影響連續剛構橋梁施工過程中的變形控制要素分析

■種永峰

(福建省公路管理局，福州 350004)

1 引言

連續剛構施工變形控制的目的就是將結構在施工中的實際變形和線性狀態與設計計算的理想狀態之間的誤差控制在容許范圍，確保施工過程中結構的可靠度和安全性，保證橋梁成橋橋面線形以及受力狀態符合設計要求。對于分節段懸臂澆注施工的預應力混凝土連續剛構橋來說，施工控制的目的就是根據施工監測所得的結構參數真實值進行施工階段計算和不斷的修正參數，確定出每個懸澆節段的立模標高，并在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測和對下一施工階段立模標高進行調整，以此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩端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。以下結合國道528線上的建西大橋項目施工，對項目施工過程中箱梁的變形控制影響要素進行了探討、分析和總結。

2 變形影響要素

2.1 掛籃變形

掛籃變形主要包含兩部分，一部分是掛籃的非彈性變形，主要是由掛籃固件聯接緊密度決定，若固件聯接緊密，則非彈性變形小甚至可忽略不計，一般要在掛籃組裝完成后進行預壓，用于消除掛籃組裝后形成的非彈性變形；另一部分是掛籃的彈性變形，主要是由掛籃結構形式和材料性質決定，由于彈性變形理論成熟，可以通過計算確定某一荷載作用下，掛籃的整體變形量，在施工變形控制中屬于可控要素。掛籃變形屬于不利影響要素，理論上希望掛籃整體剛度盡量大，變形盡可能的小。初始施工階段，由于梁體懸臂長度小、箱梁抗彎剛度大，主要變形源自掛籃自身變形，掛籃自重對結構變形可忽略不計，隨著橋梁懸臂長度逐步變大，掛籃自身變形對梁體變形影響逐漸減小，其重量對梁體變形影響會變得更加顯著，屬于影響結構變形的敏感要素。

2.2 橋墩結構

連續剛構橋梁橋墩結構形式一般為單薄壁墩和雙薄壁墩，兩種墩結構都屬于柔性橋墩，通過橋墩的柔度來適應結構由于預應力、混凝土收縮、徐變以及溫度變化等因素產生的次內力和位移，使結構受力更加合理，施工安全更容易得到保障。計算結論和實踐經驗表明，墩的結構形式對懸臂梁變形影響會有所不同，雙薄壁墩對墩頂負彎矩的改善能力要優于單薄壁墩，項目中橋墩結構的采用宜考慮橋梁墩高、主跨跨徑、河道通航等因素進行設計。

2.3 梁截面形狀

梁的結構形狀和尺寸是梁體變形的主要決定要素。連續剛構橋梁的截面形狀一般采用單箱單室箱或是單箱雙室結構，主要是箱梁結構形狀和尺寸大小可以決定梁的抗彎慣性矩，從而影響到梁體的抗彎剛度，最終影響梁的變形量，因此在施工過程中，對于能否按照設計箱梁截面形狀和尺寸進行施工，是確保施工變形能否接近設計計算變形量的重要環節。

2.4 預應力鋼絞線

連續剛構橋梁的承載力主要是由縱向預應力鋼絞線承擔，目前較長采用的預應力鋼絞線主要特點是低松弛高強度，影響預應力鋼絞線張拉應力主要取決于兩個因素，第一個因素是張拉應力，張拉應力的大小對懸臂梁的撓度變形影響較大，影響張拉應力的一個方面是張拉工藝，目前采用的智能張拉可以較好的保證鋼絞線一次張拉到位，是避免二次張拉引起的預應力損失比較有效的措施；第二個方面是張拉過程中預應力鋼絞線的伸長量，伸長量是衡量預應力大小的量化指標，是現場控制錨下預應力大小的最簡潔有效的判斷方法；第三個方面是預應力鋼絞線的斷絲率，規范中規定了各類預應力鋼絞線的容許斷絲率，但斷絲會造成預應力的損失，且不易判斷，因此不利于撓度變形控制。第二個因素是錨墊板及其配件，由于錨下張拉應力較大，極容易在張拉過程中造成錨墊板變形或壓裂等情況，因此采用合規格的錨墊板及其配件，對控制應力是極其關鍵的，因為錨墊板在壓裂情況下，會造成預應力大量損失，從而影響梁的撓度變形。

