重產生的撓度會造成標高變化，因此施工前應把好設備關：千斤頂與油泵及壓力表必須配套，每月校驗標定一次并使用耐壓抗震壓力表。做好預應力束的制束和穿束工作，提高預應力束孔道的成形精度并嚴格按照張拉工藝進行操作。選擇有代表性的孔道進行k、μ值實測，對鋼束的設計伸長值進行修正(k-管道偏差系數，μ-管道摩阻系數)。對進場的鋼絞線通過試驗測出其彈性模量，計算時取彈性模量的實測值(而不是理論值)，確保鋼絞線束伸長值的量測與計算的精確度。

3.6運用監控量測控制懸臂箱梁線形

采用“邁達斯MIDAS/Civil” 和“橋梁博士 (Dr.Bridge)”計算得到各節段梁體的累計變形數據，結合設計文件的各節段梁體設計標高，與現場砼澆筑、預應力張拉及砼自重產生撓度的影響進行比較，得知：預應力張拉和梁體自重撓度對于連續梁的高程影響較大，特別是當最大懸臂階段預應力鋼絞線張拉完成時的高程更是進行線形控制的重要依據。經施工前建模進行模擬分析發現，張拉縱向預應力束前后(預應力鋼絞線張拉順序為縱向、橫向、豎向)以及砼自重的影響將導致箱梁前端的標高發生較大變化，因此需要嚴格控制。

(1)計算和調整掛籃變形值。 測量人員對砼澆注前后的吊帶變形進行觀測，確定吊帶變形量，并把數據提交給監控單位，根據觀測數據調整掛籃變形值與立模標高，如表2所示。

表2 澆筑、預應力張拉影響產生的撓度統計表

監控單位采用“邁達斯MIDAS/Civil”“橋梁博士 (Dr.Bridge)” 進行平面和空間計算，在建立模型和確定材料性能指標之后，依據設計參數和控制參數，結合橋梁的結構狀態、施工工況、施工荷載、二期恒載、活載等，輸入前進分析系統，從前進分析系統中可獲得施工時每階段的內力和撓度及最終成橋狀態的內力和撓度。然后，假設成橋時為理想狀態，對橋梁結構進行倒拆分析，利用前進分析所得的數據，用最終成橋時理想狀態的各階段的預拋高值倒推計算得出各施工階段的立模標高。箱梁立模標高是主梁線形的基礎，是決定成橋線形最重要的因素，施工過程中對成橋合理線形進行計算，然后確定主梁施工預拱度(預拱度設置原則為寧厚勿薄、寧高勿低)，如圖6所示。

圖6 全橋主梁預拱度分布圖

立模標高為：H施=H0-fs+fm+fg(H施—主梁梁頂立模標高)；H0—主梁梁底設計標高，即成橋狀態設計線形；fs—從梁段安裝到成橋狀態累計位移，向下為負；fm—主梁的活載預拱度，取活載最大位移的1/2；fg—掛籃變形產生的撓度。監控單位根據測量人員提供吊帶變形量相應調整fg的數值。吊帶變形量確定后，測量人員對監控單位提供的掛籃變形產生撓度進行對比，結果如表3所示。

表3 掛籃彈性變形值對比

從表3中可看出，掛籃變形產生的實際撓度與監控單位提供數據基本吻合，說明由掛籃彈性變形產生的高程偏差得到有效控制，獲得預期效果。

圖7 管柄大橋應力測試截面布置圖

圖8 監控量測——預埋應力應變片

(2)建立全橋關鍵截面應力、線形及溫度場監測系統。加強監測主梁的高程及中線偏位測量：采用智能型全站儀、萊卡精密水準儀。高程控制網使用施工監控網，基準點設在各墩頂0#塊上，由測量控制網的基準點引測其高程。主梁中線偏位測量采用坐標法進行中軸線空間測量，在各墩頂0-1#塊主梁內和主梁頂板設置平面和高程控制點。監測頻率如下：每節段前設置4個觀測點，每個梁段縱向預應力束張拉前、后均測量一次梁端標高，由監控小組在節段連接處預埋YH0116形混凝土應變計(全橋共預埋7個斷面)，測出應變量求出應力大小，繪制變形曲線并修正設計參數，得出下一次的立模拋高值。測試方法：為減小溫度影響，撓度的觀測宜在清晨進行。每一節段懸臂箱梁施工要進行以下工況的撓度測量和高程控制測量：立模后、鋼筋綁扎后、混凝土澆筑后、預應力張拉前、預應力張拉后、脫模后、掛籃行走后。誤差不大于±10mm(高程)和±10mm(中軸線位置)。合龍段是全橋施工的重點也是線形控制的重點。當合龍采用壓重技術時，應在整個合龍段砼施工中進行變形監測。應力監控：應變傳感器采用基康儀器北京有限公司BGK-4200形弦振式應變計、多功能振弦頻率儀、智能溫度傳感器，可同時量測測點的應變和溫度。振弦式混凝土頻率傳感器必須按規定的測試方向固定在確定位置處的鋼筋上，測試導線應引出主梁(墩頂)表面。在主梁各腹板內測試導線應沿相應的鋼筋引出，每隔一段距離(或方向改變處)用鉛絲綁扎牢固。測試導線引出主梁頂面時要保護測試導線編號標志、防水并預防損壞。在每天清晨太陽出來之前(冬春6：00～7：00；夏秋5：00～6：00)對已埋設的測點進行定時觀測。在主梁合龍、體系轉換及二期恒載施工完畢也應進行應力測試，如圖7～圖8所示。

鋼弦式應變計是利用應變計內部鋼弦頻率的變化來反映混凝土的應變。其輸出信號為鋼弦的振動頻率，其頻率與的關系為：

式中：f—鋼弦自振頻率，Hz;

l—鋼弦長度,cm;

