大跨徑預應力混凝土懸臂連續箱梁施工監測與分析

■林少英

(莆田市交通投資集團有限公司，莆田 351100)

0 引言

我國建設事業經歷了高速發展時期，橋梁建設及施工也得到了快速發展，而橋梁運營安全成為引人關注的重要問題。為確保橋梁結構的可靠性、耐久性及行車舒適性，在大跨度預應力箱梁施工過程中對其進行監測監控，是保證施工質量的重要手段。

橋梁施工監控不僅是施工技術的重要組成部分，而且也是實施難度相對較大的一部分。對不同的體系，不同的施工方法，不同材料等的橋梁，其施工監控技術要求也不同。以本橋為例，為了達到該橋設計要求的最終標高必須先設置預拱度。預應力混凝土結構由于除了混凝土本身材料的非均質和材料特性的不穩定外，它還受環境溫度、濕度、時間等因素的影響，加上采用懸臂施工自架設體系施工方法，各節段混凝土或各層混凝土相互影響，這就必然造成各節段或層的應力和位移隨著混凝土澆筑或塊件的拼裝過程的變化而偏離設計值的現象，甚至出現超過設計允許的應力和位移。對這種情況，若不通過有效地施工監控及時地發現和調整，勢必造成成橋狀態的應力與線形不符合設計要求或在施工過程中出現結構的破壞。

橋梁施工監控是確保橋梁施工宏觀質量的關鍵。對于采用多工序，多階段施工的橋梁上部結構，要求結構的應力和標高的最終狀態符合設計要求，就需要將施工中的實測值與預測值進行比較，及時進行誤差調整，直至達到最終的理想狀態。

橋梁的施工監控又是橋梁建設的安全保證，為了安全可靠地建設每座橋梁，施工監控將變得非常重要。當發現施工過程中監測得到的實測值與理論值相差過大時，就應及時進行檢查和分析原因，從而避免后續施工中工程安全事故的發生。

1 工程概況

某大橋雙向六車道，全長320m。橋梁平面位于直線段內。橋型布置為(82+146+82)m變截面連續箱梁，主墩采用實體墩，橋臺采用肋式臺，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 監控目標及方法

2.1 監控目標

由于大橋上部結構采用預應力混凝土變截面連續箱梁，結構構造和受力均比較復雜，箱梁施工采用掛籃懸臂灌注施工法進行施工。因此施工監控的工作目標是：把大跨度橋梁施工控制的理論和方法應用于本橋架設的實際施工過程，對橋梁施工期間的線形、應力等內容進行有效的控制和合理的調整；根據施工全過程中實際出現的各項影響橋梁應力、變形的參數，結合施工過程中測得的各階段應力與變形數據，及時分析各施工階段中實測值與設計預測值的差異并找出原因，提出修正對策，并進行修正，協助施工單位安全、優質、高效地進行施工，并確保在全橋建成以后橋梁的內力狀態、線形與設計的內力狀態、線形相符。

2.2 組織體系

施工控制牽涉到業主、設計、施工、監理、監控監測等多家單位，這些單位在施工控制中起到了重要作用。施工控制是靠參建各方協作、共同努力實現的。在本橋架設施工中組織體系如圖2所示。

圖2 監控組織體系

2.3 監控要點

在施工過程，由于受混凝土澆筑、掛籃移動、施工荷載、預應力張拉、混凝土收縮及徐變、溫度、濕度等諸多因素的影響，往往會出現懸澆梁段的合龍誤差較大和成橋線形與設計目標不相吻合，這些是施工中必須認真解決的關鍵技術問題。本橋的施工監控難點和關鍵點包括以下幾個方面。

(1)結構參數的不確定性影響

混凝土梁橋參數不確定性較大，施工中各種參數(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變系數、結構自重、施工荷載)的偏差，以及測量等方面產生的誤差，尤其是某些具有累積的特性的偏差 (如主梁的標高誤差、軸線誤差等)，都對施工監控的準確分析、預測有很大的影響。

(2)溫度荷載的影響

溫度變化對橋梁結構的受力與變形影響很大，這種影響隨溫度的改變而改變，結構的溫度次內力或溫度次應力易導致結構裂縫。

(3)掛籃荷載的影響

本橋采用的是掛籃懸臂澆筑施工，掛籃的剛度和變形(彈性、非彈性)對主梁的線形會有較大的影響。懸臂澆筑施工過程中，必須保證掛籃的安全和穩定，明確掛籃對主梁結構的作用，消除預測中因對施工工藝模擬不客觀引起的誤差，以確保主梁的線形和內力在控制之中，保障橋梁施工的順利安全進行。

