山區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋線形分析與控制

聞 超

(長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大跨徑橋梁日漸增多。而連續(xù)剛構(gòu)橋由于跨越能力大、抗震能力強、整體性好、伸縮縫少、行車平順等優(yōu)點，能夠較好地克服山區(qū)復(fù)雜的地形條件限制，成為山區(qū)高速公路采用較多的一種大跨橋梁結(jié)構(gòu)。

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工時一般采用掛籃懸臂對稱節(jié)段澆筑施工。由于跨徑較大、節(jié)段較多，連續(xù)剛構(gòu)橋施工要經(jīng)過長時間的懸臂施工及復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換，在節(jié)段懸臂施工過程中，截面尺寸、材料參數(shù)、混凝土容重、彈性模量、收縮徐變、預(yù)應(yīng)力參數(shù)、溫度變化、掛籃變形、臨時荷載等多種因素均會對主梁線形產(chǎn)生一定的影響，若這些影響未能及時有效地消除，就會導(dǎo)致實際線形與理論線形產(chǎn)生較大差異，最終影響橋梁的順利合龍。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過程中，對主梁線形進行合理的分析與控制，是至關(guān)重要的。文章以貴州山區(qū)平永河特大橋為工程背景，對剛構(gòu)橋施工過程中的主梁線形進行分析與控制。

1 工程概況

貴州平永河特大橋是貴州山區(qū)高速公路上一個控制性工程，上部結(jié)構(gòu)采用主橋橋跨布置為(88+160+88)m的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)。箱梁截面采用單箱單室直腹板形式，頂板寬1 225 cm，底板寬625 cm。箱梁根部梁高970 cm，跨中及邊跨合龍段梁高400 cm，箱梁底板上緣及下緣均按1.8次拋物線變化。箱梁底板厚度從中墩根部125 cm9 漸變到跨中35 cm；箱梁頂板厚28 cm。箱梁腹板厚從70 cm過渡到50 cm。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺，1、2號墩采用空心薄壁墩(1#主墩墩高48 m，2#主墩墩高49 m)墩臺采用樁基礎(chǔ)。

箱梁橫橋向底板保持水平，頂板橫坡，由腹板高度的變化形成，橫坡-3.00%～2.67%。箱梁共分21個節(jié)段，其中1～19節(jié)段掛籃懸臂澆筑，20(20’)節(jié)段為中、邊跨合龍段，21’節(jié)段為邊跨支架現(xiàn)澆段。

2 有限元模型仿真計算

橋梁施工監(jiān)控的首要工作就是計算所監(jiān)控橋梁的理論應(yīng)力、位移等，以保證橋梁在施工過程中的科學(xué)性。本文采用大型有限元分析軟件Midas civil/2015進行仿真計算，并根據(jù)現(xiàn)場實測的主要參數(shù)(如混凝土強度、容重、彈性模量)、施工工序和工藝、臨時施工荷載和掛籃的結(jié)構(gòu)形式等，計算施工過程中各個施工工況下的內(nèi)力及撓度，為橋梁施工監(jiān)控提供理論數(shù)據(jù)。

為真實模擬該橋各個施工階段的變形及受力情況，采用Midas civil/2015將全橋模擬為空間梁單元，全橋共計130個梁單元，141個節(jié)點。該橋采用懸臂澆筑法進行節(jié)段施工，各節(jié)段施工考慮混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、掛籃前移三個工況，共劃分為70個施工階段。在結(jié)構(gòu)計算中，荷載主要考慮：自重、掛籃荷載、施工荷載、預(yù)應(yīng)力、混凝土濕重、收縮徐變、溫度荷載、合龍壓重、頂推力、二期恒載、移動荷載。

3 主梁預(yù)拱度設(shè)置

預(yù)拱度的確定是決定合龍精度和成橋線形的重要一環(huán)。而懸臂澆筑法是一種典型的自架設(shè)體系的施工方法，懸臂澆筑過程中已澆節(jié)段狀態(tài)是無法通過下一節(jié)段進行實時調(diào)整的，故需要采用預(yù)測控制法控制該橋主梁線形。將施工過程中以及運營后期影響主梁線形的因素進行考慮，并對影響主梁線形的誤差進行及時分析修正，最終通過在施工中對各個施工工況施加預(yù)拱度以控制主梁線形。影響主梁預(yù)拱度主要有表1中的幾種因素：