σ—鋼弦所受應力，σ=Eg·ε；

ρ—鋼弦材料密度。

將鋼弦式應變計進行標定，得到f～ε的關系曲線，根據實測的振動頻率和標定曲線可求出應變ε。應變ε是包含其它變形影響的總應變。即：ε=ε彈性+ε徐變+ε溫度+ε自身+ε溫差+ε收縮=ε應力+ε無應力(其中：ε應力為在混凝土內產生應力的應變；ε無應力為與結構受力狀態無關的無應力應變)。為補償混凝土內部溫度應變并消除溫度、收縮、徐變影響，在布置應力測點時同時澆筑補償塊，在補償塊內部布置應力測點，放置在現場同等條件下養護。所得結果即為無應力應變-ε無應力，按上述公式即可得到扣除了溫度和收縮影響的應變，但仍然包含著混凝土徐變部分。而徐變成分的分離較為復雜。當砼受力不超過強度的0.4倍時，一般假定徐變與應力成正比，即線性徐變，適用疊加原理。當上述工序完成后，調整并確定立模標高，然后立即澆筑該節段砼并流水推進下一模的掛籃施工。

3.7澆筑合龍段砼

連續剛構橋梁中跨合龍段施工宜在日氣溫較低10～15℃且變化較小時進行。可利用已有的掛籃前底橫梁作為支點，安裝合龍段底板骨架和模板、安裝箱梁兩邊外模、鋼筋及體外勁性骨架。采用工字鋼把主縱梁用螺栓連成一體，預防澆筑砼后產生兩個懸臂端的不均勻彈性沉降造成底板錯臺。測量懸臂端的標高，進行對稱配重加載。在澆筑砼前，用千斤頂在合龍段的中腹板施加向外的頂推力并焊接勁性骨架，然后安裝并預張拉底板鋼絞線(合龍束張拉時應遵循先長束后短束的順序均勻對稱進行)，最后澆筑合龍段C50砼。

4 工程質量、安全效果

4.1線形合格點率情況

本工藝較好解決了連續剛構橋線形控制難題，管柄大橋工程質量、安全得到有效控制，線形符合規范要求。大橋的掛籃預拋高值偏差、斷面尺寸、軸線偏差等檢查點共300個，合格點286個，線形合格點率達到95.3%。

4.2跨中合龍情況

管柄大橋懸臂箱梁主跨在跨中精確合龍，線形和受力狀態均符合設計工況。跨中截面上、下緣最大壓應力均小于C50混凝土的抗拉及抗壓強度，如圖9所示。

圖9表明大橋合龍后，在正常使用狀態的荷載組合作用下，結構受力滿足規范要求。

(a)上緣應力

(b)下緣應力圖9 管柄大橋合龍后正常使用狀態下的荷載組合圖注：“-”表示壓應力

4.3各節段實測標高與理論標高偏差情況

管柄大橋各節段實測標高與理論標高均符合規范要求的±10mm，線形得到有效控制，橋面理論標高與實測標高的兩條曲線高度吻合，如圖10所示。

該工藝安全便捷、精確、經濟、易操作、便于流水作業施工，有效降低掛籃預拋高值偏差，嚴格控制連續剛構橋梁的線形，保障工程質量安全，降低了人材機的消耗，降低施工成本(措施費等)10%。施工周期短、效率高，符合福建省普通公路施工標準化指南有關要求[4]，得到業主、監理、政府質監部門一致好評。

圖10 管柄大橋4#墩五里岸測點橋面理論標高與實測標高對比圖(曲線吻合)注：主橋設計標高為箱梁中心處橋面設計標高，理論標高包括除掛籃變形以外的預拱度

圖11 管柄大橋中跨合龍段

圖12 管柄大橋合龍全景圖

5 結語

上述施工工藝應用在：羅源104國道五里至白塔公路的管柄大橋(為連續剛構橋，現已順利合龍，如圖11～圖12所示)，福建漳州招銀疏港公路A1標的楓林互通，A2標的過田大橋和際都大橋(連續梁橋，施工時懸臂澆筑階段主橋與墩身臨時固接，合龍后解除精軋螺紋鋼臨時錨固和鋼管支撐)，現已順利合龍并通車。橋梁預拋高值及立模標高等數據準確，各節段實測曲線均勻，施工實測線形與采用有限元法理論分析計算關鍵節段內力、變形結果吻合較好，有效控制梁體線形和撓度，施工過程安全便捷，有效降低成本。合龍(剛成橋)時的線形和工作一定年限(砼收縮、徐變終止的年限)后的線形均符合設計工況要求[5]，取得良好的社會經濟效益，現已通車3年，得到業主、監理一致好評。

[1] JTGTF50-2011 公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2] JTGF80/1-2012 公路工程質量檢驗評定標準[S].北京：人民交通出版社，2012.

[3] JTGB01-2014 公路工程技術標準[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4] 福建省普通公路施工標準化指南[Z].北京：人民交通出版社，2013.

[5] JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Superhighandlongspancantilevercastingcontinuous/rigidframebridgelinearcontrol

LINFangyi

(Fujian construction engineering group Co.Ltd,Fuzhou 350001)

The force state of super high and long span cantilever casting continuous/rigid frame bridge is complicated. The process use: control the verticality degree of the tall pier，control the front beam and sling deformation、control inelastic deformation of hanging Basket by preload test、monitoring measurement，and use the software to calculate the elevation，so the bridge is accurately closed and we can effectively solve the problem. The construction process is safe、convenient.

Super high pier；Large span；Continuous/rigid structure；Linear control

U445

A

1004-6135(2017)11-0076-07

林方毅(1974.3- )，男，高級工程師。

E-mail:921696277@qq.com

2017-09-03