(4)預應力的影響

預加應力是預應力混凝土結構內力和變形控制考慮的重要結構參數，但預應力值的大小受很多因素的影響，包括張拉設備、管道摩阻、預應力鋼筋斷面尺寸、彈性模量等，施工控制中要對其取值誤差做出合理估計。

(5)混凝土的收縮徐變

對于混凝土橋梁結構而言，材料收縮、徐變對結構內力和變形有較大的影響，這主要是由于橋梁結構施工過程中混凝土普遍存在加載齡期短和各個階段齡期相差較大等引起的，施工監控中予以認真研究，以采用合理的符合實際的徐變參數和計算模型。

針對上述施工控制的難點和關鍵點，在本橋的施工監控中，我們采用自校正調節適應法+來解決上述問題，以保證每一施工階段結構的內力和線形都處于預測和控制范圍之內，使橋梁施工最終狀態達到設計目標。

2.4 施工監測方法

2.4.1 結構變形監測

借助施工建立的平面及高程控制網，應用三角及精密水準法對橋梁進行線型監測。

(1)線型監測

線型監測是連續梁施工控制的核心之一，確定好線型測點非常重要。為確保測試結果的準確、可靠，每個施工塊件兩腹板外緣及中線前端頂部各布置3個對稱的高程觀測點，以利于在觀測箱梁撓度，同時觀察箱梁是否發生扭轉變形。0#塊的中心高程觀測點不但是本塊件箱梁頂板設計標高的控制點，同時也是后續各懸澆節段高程觀測的基準點，因此每個主墩箱梁頂部中心點應加固處理。塊件的撓度測點位置設在距塊件前端15cm處，測點采用Φ16鋼筋制作，鋼筋長度約25cm，在垂直方向上與箱梁頂板的上下層鋼筋點焊牢固，并保持垂直，頂端打磨平整，側緣倒角并露出砼面2cm，用紅油漆標識。

0號塊高程測點布置：布置0號塊高程測點目的在于控制頂板的設計標高，同時也作為以后各懸澆階段高程觀測的基準點。每個0號塊的頂板各布置11個高程觀測點，測點布置如圖3所示。

圖30 號塊截面尺寸圖和高程測點布置示意圖

各懸澆節段的高程觀測點布置：每個節段各布置兩個高程觀測點，對稱布置在懸臂板與承托的交接處，與塊件前端相距10cm，如圖4所示。

圖4 0號塊懸臂節段高程測點布置示意圖(單位：cm)

各主墩零號塊施工完成后，監控單位配合施工單位利用已經建立的三維導線控制點設立零號塊上的箱梁懸壁澆筑施工的高程控制點 (后續各懸澆節段高程觀測的基準點)，在箱梁懸臂施工中，對于高程控制的基準點，在下述情況下應進行復測：

①結構受力體系轉換后；

②墩基礎發生較大沉降變化時；

③施工控制組經分析后認為有必要進行復測時。

為了給線性控制提供理論依據，施工單位按照監控單位要求現場取樣，制成彈模測試試塊。

(2)主梁軸線偏位測量

主梁軸線偏位測點布置見圖5，采用視準法直接測量。將全站儀或經緯儀架設在墩頂梁面中心，后視另一墩頂梁面中心，視線為基準線，在梁前端中心標記處放置小鋼尺，鋼尺基準點與梁端中心點重合，用儀器直接讀取鋼尺讀數，即為軸線偏移值。測試箱梁縱向預應力鋼束張拉后軸線偏位由施工單位配合進行。

圖5 0號塊測點布置示意圖(CP為軸線偏位測點)

(3)線型測量儀器設備

全站儀精度為 ±2″；WildNA2自動安平水準儀精度為±0.7mm/100km。

(4)線型測量注意事項

①線型測量過程中，當各墩之間及各墩與施工控制網之間可以聯測時，應進行聯測，以確保測量數據的可靠、準確。

②施工監控過程中應注意因暫時不平衡力而引起的主梁和墩身線型的變化。

③箱梁每一節段懸臂施工過程中，測量小組和施工單位應進行至少以下三個工況的撓度測量和高程控制測量：掛籃移位、澆筑箱梁混凝土前；澆筑箱梁混凝土后及縱向預應力鋼束張拉前；箱梁縱向預應力鋼束張拉后。

同時，應進行至少以下兩個工況的箱梁平面中線位置控制測量，即：掛籃移位及澆注混凝土前；箱梁縱向預應力鋼束張拉后。

以上測量工況，除對當前施工梁進行外，同時對己施工所有節段測量，以得到箱梁節段累計實際變形。為了保證成橋橋面標高和監控線形的吻合，監控單位平時應當經常性抽測橋面實際標高，并跟鋼筋頭標高推論出的橋面線形進行比較，超出范圍及時匯報。