表1 預(yù)拱度影響因素

3.1 掛籃變形控制

掛籃作為懸臂澆筑法的臨時施工平臺，不僅關(guān)乎著施工安全和施工質(zhì)量，也加大了橋梁整體線形的控制難度，因此有必要在懸澆施工前，通過掛籃預(yù)壓試驗檢驗其剛度、強度、穩(wěn)定性，以及消除掛籃的非彈性變形，改善掛籃的工作狀況。該橋取混凝土自重、混凝土振搗荷載及人群機具荷載的1.2倍作為預(yù)壓荷載，分四級加載。測定試驗荷載下掛籃變形值18 mm，各節(jié)段掛籃變形值通過線形內(nèi)插法求得。

3.2 施工預(yù)拱度

施工預(yù)拱度的設(shè)置是為了抵消施工過程中上表中各種因素對主梁線形產(chǎn)生的影響，保證橋梁順利合龍和成橋線形達(dá)到理想狀態(tài)。一般在懸臂澆筑前準(zhǔn)確確定各施工階段下?lián)现凳谴_定施工預(yù)拱度的關(guān)鍵，施工預(yù)拱度計算至橋面鋪裝即可。該橋施工預(yù)拱度的計算采用絕對撓度法，即各個節(jié)段撓度相互獨立，各個節(jié)段撓度等于本階段施工產(chǎn)生的撓度，后序節(jié)段的施工不受已澆節(jié)段施工誤差的影響，任一節(jié)段的立模都是對先前施工節(jié)段誤差的一個修正。施工預(yù)拱度計算結(jié)果一般通過Midas civil進行正裝計算，逐段累加所得，施工預(yù)拱度圖如圖1所示。

圖1 主梁各節(jié)段施工預(yù)拱度

3.3 成橋預(yù)拱度

在運營階段，橋梁在長期荷載作用下(混凝土收縮徐變、溫度作用、基礎(chǔ)變位、預(yù)應(yīng)力損失)，主梁會產(chǎn)生向下的撓度，如果撓度過大，就會影響行車舒適感，甚至?xí)＜靶熊嚢踩壳按蠖鄶?shù)采用提前設(shè)置成橋預(yù)拱度以解決主梁長期下?lián)系膯栴}。成橋預(yù)拱度一般有三種計算方法：規(guī)范法、經(jīng)驗法、模型法。規(guī)范法即依據(jù)我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》：按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度小于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長期上拱值時，可不設(shè)預(yù)拱度；按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度大于預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長期上拱值時，預(yù)拱度值按荷載短期效應(yīng)組合計算的長期撓度與預(yù)加應(yīng)力長期上拱值之差采用。模型法即依據(jù)有限元軟件計算，考慮成橋后各種因素的影響，導(dǎo)出各梁段結(jié)果數(shù)據(jù)。經(jīng)驗法主要考慮后期混凝土收縮徐變的影響，而混凝土的收縮徐變對橋梁運營期間的影響程度停留在定性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，定量計算公式依然處于研究盲區(qū)；現(xiàn)通常根據(jù)對已建橋梁長期下?lián)狭康难芯浚捎媒?jīng)驗確定跨中最大預(yù)拱度，按二次拋物線或者余弦曲線向全橋分配。

綜合分析后，本文選取余弦曲線分配法對主梁各節(jié)段成橋預(yù)拱度進行計算：中跨最大預(yù)拱度取1/1 200中跨跨徑與1/2活載撓度之和，邊跨最大預(yù)拱度取1/4中跨最大預(yù)拱度值，然后將各節(jié)段預(yù)拱度按余弦曲線函數(shù)進行計算。限于篇幅，本文僅列舉部分節(jié)段成橋預(yù)拱度計算結(jié)果(見表2)。

