高墩大跨連續剛構橋的施工監控

李世平 薛旭濤 劉 數 馬曉君 劉 進 王 軍

1. 中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665；2. 中建四局第一建筑工程有限公司 廣東 廣州 510800

高墩大跨連續剛構橋跨越能力強，整橋的受力合理，整體性好、剛度大，因此被廣泛應用于貴州等地質條件復雜的山區[1]。該類型橋梁的缺點主要在于其墩梁固結的連接形式，上部結構和下部結構之間通過剛性連接，不設置支座，導致橋梁本身對溫度變化、混凝土收縮徐變等因素產生的次內力十分敏感。因此，需要在施工過程中對橋梁的結構穩定性進行監測[2]，以保證橋梁施工質量和安全，確保在使用過程中不發生事故。

本次研究依托貴州省松桃至玉屏快速路項目中的某大橋，為高墩大跨連續剛構橋，全橋墩柱高度最低為79 m，最高達到了112 m。墩身為鋼筋混凝土結構，設計為直立式矩形空心墩，壁厚0.8 m，每隔20 m設置一道橫隔板。該橋的跨度大，主跨的跨徑達到了125 m，主跨使用掛籃懸臂澆筑工藝進行施工。

由于該大橋跨越山谷，為了滿足地形要求，墩柱設計較高，同時地勢環境惡劣，施工多為高空作業，極大地增加了作業風險，給現場管理造成了很大困難。為保證橋梁的施工質量和施工安全，對橋梁施工進行全過程監控，主要內容有橋梁墩柱標高和梁段的應力情況。技術人員使用有限元軟件對橋梁的受力情況進行模擬，預先計算出施工中各階段橋梁的內力和位移，將施工中的實測值與預計值進行比較，在發現較大的誤差時可迅速調整施工參數，使橋梁在施工各階段的內力和變形在設計和規范的允許范圍內，保證橋梁的內力狀態和結構線形滿足設計要求[3-8]。

1 連續剛構橋的受力分析

對松桃至玉屏快速路項目中的某大橋建立三維模型，根據施工圖設置節點劃分梁段，便于后期比較同一梁段的理論計算值與實際監測值的區別，計算兩者誤差，達到保證橋梁受力安全的目的。該大橋上部結構為現澆箱梁，設計采用C55混凝土，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.187，容重取24.7 kN/m3。

由于高墩大跨連續剛構橋進行受力分析時是作為典型的彎壓構件考慮，所以結構材料需考慮非線性影響[5]。設混凝土軸心抗壓強度為fc，參照德國學者Rusch的混凝土軸心受壓應力-應變（σ-ε）曲線模型[6]，該模型的本構關系如式（1）所示：

橋梁墩柱設計的材料為C40混凝土，C40混凝土的抗壓強度標準值為26.8 MPa，因此本項目所用混凝土在計算時的名義屈服應力取21.44 MPa。

根據本橋設計圖，使用Midas Civil軟件建立有限元分析模型，如圖1所示。

圖1 大橋有限元模型

2 橋梁豎向線形誤差調整方法

受高空作業限制，高墩大跨連續剛構橋在施工過程中的豎向線形監測和調整非常困難，由于受到施工圖設計過程中繪圖參數精度誤差、結構分析理論計算誤差、現場測量誤差等多種因素的影響，導致現場測量結果和設計圖紙計算理論結果出現誤差。

在本工程橋梁上部結構的施工過程中，豎向線形誤差預測的理論方法主要是灰色系統預測理論[7]，通過預測預應力張拉后橋梁的預拱度，調整模板預拱度設置值，使施工過程中橋面的標高誤差能夠盡量縮小，達到理想的計算結果。

2.1 灰色系統預測方法原理

由于橋梁施工過程中，存在已知和未知2種不同類型的數據信息，對于重要未知信息需要提前預測，降低出現誤差的可能性以及誤差的數值。因此，在橋梁工程施工中需要依靠灰色系統理論建立誤差微分方程模型，針對橋梁上部結構施工，掛籃就位后需根據誤差的預測結果對下一階段的模板標高進行調整，以達到控制誤差的目的。

2.2 灰色系統誤差微分方程模型建立

結合灰色系統誤差分析方法，在使用掛籃懸臂澆筑施工時，掛籃就位后需在下一梁段施工前調整掛籃底模標高，預測其在梁段預應力張拉后的預拱度，在計算得到施工梁段張拉后的理論標高，同時現場測量得到實際標高后，通過之前采集數據分析標高的誤差，計算下一階段的預拱度調整誤差值。微分方程模型建立方法如下：

在第i＋1號梁段施工前，通過計算得到已施工完梁段i在預應力鋼絞線張拉后的理論標高值，同時現場測量得到預應力鋼絞線張拉后的實測標高值，對兩者建立誤差序列，建立誤差微分方程，計算方式如式（2）所示[8]：

對公式（2）中的各項參數分別進行介紹：x為施工完梁段在預應力張拉后的理論標高值序列；y為施工完梁段在預應力張拉后的實際標高值序列；x(n)為第n號梁段在預應力張拉后的理論標高值；y(n)為第n號梁段在預應力張拉后的實際標高值。根據每一個梁段在預應力張拉后的理論標高值和實際標高值之差，建立誤差序列，對于第k號梁段，其誤差如式（3）所示：