2.5 溫度

溫度是影響橋梁結構變形的不可控因素，溫度梯度所形成的溫度應力對結構作用主要表現形式有兩種，一種是在溫度應力作用下，混凝土產生裂縫；另一種是結構產生變形。對于連續剛構橋梁而言，溫度梯度對整個懸臂結構造成的影響特點是：溫度上升所形成的溫度應力會產生懸臂下撓變形，溫度下降會產生懸臂上撓變形，變形量的大小取決于溫度梯度大小、懸臂長度和箱梁截面尺寸大小等因素，因此在懸臂澆筑混凝土的時候，選擇合適的溫度且穩定的時間段，盡可能避免溫度應力對懸臂的變形影響。

2.6 施工荷載

施工荷載主要包括原材料、掛籃、小型施工設備等重量荷載，懸臂較短時，由于箱梁截面抗彎剛度較大，施工荷載對梁的變形影響不顯著，但隨著懸臂長度變長，施工荷載對懸臂梁的變形影響逐漸顯著，因此在施工過程中，一是小型施工設備和鋼材原則上都要堆放在墩頂位置，且避免出現施工荷載不對稱情況；二是在掛籃設計的時候，在滿足整體剛度要求下，要盡可能減小掛籃重量；三是施工過程中需要移動掛籃等荷載時，應注意緩慢對稱作業，避免快速移動時產生沖擊效應，影響懸臂梁安全。

2.7 混凝土配合比

混凝土配合比是影響混凝土彈性模量的重要因素，而彈性模量又是影響連續剛構箱梁抗彎剛度的重要因素，因此應嚴格管理混凝土原材料，準確按照設計配合比要求進行混合料拌和，確保獲得符合力學要求的混凝土，從而達到準確控制梁體變形的目標。

2.8 混凝土收縮和徐變

混凝土收縮和徐變變形分為施工階段變形和后期變形。施工階段混凝土收縮和徐變，根據規范規定，預應力混凝土受彎構件的收縮和徐變變形可按結構自重和預應力產生的初始彈性變形乘以系數取值，其對結構變形影響較小；后期變形計算亦是根據規范規定的混凝土收縮和徐變經驗公式確定，不同的計算方法得到的結果不一致，因此在計算時應考慮其他因素合理確定。

2.9 墩頂偏角

連續剛構橋梁在懸臂施工過程中，特別是長懸臂施工階段，由于平曲線半徑和不對稱荷載的作用，會引起墩頂水側傾和偏角，對梁體變形和橋梁線性形成不容忽視的影響。

3 工程實例

建西大橋是國道G528線上的一座大型橋梁，橋梁全長為652m，橋梁寬度18.5m。橋梁上部結構采用3×35+3×35+3×40+(62+110+62)+2×40m， 其中主橋橋墩采用雙薄壁墩，墩的最大高度25m，主橋上部結構采用預應力混凝土連續剛構變截面箱梁橋，由單箱雙室箱形斷面組成，箱梁0號塊中心高度6.8m，跨中梁中心高度2.8m，其間梁高按二次拋物線變化，主橋位于半徑為600m曲線上，施工方案確定0號、1號梁體采用托架整體一次澆筑成型，主跨分12個懸澆段，每個懸澆段長度為4m。

4 變形控制

4.1 掛籃

本項目施工掛籃采用菱形結構，單套初步設計總重量為80t，因掛籃重量對梁體變形影響會隨著懸臂長度增加而變得顯著，以掛籃正常使用階段彈性變形最大不超過2cm為目標，盡量使掛籃重量減小。經重新優化設計后，單套掛籃總重量為65t，在1.3倍2號梁段重量荷載作用下掛籃總變形量為2.3cm，在1.0倍2號梁段重量荷載作用下總變形為1.8cm，優化后的掛籃在總重量減小情況下，結構變形符合設計要求。

4.2 橋墩結構

本項目橋墩結構采用雙薄壁墩，主墩高25m，雙薄壁墩順橋向抗彎剛度大，抗推剛度小，既可有效降低溫度、混凝土徐變和墩頂位移等引起的次內力，亦可對墩頂負彎矩產生削峰作用，從而改善結構在荷載作用下的變形，這是雙薄壁墩結構的優勢。按照建西大橋設計參數，根據模型計算，雙薄壁墩模型下跨中懸臂端最大變形為5.3cm；按單薄壁墩模型下跨中懸臂端最大變形為11.7cm。因此，從控制施工變形角度看，采用雙薄壁墩是合理的選擇，但雙薄壁墩抗外力撞擊能力較差，在設計時應注重防撞設計。

