某跨線懸澆梁施工變形監(jiān)測與數值模擬對比分析

王 江 班 鵬 伍勁松 張?zhí)鞂?王 倜

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

近年來，我國橋梁建設飛速發(fā)展，作為道路交通工程的重要連接通道，其安全可靠性尤為重要，國內眾多學者從風險評估、橋梁健康監(jiān)測、橋梁存在的問題和對策、BIM技術的應用和新測量方法的應用等方面提出不同的看法和研究[1-7]。懸澆梁施工工藝復雜、不確定性因素眾多，為保證懸澆梁結構運營的安全性、耐久性以及行車舒適性等，實施過程監(jiān)測十分有必要。以武漢北四環(huán)線某跨線懸澆梁工程為背景，結合數值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，采用自適應控制的思路對施工過程進行實時糾偏，有效地指導了現(xiàn)場施工調整作業(yè)，保障了懸澆梁安全施工及精準合龍。

1 工程概況

該懸澆梁施工場地位于某天然湖泊邊緣，為跨度38 m＋65 m＋38 m的變截面連續(xù)箱梁，全橋劃分為0#～12#節(jié)段，每節(jié)段長2～7 m，墩柱高20 m，跨越現(xiàn)有機場二通道高架橋，施工期間多雨天，對交通安全通行以及施工場地有較高要求。

懸澆梁段地基下伏軟土層，成因主要為沖積、湖積，地層巖性由淤泥、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土和淤泥質粉土等組成，呈軟塑-流塑狀，埋深2.00～9.00 m。懸澆梁空間位置如圖1所示。

圖1 懸澆梁空間位置示意（單位：cm）

2 選定結構參數與建立計算模型

2.1 邊界條件及結構參數

橋梁的主墩頂中心節(jié)點在懸臂施工階段，采用臨時固結施工，當臨時固結約束釋放后，釋放縱橋向轉動約束及水平向約束，同時為保證模型不出現(xiàn)剛體位移，在中跨跨中節(jié)點約束水平向位移；邊墩處節(jié)點在固結約束的基礎上釋放水平向及縱橋向轉動約束。邊跨直線段支架采用豎向約束邊界條件代替，待邊跨合龍張拉后釋放該約束。施加應力時分階段施加自重（自重系數取－1.04）、二期恒載101.7 kN/m、預應力荷載（按圖紙控制）、掛籃荷載。掛籃荷載（包括兜底防護）按660 kN集中力、217 kN·m的力矩施加在懸臂端。中跨合龍吊架按400 kN集中力施加（兩側各200 kN），勁性骨架按84 kN集中力施加（兩側各42 kN）。

2.2 模型建立

根據設計圖紙，主梁38 m邊跨段有9個懸臂現(xiàn)澆段，65 m中跨段有18個懸臂現(xiàn)澆段，2個邊跨和2個中跨合龍段將主橋離散成58個單元，梁段截面參數按設計圖紙設置，預應力鋼束共206束，計算模型如圖2所示。

圖2 變截面連續(xù)箱梁主橋計算模型

3 監(jiān)測與模擬數據分析

3.1 監(jiān)測方案

大跨度橋梁施工過程復雜，不確定因素眾多，為保證結構質量并便于過程糾偏，過程監(jiān)測十分重要。該工程監(jiān)測主要包括主梁應力、應變以及幾何線形監(jiān)測。

3.1.1 主梁變形監(jiān)測

在每一梁段懸臂端（距前端10 cm處）設立2個標高觀測點，測點用短鋼筋預埋，伸出混凝土面1.5～2.5 cm，并用紅油漆標明編號。在7：00和17：00以后用精密水準儀測量測點標高，上、下游觀測點作為長期監(jiān)控觀測點，在監(jiān)測過程中加強觀測點的保護，監(jiān)測點位置如圖3所示。

圖3 梁段撓度測點斷面布置示意

3.1.2 主梁應力監(jiān)測

本次監(jiān)測擬選用型號為JMZX-215型混凝土鋼弦式應變傳感器作為混凝土內部埋入式鋼弦計，配合使用綜合測試計，以測得的測點應變，通過換算得出測點的應力值。根據結構的受力變形特點，測試預應力混凝土箱梁結構的縱向應力最重要，縱向箱梁應力測試截面選擇在懸臂施工的各個“T”構的根部和合龍口附近。測試截面共有5個，1#、2#、4#、5#截面有6個監(jiān)測點，3#截面有4個監(jiān)測點，各測試截面布置情況如圖4所示。