在式（3）中，a＝max[|x(k)－y(k)|]，其中k＝1,2,…,n。

在橋梁施工過程中，影響施工質量的因素有很多種，對于某一種變量，使用δ(k)為數據，組成新序列X(0)，進而經過計算，由X(0)得出X(1)。以此為基礎，優化誤差分析的精確度如式（4）所示：

式（4）中X(1)(i)按式（5）計算：

X(1)(k)和X(1)(k＋1)的平均值，組成式（6）所示數列Z(1)：

對于X(0)、X(1)，設有系數b、v，則各數據之間存在的數學關系如式（7）所示：

由式（7）可知，灰色系統誤差微分方程為〔式（8）〕：

對于本工程在實際施工過程中灰色系統控制理論的應用，現選用建立的有限元模型中8號橋墩5#塊為例，展示在實際施工過程中，灰色系統控制的應用。此處橋梁標高均以毫米作為單位，便于誤差計算。

8號橋墩5#塊梁段在預應力張拉后的理論標高值為：[83 762 83 758 83 743 83 766 83 752]。

8號橋墩5#塊梁段在預應力張拉后的實際標高值為：[83 764 83 760 83 744 83 769 83 754]。

誤差序列為：[－2－2－1－3－2]。

2.3 線形坐標數據的處理與分析

2.3.1 觀測點的設置

在施工過程中，通過灰色系統誤差微分方程模型完成施工誤差修正，使結構的實際狀態接近理想狀態。在本工程施工過程中，進行現場標高測量，得到標高控制結果。

2.3.2 觀測結果和計算值分析

節點編號采用有限元計算時建立模型所設置的節點，以便于統一節點編號。通過灰色控制理論的計算，針對性調整對本工程大橋每一梁段的預拱度值，將經過計算后橋梁的標高和實際測量的標高進行對比，橋墩施工標高控制結果如表1所示。

表1 本工程大橋橋墩標高控制結果

對表1的數據進行分析，可看出橋梁的實際標高和計算標高滿足設計要求，且實際監測數據和設計標高、計算標高接近。由此可見：通過灰色系統微分方程模型計算后，調整橋梁預拱度，對橋梁豎向線形誤差的控制效果明顯。

3 大橋應力監測

3.1 箱梁控制截面應力測點布置

箱梁應力測點選取在橋梁結構受力關鍵截面，共在9個截面布置傳感器進行監測，箱梁各根部截面應布置12個測點，傳感器的布置方向均為順橋向布置。在試驗前應預先進行試驗室內模擬測試，觀測所用儀器的工作情況，確保試驗所使用的傳感器均能正常工作，記錄數據真實可靠。

3.2 應力測試結果分析

使用Midas Civil軟件對模型進行應力計算，統計出對應界面的應力理論計算值，再與監測的實測值進行對比分析。應力監控作為確保橋梁施工中結構安全的重要手段，在大跨徑連續梁的施工中得到廣泛應用。使用傳感器對橋梁的應力進行監測，同時與有限元模型計算出的理論值進行對比，可以準確判斷出橋梁是否處在安全的狀態下進行施工。

計算值、監測值兩者之間的對比，能夠精準地將橋梁應變控制在合理范圍內，最大限度地保證施工安全。

通過對橋梁的應力進行監測，并分析數據，監測結果表明橋梁混凝土應力和理論值之間吻合性較好，結構安全系數高。

4 結語

本文從工程實際出發，分析了高墩大跨連續剛構橋的結構特點和施工監控技術，對其施工過程中的線形控制和應力控制作了簡單的研究，主要研究結論為：

1）應用以灰色系統理論為核心的施工質量控制方法，通過現場線形和應力測量、結構分析計算，進行驗證，并對施工誤差進行修正，確保大橋的施工監控和施工質量滿足設計要求。

2）在應力監測方面，采用Midas Civil軟件進行，將現場監測數據與對應截面Midas軟件理論計算結果進行對比，確保施工安全。

[1] 劉志宏,詹建輝,黃宏力.高墩大跨徑連續剛構橋的穩定性分析[J]. 中外公路,2005(6):63-66.

[2] 華孝良,徐光輝.橋梁結構非線性分析[M].北京:人民交通出版社, 1997.

[3] 邵容光,夏淦.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1994.

[4] 劉國超.大跨度曲線連續剛構橋的施工監控技術研究[D].重慶:重 慶交通大學,2012.

[5] 王金峰,劉斌.高墩大跨度連續剛構橋結構特點及施工控制[J].中國 港灣建設,2005(3):40-13.

[6] 王小松.車-橋-風相互作用理論分析[D].上海:同濟大學,2007.

[7] 張永水,顧安邦.灰色系統理論在連續剛構橋施工控制中的應用[J]. 公路,2001(6):42-44.

[8] 劉思鋒,黨耀國,方志耕.灰色平統理論及其應用[M].北京:北京科技 出版社,2006.