大跨連續梁懸澆施工監控技術與應用研究

鄧振全 董 旭 李樹忱

(山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

0 引言

橋梁結構的安全質量問題是公路、鐵路及交通等行業和全社會非常關注的重大問題[1]。施工監控是確保橋梁結構在施工或運營階段體現設計思路、滿足規范和設計，保證工程安全質量所必須的重要手段[2]。在實際施工過程中，受設計假定誤差、施工荷載、環境天氣、材料和施工技術水平等多因素影響，橋梁結構的實際應力、變形等狀態參數會與設計要求、有限元分析結果有所差異，如不加以及時調整，會致使結構的施工控制參數誤差不斷累積，嚴重影響橋梁結構的線形、內力和成橋狀態，甚至造成橋梁無法合龍，危及施工和運營安全。對橋梁施工監控各方面問題，許多學者進行了研究。包龍生、閆燕紅等[3,4]結合工程闡述了橋梁施工監控的內容和通用方法，并通過對比分析得到了大跨連續梁橋設計參數中橋梁施工和監控的主要和次要影響因素；劉慶昌等[5]利用馬爾科夫殘差對連續梁橋施工監控的灰色理論模型進行了改進，修正了監控的預測誤差；陳秀清等[6]基于受力優化和均勻性原則，研究了合龍順序對連續梁橋結構性能和成橋狀態的影響，提出了優化施工合龍方案；趙國梁、姚敏紅、王一新等[7-13]則結合不同梁型、不同設計方案研究了橋梁施工監控的技術要點。

本研究依托某地區鐵路擴能改造工程有砟軌道單線預應力混凝土連續梁橋，闡述和分析了本研究工程的一整套監控方法和理論，介紹了其監控內容、方案和工具，實施了線形和應力監控工作，并給出了其監控結果和結論，研究保證了該工程安全成功合龍，可作為其他橋梁工程監控的參考。

1 工程概況

某鐵路擴能改造工程有砟軌道橋梁為48 m+80 m+48 m三跨單線預應力混凝土連續梁橋。上部結構采用單箱單室直腹板式變截面連續箱梁，最大梁高為6.4 m，中跨及邊跨直線段梁高為3.6 m，箱梁采用縱向、橫向和豎向三向預應力體系；橋梁基礎采用鉆孔樁基。連續梁應用懸澆法建造，分兩個對稱T構，各劃分為11個梁段，邊跨為7.75 m現澆段，邊跨和中跨合龍段均為2 m。梁體全部采用C55混凝土。該連續梁上跨當地某二級公路，交叉角度為134°36″。該公路為貨運主路，車流量大。連續梁橋全橋布置及與所跨公路位置如圖1所示。

2 監控方法

2.1 監控原則

特大跨連續梁的監控工作，最終目的是保證施工過程中梁橋結構的質量和安全。具體表現為：對成橋目標進行持續監測和有效控制，以確保工程的線形和受力等滿足規范要求和設計預期，并保證其有足夠的強度和穩定性。一般遵循“預報→施工→量測→識別→修正→下一次預報”循環流程。

2.2 監測理論

2.2.1分析理論

前進分析法是指根據既定施工方案逐階段地進行結構計算，幾何形態、邊界約束、荷載分布等不斷變化，前一階段結構狀態作為下一階段的分析基礎，并得到成橋受力變形情況。該方法能為強度、剛度驗算和成橋受力提供依據和精確結果，能確定可靠的施工階段理想狀態，故選擇前進分析法作為研究分析理論。

2.2.2控制理論

自適應控制法認為，在系統運行過程中，通過系統識別或參數估計，不斷修正參數，使設計輸出與實測結果相符，可以達到工程誤差或問題控制的目的，原理如圖2所示。且其相對其他方法，實施較為簡便，故研究選擇自適應控制法作為誤差控制方法。

2.2.3誤差調整方法

施工中，結構易受到材料、環境、施工技術等因素的影響，會導致分析采用的理想設計參數值與結構實際狀態的相應設計參數值出現一定偏差，設計參數誤差是引起大跨橋梁施工誤差的主要因素之一。本研究通過設計參數的識別，并利用最小二乘法進行誤差調整，通過最小化誤差的平方和以確定數據的最佳匹配函數，其基本原理是確定函數S*(x)，使誤差平方和：

(1)

其中,δi=S*(xi)-yi,(i=0,1,2,…,m)。

3 監控方案

3.1 結構計算

采用MIDAS/Civil建立主梁模型，利用前進分析法做計算，并由橋梁博士3.0進行復核。主梁模型依設計施工節段(如圖3所示)對應劃分為若干單元，對施工過程進行模擬。采用C55混凝土，加載齡期為7 d；預應力鋼絞線松弛損失取為2.5%，錨具變形與鋼束回縮值取為6 mm，管道摩阻系數μ=0.25，偏差系數k=0.003；二期恒載取為98 kN/m；收縮徐變考慮1 500 d。有限元計算模型如圖4所示，全橋共劃分70個單元，97個節點。

通過模型計算，得到自重、預應力以及混凝土收縮徐變引起的懸臂前端撓度值、掛籃彈性變形和活載撓度值等理論數據，同時結合上節段的控制情況，根據式(2)可知：

(2)