④0號塊施工完畢后，基礎沉降觀測點設在各墩的墩身或承臺上，每個橋墩或承臺上設2～4個測點(最高墩尤其要注意)，測點采用固定在墩身表面的水準尺或承臺埋置式測點。在特定情況或者根據業主監理要求復合墩身沉降。

⑤合攏之前的長懸臂階段必須觀測標高隨日照的變化；合攏段要詳細跟蹤底模板的標高變化；邊跨和中跨合攏監控單位都必須提供合攏精度報告；對于施工單位的合攏配重方案，監控單位進行復核并提出建議；中跨預應力張拉后監控單位要進行全橋橋面標高復測。

2.4.2 結構應力監測

對大跨度預應力混凝土橋梁而言，由于混凝土材料的非均勻性和不穩定性，受設計參數(如材料特性、密度、截面特性等參數)、施工狀況(施工荷載、混凝土收縮徐變、預應力損失、溫度、濕度、時間等參數)和結構分析模型等諸多因素的影響，結構的實際應力與設計應力很難完全吻合，即計算應力不可能準確反映結構的實際應力狀態。只有通過理論分析、誤差分析等手段，使測試應力結果盡可能地接近于結構實際，才能較準確地掌握結構的真實應力狀態。由于混凝土材料的特殊性，測量應力的誤差主要來源于混凝土的實際彈性模量的差異和混凝土的收縮徐變的影響。為了排除非受力應變，在埋入工作應力計的同時，也埋設無應力計，測試混凝土的非應力應變。從實測的總應變中減去無應力計測試的無應力應變，即可得到由應力引起的混凝土應變，再根據混凝土的應力應變關系，可以推算混凝土在不同應力狀態下的單軸應變計算公式，從而計算出混凝土的應力。

(1)傳感器選擇

基于大橋施工工期長、工作量大(測量頻繁且須多點同時讀數)、現場測試環境差(邊施工，邊測量)，密封、絕緣要求高，溫度變化難于預測，因撞擊、振搗損壞傳感器器件的情況不可避免。同時，還必須設法排除混凝土收縮徐變對測試結果的影響。在整個監測監控期間，為了不影響橋梁現場施工進度，鑒于同類橋梁施工監控的經驗，擬選用內埋式鋼弦應變傳感器。目前，工程界普遍認為，鋼弦式內埋應變傳感器量程大、精度高、零漂和溫漂小，且自身防護破損的能力好，便于長期觀測，是混凝土應變測量較理想的傳感元件。

(2)測試斷面及測點布置方案

實踐表明：箱型截面整體性好，結構剛度大，承受正、負彎矩及抗扭能力強，是一種經濟合理的截面形式。單箱單室薄壁截面，可提高單位面積的慣性矩，可采用箱梁頂板橫向預應力與腹板內豎向預應力配筋來解決長懸臂箱梁的受力問題。對于大跨度三向預應力混凝土連續橋，箱梁結構在混凝土懸澆中各截面的應力分布有很大的差別，起控制作用的因素是主梁的自重、掛籃和預應力，因此監測主梁的上下緣正應力就顯得尤為重要。

應力測試斷面的選擇主要考慮以下因素：①結構受力的關鍵截面；②施工流程；③本橋自身特點；④結構的對稱性；⑤結構或構件的受力特點。梁體應力監測斷面見圖6，各斷面應力監測點布置見圖7。主橋上部結構箱梁中共布置7個測試斷面，其中支點附近截面每個斷面內布置6個應變傳感器，跨中位置截面(A、D、G)每個斷面內布置4個應變傳感器，傳感器在各個斷面內均為順橋向布置；此外，結合以往的連續梁橋施工過程中常常遇到的一些問題，在主跨1/4斷面位置處增設一個觀測斷面(H-H斷面)，斷面內共布置4個應變傳感器。斷面選擇在最早施工的主跨梁段內。斷面內各個傳感器的測試導線端頭統一引到橋面上，并采取相應的保護措施防止導線受到損壞。

圖6 主橋施工監測斷面布置示意圖

圖7 主橋施工監測斷面測點布置示意圖(單位：cm)

(3)應變計埋設

為保證埋設的鋼弦應變計有較高的成活率，需對埋設的應變計特殊處理和進行多項檢查。在操作中盡可能準確地使鋼弦應變計與縱向應力方向保持一致。為防止混凝土澆筑過程中傳感器的竄位和角度改變，埋設時用扎絲將傳感器較牢捆扎在鋼筋上。