表2 1#主墩10#～19#節(jié)段成橋預(yù)拱度 mm

4 主梁線形分析與控制

4.1 立模標(biāo)高監(jiān)測

立模標(biāo)高的確定是決定著主梁線形的重要影響因素，是橋梁施工監(jiān)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。立模標(biāo)高是監(jiān)控單位以各節(jié)段設(shè)計標(biāo)高為基準(zhǔn)，綜合考慮預(yù)拱度以及施工誤差，也是指導(dǎo)梁段施工的一項重要工作。主梁立模標(biāo)高計算公式為

H立模=H設(shè)計+f預(yù)+f誤差

(1)

立模標(biāo)高的影響因素比較多，施工誤差的出現(xiàn)也不可避免。考慮到主梁線形受日照溫度場影響較大，一般在一天中溫度場較為穩(wěn)定的時間段內(nèi)進行調(diào)整立模標(biāo)高。一般為了保證合龍精度，需將實際立模標(biāo)高與理論立模標(biāo)高控制在5 mm以內(nèi)。

4.2 主梁高程控制點監(jiān)測

主梁高程控制點的監(jiān)測的目的是為了真實反映橋梁在建設(shè)過程中各工序前后主梁撓度變化情況，方便將其與理論值進行比較，從而進行誤差分析與調(diào)整。對于懸臂澆筑法施工的橋梁，一般在立模標(biāo)高確定后，需對正在施工的節(jié)段進行三次觀測：混凝土澆筑前、混凝土澆筑后(預(yù)應(yīng)力張拉前)、預(yù)應(yīng)力張拉后。此外，應(yīng)定期校核墩頂水準(zhǔn)點高程、墩身垂直度和基礎(chǔ)沉降。標(biāo)高觀測要避開高溫時段，使結(jié)構(gòu)大致處于均勻溫度場狀態(tài)下。高程控制點一般設(shè)置在頂、底板距節(jié)段前端10 cm處，每個控制點處布設(shè)一根高出混凝土表面大致3 cm的鋼筋頭，并噴注紅漆標(biāo)記。限于篇幅，本文僅選取1#主墩部分主梁節(jié)段施工后的底板高程實測值與理論值(見表3)。

表3 1#主墩節(jié)段施工后的底板高程理論值與實測值對比 m

由表3可知：在主梁各節(jié)段懸臂施工過程中，主梁底板高程與理論預(yù)測大致符合。由于越接近最大懸臂狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)位移非線性變化越強烈，箱梁底板高程控制點實測值與理論值差值越大，最大差值為14 mm，符合規(guī)范控制要求(15 mm)。

4.3 成橋結(jié)果分析

通過對主梁預(yù)拱度的準(zhǔn)確給定及立模標(biāo)高及時調(diào)整，使得在橋梁合龍前合龍口兩側(cè)主梁相對高差不大于2 cm，滿足設(shè)計規(guī)范要求的合龍精度。在該橋合龍后對全橋各高程控制點進行通測(詳見圖4)，經(jīng)分析得出：主梁線形流暢平順，與成橋目標(biāo)吻合較好。

圖4 平永河特大橋成橋后主梁高程線形圖

5 結(jié) 論

本文采用預(yù)測控制法對該橋進行線形分析與控制，得出以下結(jié)論。

(1)線形控制的核心就是考慮各種因素對主梁產(chǎn)生的撓度影響，及時識別修正誤差，從而對懸臂施工中的主梁預(yù)拱度進行控制，使主梁線形控制取得良好效果，保證橋梁合龍精度。

(2)運用有限元計算分析軟件Midas civil對橋梁施工預(yù)拱度進行計算，采用余弦曲線分配法對成橋預(yù)拱度進行設(shè)置，從而保證預(yù)拱度計算的準(zhǔn)確性。

(3)監(jiān)控過程中，立模標(biāo)高精度需控制在5 mm內(nèi)，同時應(yīng)對施工中的節(jié)段高程控制點進行三次觀測，從而能夠?qū)φ`差進行有效的識別分析，為后續(xù)節(jié)段的立模標(biāo)高提供有效的數(shù)據(jù)，保證主梁實際高程與理論高程相符。

(4)現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果表明：合龍口兩側(cè)相對高程控制在2 cm以內(nèi)，符合監(jiān)控合龍精度；成橋后，主梁線形美觀平順、與目標(biāo)線形吻合較好。