4.3 溫度

均勻溫度作用對變形的影響，主要取決于梁體溫度與設計溫度是否相吻合。懸臂施工階段，結構為靜定體系，由溫度梯度引起的梁體變形和結構次內力可以通過柔性墩調整，在施工過程中，一是要盡量選擇在與設計溫度偏差較小時段澆筑混凝土和張拉；二是加強施工過程中的測量觀測，以掌握溫度變化規律，然后根據測量結果進行溫度修正。通過溫度對梁體變形的影響特點，采取合理施工措施，可有效降低溫度對橋梁施工過程中變形的影響。

4.4 混凝土收縮和徐變

混凝土的收縮和徐變對結構變形會產生長期的影響，考慮跨徑大小因素，對于不同階段會產生不同的影響。在施工階段，由于施工時間相對較短，對梁體的變形影響較小；在成橋階段，會隨著時間逐步對結構內力產生一定的影響，因此在施工階段就應提前采取措施，消除因混凝土收縮和徐變對橋梁結構變形產生的影響。一般通過設置成橋預拱度，用于抵消因收縮和徐變產生的不利變形，建西大橋主跨成橋預拱度采用3年收縮徐變撓度值和1/2活載撓度值之和，按余弦曲線分配在各懸臂端；邊跨最大撓度根據模型計算和實踐經驗，一般發生在3L/8位置，撓度值約為主跨最大撓度值的1/4，因此邊跨成橋預拱度可在3L/8處設置大小為1/4主跨成橋預拱度值，同樣按余弦曲線分配在各懸臂端。

4.5 墩頂偏角

直線橋理論上不會產生轉角，只在施工荷載等作用下，可能會對墩產生變形影響，變形大小取決于墩高、墩的抗彎剛度及施工荷載大小和偏心量。建西大橋橋線形位于半徑600m的平曲線上，根據計算，第12號懸澆塊重心偏心量為9.37m，按最不利荷載組合作用下，墩的側傾變形計算值為0.86cm，墩頂偏角計算值不足0.01°，為了抵消偏心荷載等對墩的變形影響，在橋墩施工時采用預留側傾值予以糾正，隨著懸臂展開，逐步抵消梁體重心偏移對墩產生的側傾變形。根據成橋坐標測量值，成橋墩頂坐標偏離設計值約0.1cm，實踐證明墩頂變形控制效果良好。

4.6 施工因素

在施工過程中，通過科學嚴謹的項目管理，可有效控制人為因素或設備因素對結構變形形成的影響。如嚴格控制混凝土配合比和箱梁截面形狀，從而控制混凝土彈性模量和抗彎慣性矩，盡可能與設計混凝土強度對應的彈性模量和設計截面接近，使其對結構變形的影響趨于最小；通過采用先進的張拉設備和工藝，確保預應力鋼絞線在張拉過程中的斷絲率，確保錨墊板下張拉應力符合設計值要求；加強橋面施工荷載管理，在控制橋面施工荷載量同時，應制定嚴格的掛籃和鋼模板移動工序，確保緩慢移動平穩，避免移動速度過快而產生沖擊荷載，對結構內力產生不利影響。

5 結語

(1)通過建西大橋工程施工經驗，結合力學模型計算對影響連續剛構橋梁施工過程中撓度變形的主要影響要素進行了分析和總結。實踐證明，影響梁體變形的要素主要包括掛籃、橋墩結構、墩頂偏角、混凝土的收縮和徐變、箱梁截面形狀、預應力鋼絞線、溫度、施工荷載和混凝土配合比等。

(2)影響要素中主要分為可控要素和不可控要素。不可控要素主要為溫度、混凝土收縮和徐變，可以通過結構設計和適當的施工措施予以控制；其他為可控要素，可從設計方面和科學化施工各環節加以控制，即可依據橋梁計算模型準確計算得出施工過程中結構的變形規律，在施工過程中采取措施并加以控制。

(3)本文以力學模型為基礎，結合工程實例，對影響連續剛構箱梁變形的要素逐一進行了分析，并從設計和施工方面提出相應的處置措施，實踐證明，分析結論在橋梁施工過程中證明是正確的，對應的處置措施也是合理有效的，可以用于指導其他同類型橋梁的施工。