某大跨度連續梁橋施工控制分析

■賴士謙

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

0 引言

大跨徑預應力混凝土連續梁橋在跨徑300m范圍內都具有很強的競爭力。我國在高速公路建設高潮期修建了數百座跨徑超過120m的預應力混凝土連續梁 （剛構橋），其中跨徑超過200m的就有數十座。但隨著時間的推移，已建的這批大跨度預應力混凝土梁橋普遍出現過大的跨中撓度[1]。研究發現，問題橋梁絕大部分在施工過程中缺乏對主梁線形的控制，合龍之后橋面不平順，或者合龍線形和理想線形有較大差距[2]。為滿足橋面平順度要求和設計標高要求，施工過程中一般采用加厚橋面鋪裝的形式進行找平。這直接導致主梁超重，預應力度相對不足，同時增大梁體彎矩，最終導致橋梁在使用階段的長期撓度失控。因此，保證懸臂施工的混凝土梁橋成橋線形受到工程界普遍關注，這也是在大跨度混凝土連續梁橋建設中開展施工控制的主要目的。

背景橋梁為一座三跨預應力混凝土連續箱梁橋，采用懸臂施工工藝。通過對該橋施工全過程的計算機仿真分析，確定橋梁施工過程中的梁體的應力狀態和線形變化，結合施工過程中對主梁標高和梁體應力的測量，對施工過程中的主梁線形和內力進行實時監控，為施工線形的調整和控制提供有力的理論和數據支持。

1 項目概況

橋梁跨徑布置為72.5+120+72.5m，單幅橋寬16.75m。箱梁采用三向預應力體系，梁體混凝土等級為C55，采用單箱雙室斷面。箱梁頂板寬16.75m，底板寬11.25m。墩頂0號梁段長9m，0號塊兩側各劃分為17對梁段，其梁段及梁段長度從根部至跨中分別為 4×2.5m，6×3.0m，3×3.5m，4×4.0m，1號～17號梁段采用掛籃懸澆施工，累計懸臂總長為54.5m。全橋共3個合攏段，合攏段長度均為2.0m。邊跨的現澆梁段長度為11.42m。橋梁上部結構立面如圖1所示。

2 監控總體思路和關鍵技術

圖1 橋梁上部結構立面

大跨度懸澆連續梁施工監控的主要目的是為了保證橋梁順利合龍和結構內力、成橋線形滿足設計要求[3]。項目開始前期，通過對施工階段的有限元仿真分析，可以明確各階段結構理想狀態，同時，仿真分析的數據也為施工參數的確定提供數據支持。實際施工過程中，通過“理論分析預測→節段施工→數據測量與反饋→參數識別、修正→下階段理論計算預測”的循環過程，對主梁施工過程中的誤差進行實時調整，以保證最終成橋線形和內力滿足要求。

2.1 基于Midas/Civil的有限元模型分析

利用Midas/Civil有限元程序，建立全橋的空間桿系有限元模型。輸入各施工階段的單元、邊界和荷載信息之后，進行前進分析。通過施工階段的有限元仿真分析，可以對各階段結構的狀態進行評估和分析，保證施工階段結構的安全。此外，所得的結構變形數據也是對結構進行誤差調整的主要參考數據之一。背景橋梁施工過程全結構模型一共設置了154個單元和161個節點，如圖2所示。

圖2 橋梁全結構模型

模擬施工工序進行全過程分析，得到成橋階段主梁的應力如圖3所示。成橋狀態下，主梁全線受壓，且受力較為均勻，頂緣最大壓應力為8.4MPa，發生在中跨靠近橋墩位置，底緣最大壓應力11.5MPa，發生在中跨跨中附近。

2.2 主梁線形監控及調整方案

2.2.1 立模標高計算原理

為確保成橋后線形平順且盡量逼近，懸臂施工過程中每個節段都需要進行預拋高，通過立模標高的調整影響梁體線形，立模標高也就是施工時的放樣標高。立模標高分析主要考慮以下幾個因素：