(4)箱梁應力測量工況

混凝土箱梁的懸澆過程大致可分為三個工序：①掛籃前移、立模；②混凝土澆筑；③預應力張拉。則應力測量工況為：懸臂施工的前1-2個階段，在混凝土澆筑后和預應力張拉后測量；后續節段正常施工，在預應力張拉后測量，合攏前適當加密；然后對體系轉換后箱梁結構各工況改變后的應力進行監測，直至箱梁竣工。特殊情況下可適當加密箱梁應力的監測頻次。測量時間選定在每一工況結束后3-6小時為宜，同時，在每一施工階段，各工況測量時的溫度變化不能太大。

2.4.3 結構溫度監測

溫度是影響主梁變形的最主要因素之一，溫度變化包括日溫度變化和季節溫度變化兩部分。日溫度變化比較復雜，尤其是日照作用，會引起箱梁頂底板的溫差，使主梁發生撓曲，同時也會引起墩身的偏移。季節溫差對主梁撓度的影響比較簡單，其變化是均勻的，可通過采集各節段在各個施工階段的溫度，輸入計算機進行處理。因此，為了摸清箱梁截面內外溫差和溫度在截面上的分布情況，在梁體上布置溫度觀測點進行觀測，以獲得準確的溫度變化規律。監測控制截面的溫度和溫度應力，可以在分析時消除溫度產生的附加應力，準確地監控截面的真實應力情況。

考慮到各個“T”的溫度分布大致相同，故選取其中一個“T”的一側懸臂作為溫度測試對象。共設置2個溫度觀測斷面，每個斷面各布置4個溫度觀測點。長沙翔昊記憶智能型應變計帶有溫度應變功能，則溫度傳感器可選用此型號。C-C斷面和H-H斷面選為溫度觀測斷面。

當箱梁懸澆施工至長懸臂狀態時，大氣溫度變化、日照溫差等對長懸臂箱梁變形影響顯著，為了保證各跨箱梁順利合攏和線形控制要求，必須進行懸臂標高的24小時跟蹤測量，同時量測相應的氣溫變化值。

2.4.4 施工線型控制目標

合攏兩側主梁懸臂端高差小于10mm，要求結構的線形平順最大誤差與理論線形比較小于30mm，橋面線型符合設計要求，力求做到自然合攏。橋墩允許偏差為不大于0.3%h(墩高)且不大于20mm。懸臂合攏的中軸線位置誤差不大于10mm，立模精度在±10mm范圍。

3 監測結果分析

(1)理論立模標高

理論立模標高根據模型計算的預拱度和梁底設計標高進行設置，按照規范要求，橋梁預拱度考慮橋梁合龍1000天后的收縮和徐變與1/2活載下的撓度。理論模擬標高見圖8。

理論立模標高：Hlm=Hd+Hypg+fgl(1)

式中，Hlm為梁體立模標高；Hd為設計標高；Hypg為計算所得的預拋高值；fgl為掛籃變形值。

(2)成橋線型

橋梁成橋后橋面線形與設計高差在-0.006m～0.019m之間，理論值和實測值基本吻合；橋面線形光順，成橋線形達到線形預定施工控制目標。成橋后橋梁理論線型和實測線型如圖9所示。

圖8 理論立模標高(單位：m)

圖9 成橋理論線型和實測線型對比分析圖(單位：m)

(3)應力監測

施工過程重梁體的應力隨著施工進度不斷變化，在施工過程中，梁體應力值受到各種因素影響可能會偏離計算值，嚴重時梁體實際應力超過混凝土的允許值。因此，有必要在施工階段對梁體控制截面進行施工應力監控測試，為設計、施工控制提供實測應力值作為參考數據，以確保大橋安全、優質建成。本橋應變測試主要測試主梁沿橋縱向的正應變，因此，在測試截面的梁頂、底板布置應力測點。

從測量結果可知：①施工過程中測量應力與理論應力的差值在1.5MPa以內；測量的施工過程中最大壓應力為 13.9MPa， 滿 足 規 范 要 求 σtcc≤0.70f′ck=0.7×35.5=24.85MPa；施工階段未出現拉應力；②成橋后梁體應力在-5.1～-12.3MPa之內，測量應力與理論計算的成橋應力差值在0.8MPa以內，測量應力接近理論計算應力。

測量各個施工階段和成橋狀態下應力測試數據表明，左幅橋施工階段和成橋狀態下梁體應力與計算應力接近，且滿足規范要求，成橋狀態左幅橋內力內處于安全、合理狀態。

4 結論

對本橋橋梁結構進行正常極限狀態驗算表明結構在正常使用極限狀態下結構應力和撓度均滿足規范要求；施工階段計算表明施工過程結構安全，線形和應力達到施工控制要求；各項測試數據表明本橋施工和成橋狀態結構線形和應力狀態始終在控制范圍內，最終施工的成橋狀態結構線形和應力達到設計的目標狀態。