式中：Hlmi——節點i(待澆筑段底板前端)立模標高；

Hsji——待澆筑段底板前端的設計標高；

∑fdi——施工過程中恒載(含自重、預應力、收縮徐變等)引起的節點i累計撓度值；

fli——靜活載引起節點i撓度值；

fgl——掛籃彈性變形值，由掛籃預壓及高程實測確定，本研究采用式(3)來預測掛籃變形：

(3)

式中:ff——澆筑第n號梁段產生的掛籃彈性變形；

Δfn，Δfn-1,Δfn-2——澆筑第n塊混凝土后第n,n-1,n-2號梁段前端的變形；ln,ln-1為第n,n-1號梁段長度。

3.2 監測內容

3.2.1變形監測

在自重、預應力、不均勻溫差和收縮徐變等作用下，梁體會產生撓曲變形，需要對主梁變形監測，以掌握梁體撓曲和扭轉變形的情況和歷程，為結合結構計算準確控制提供依據。

在0號塊頂板中心設水準控制點，作為橋面高程測控的基準，其高程以良好山坡上永久高程點為根據；橋面高程測控點各對稱布置3處于每個節段前端面10 cm處的頂、底板上表面(如圖5所示)，測點露出橋面5 cm，用Φ16鋼筋與頂底板鋼筋豎直焊牢。使用DINI水準儀或TCA-2003A全站儀，在立模初和調整后、混凝土澆筑前后、預應力張拉前后進行高程量測。為減少溫度影響，監測宜在日出前完成。

3.2.2溫度監測

混凝土導熱的復雜性和滯后效應，會造成溫度非線性分布和頂底板溫差，使主梁撓曲、梁體產生較大復雜內力，對施工影響較大。需進行測試，獲得梁體溫度分布變化規律，為分析控制提供依據。

在圖6的梁體②截面，在圖7b)所示6處和箱梁內外側布置JXH-2型鋼弦應力計(內含鉑電阻溫敏元件)。對梁體和環境溫度、截面應力進行持續監測，間隔為1 h，中午后適當縮短。

3.2.3應力監測

利用JXH-2型鋼弦應力計和DT615數據采集儀，對梁體應力變化進行監測，與理論計算比較，以檢視主梁受力狀態，實現安全控制。控制截面如圖6所示，斷面應力測點布置如圖7a)，考慮結構對稱性，對44號墩半聯梁做監測，45號墩梁為復核，所有應變計縱向布置。每節段分別對混凝土澆筑前、澆筑后、預應力張拉后三個主要工況進行測量。

4 監控結果

4.1 變形監測

成橋后主梁梁底標高的理論值及其與實際標高的誤差值如圖8所示。

根據規范，要求梁頂面高程差|h1|≤10 mm，梁段高程為-5 mm≤h2≤15 mm，本研究控制誤差要求|Δh|≤10 mm。由圖8可以看出，主梁各節段的高程與設計值差異較小，均在控制要求范圍內，主梁線形平順，與理論線形吻合良好。

4.2 溫度監測

梁體和環境溫度的分布變化如圖9所示，各溫度測點的應力隨時間變化情況如圖10所示。

由圖9看出，所測頂板溫度較好地反映了當日氣溫情況；梁體內部溫度則變化較緩；底板溫度低于大氣溫度，但變化趨勢相同；考慮到腹板外會受到翼板遮擋，梁體內外溫度呈現相差不大、變化穩定的狀態。

由圖9和圖10對比，頂板應力受溫度影響變化明顯，底板相對較穩定；受預應力束的約束作用，隨節段增加，截面應力受溫度影響變大；應力應變較溫變有一定的滯后效應。

4.3 應力監測

主梁①，②，③監測截面的頂底板應力理論值與實測值變化曲線如圖11所示。

可以看出：1)44號、45號墩主梁的頂、底板基本均為壓應力狀態，隨施工進行，壓應力逐漸增大；2)頂、底板應力的理論值和實測值基本吻合，前期極少數施工節段測點處底板存在受拉情況，但拉應力未超過1 MPa，滿足抗裂設計和規范要求。

5 結語

本研究依托某地區鐵路擴能改造工程有砟軌道連續梁，闡述了本研究工程的監控方法和理論，介紹了其監控內容和工具，并實施了變形和應力監控工作，得到下面的結論：

1)受設計假定誤差、施工荷載和技術水平等多因素影響，橋梁結構的實際狀態會與設計理論有所差異，須進行施工監控，保證結構的線形和內力。

2)根據監控結果，主梁各節段的高程與設計值差異較小，均在控制要求范圍內，主梁線形平順，與理論線形吻合良好。

3)所測頂板溫度能較好符合當日氣溫情況；梁體內部溫度則變化較緩；底板溫度低于大氣溫度，但變化趨勢相同；考慮到腹板外會受到翼板遮擋，梁體內外溫度呈現相差不大、變化穩定的狀態。

4)頂板應力受溫度影響變化明顯，底板相對較穩定；受預應力束的約束作用，隨節段增加，截面應力受溫度影響變大；應力應變較溫變有一定的滯后效應。

5)梁體頂、底板基本均為壓應力狀態，隨施工進行，壓應力逐漸增大；頂、底板應力的理論值和實測值基本吻合，前期極少數施工節段測點處底板存在受拉情況，但拉應力未超過1 MPa，滿足抗裂設計和規范要求。

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