1)設計標高Hid：為施工節段裸梁底面設計標高；

2)施工預拋高fis：梁段預拋高為立模標高的主要影響因素之一，與結構的自重、預加力、二期恒載以及收縮徐變等因素有關，可通過有限元軟件分析得到；

3)靜活載引起的變形fiv：1/2的靜活載加載在結構上產生的變形，可通過有限元程序分析得到；

4)掛籃變形fic：懸臂澆筑掛籃產生的變形，需要對掛籃進行預壓堆載試驗以獲得掛籃荷載-變形曲線，不同梁段根據荷載大小對該值進行調整；

5)施工誤差調整值fia：施工誤差造成的影響，通過對測量數據進行參數識別和分析，得到各節段施工誤差值，并實時調整，確保誤差不累積。

綜上所述，最后的立模標高Hi的表達式為：

2.2.2 主梁高程控制

根據背景橋梁結構特點及工程施工進度，共設置74個豎向撓度的監測截面，在同一截面在主梁橫向布置兩個高程測點，用于校核主梁是否發生扭轉。高程監測點布置見圖 4。

圖2 成橋階段主梁應力

圖4 主梁豎向測點布置圖

混凝土自重、預應力大小、施工荷載、混凝土收縮徐變、日照和溫度等對主梁撓度均有影響。為確保主梁線形平順，每一次預應力張拉前后，都要對主梁高程進行監測，對實測高程和目標高程進行比較。為減少日照及氣溫對主梁高程的影響，測試時間要求在清晨進行，溫度對主梁高程的影響通過理論計算修正后計入。

2.3 主梁應力和溫度狀態監測

應力與溫度的監控測量是掌握主體結構狀態的另一項重要內容。在主梁施工過程中，在控制點埋設弦式混凝土應變計和溫度傳感器，對梁體的應力狀態和溫度分布進行實時監測。

施工應力測試截面一般根據施工計算的控制截面確定，原則上包括以下幾個截面：成橋階段的最大正、負彎矩截面，以及設計角度考慮的其他控制截面。懸臂施工狀態下，墩頂截面為控制截面，合攏后，跨中和四分點位置處于較為不利的位置，據此，全橋選取7個內力控制截面布置傳感器，分別為邊跨跨中，中跨跨中、四分點以及墩頂截面，應變計和傳感器埋設位置如圖5所示。

圖5 控制截面傳感器布置示意圖

3 數據處理與分析

懸臂施工過程中，通過對主梁線形的實時調整，最終得到了如圖6所示的成橋曲線。從圖中可以看出，實測線形和設計線形吻合較好。圖7給出的實測高程和設計高程的差值顯示，成橋后的高程和設計高程大部分的誤差都控制在±10cm之內，基本滿足 《公路橋涵施工技術規范》的規定[4]。說明施工監控工作對施工過程中線形的控制取得了良好的效果。

圖6 成橋標高

圖7 測量標高與設計標高差值

對于關鍵斷面應力的分析，本文僅取典型控制斷面進行討論。圖8所示內容為0#塊頂、底緣應力在整個施工過程中的變化曲線。隨著施工階段的推進，0#塊頂、底緣應力均逐漸增大，在進行體系轉換的階段，截面頂、底緣應力出現了較大的跳躍。但從總體的應力水平上看，截面應力較為合理，具有較大的冗余度。其他控制斷面的應力也在合理范圍之內。

圖8 主梁0#塊施工階段應力

4 結論

在背景橋梁施工過程中，結合有限元仿真分析，同時充分考慮施工過程中可能出現的各種誤差，在各個施工階段通過立模標高的預報及時對線形進行調整，避免了施工過程中誤差的不斷累積和放大。同時，梁體內力的監控也為工程技術人員了解施工過程中的主梁受力情況提供了更直觀的數據。

實踐結果表明，施工階段的線形微調可以對大跨徑預應力混凝土連續梁橋的成橋線形進行有效控制，避免了利用增加鋪裝厚度來調整成橋線形的麻煩，從根源上解決大跨徑連續梁橋常見的跨中下撓問題。