圖4 應力監(jiān)測布置示意

3.2 主梁應力分析

3.2.1 主梁恒載內力計算分析

對于該橋梁結構的成橋狀態(tài)，恒載內力包括橋梁自重、二期恒載、預應力荷載和掛籃荷載。對該橋梁進行內力計算可以發(fā)現(xiàn)，橋梁施工過程中的每一段均呈倒“V”形波動，究其原因，是現(xiàn)澆段施工懸臂變形所致。在第15節(jié)段和第45節(jié)段附近發(fā)生了較大的軸力突變，該處正好位于橋墩附近，由于橋墩的支撐作用，豎向力發(fā)生較大變化，對應的彎矩反而比較小。

3.2.2 主梁應力分析

由圖5中的主梁應力模擬值變化情況可以發(fā)現(xiàn)，應力值變化趨勢呈對稱的“V”字形，0#～17#單元與30#～43#單元應力呈遞增趨勢，在17#單元與43#單元處應力驟減，究其原因，主要是17#單元與43#單元位于兩墩柱附近，墩柱的支撐力導致應力減小，隨著邊跨的施工，懸澆段離墩柱越來越遠，應力逐漸增大。18#單元與44#單元應力范圍為－6.39～－4.45 MPa，2#與5#監(jiān)測值范圍分別為－3.06～－1.59 MPa、－6.30～－4.68 MPa，結構施工應力均處于正常范圍內。在30#單元附近，應力值處于一段“平行區(qū)”，為－7 MPa，3#現(xiàn)場監(jiān)測值范圍為－4.22～－2.69 MPa，小于模擬值，說明0#段結構施工應力處于正常范圍內。根據現(xiàn)場監(jiān)測，1#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－1.51～－0.71 MPa，2#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－3.06～－1.59 MPa，3#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－4.22～－2.69 MPa，4#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－5.34～－3.75 MPa，5#監(jiān)測點根部上緣應力值范圍為－6.30～－4.68 MPa。通過應力實測值與模擬值對比分析可以發(fā)現(xiàn)，實測值均在模擬值范圍內，滿足施工的要求。

圖5 主梁應力模擬值分布

3.3 主梁變形分析

3.3.1 預拱度

根據上述建立的模型，計算每個施工節(jié)段不同工況下的結構響應以獲得計算預拱度，施工過程中考慮的因素有：箱梁結構自重、預應力效應（縱向預應力效應）、混凝土的收縮徐變、掛籃質量及合龍階段的平衡配重、成橋階段結構體系轉換、體系轉換后的預應力及混凝土收縮徐變引起的二次內力、二期恒載等。

在施工過程中，根據現(xiàn)場實際情況及各施工節(jié)段撓度的變化等，采用最小二乘法等控制理論方法對下一施工階段的預拱度進行預測，在施工過程中進行不斷調整，在下節(jié)段掛籃定位前及時報送施工立模的標高指令表。其施工預拱度分布情況如圖6所示。

圖6 預拱度分布

由圖6可知，0#塊成橋預拱度最大值為35 mm，在兩橋墩處成橋預拱度值最小，幾乎為0，兩邊跨施工預拱度與成橋預拱度呈相反趨勢。

3.3.2 位移

通過計算，并將結果與圖7對比可以發(fā)現(xiàn)，撓度均滿足規(guī)范要求。從數值模擬可以看出，施工自重、預應力、掛籃托架、墩身固結以及二期恒載都影響著橋梁結構的變形，其中墩身固結的拆除對結構位移變化的影響最大。隨著節(jié)段的施工，施工自重逐漸變大，施工階段的位移（變形）也不斷變大，且變形的速率呈上升趨勢；而每個階段預應力的張拉使得變形相對減小，對結構線性的保持有正面影響，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在施工過程中需要加強預應力施工工藝的規(guī)范性，以此保證施工質量的可靠性，同時需要注意墩身固結拆除對結構的影響。

圖7 二期恒載結構變形

3.3.3 成橋梁面線形控制

中跨合龍完成張拉后，全橋線形已基本定形，此時進行全橋線形通測，將實測平均高程、設計高程繪制成曲線，以便于直觀了解全橋線形（圖8）。由圖8可知，實測高程與設計高程基本平行，最大相差28 mm，平均相差21 mm，滿足設計不超過橋長1/5 000，即28.2 mm的要求[8]。

圖8 成橋梁面線形

4 橋梁施工參數識別控制框架

橋梁施工過程以理想成橋狀態(tài)為目標，通過結構的倒拆計算等方法確定橋梁結構各施工階段的理想狀態(tài)。結構參數是施工控制中進行結構施工模擬分析的基本資料，主要包括構件截面尺寸、材料彈性模量、容重、收縮徐變系數、熱膨脹系數、施工荷載和預加應力等，其正確性直接影響分析的結果。為了在施工中不斷修正因設計參數的誤差而導致的各個控制項目的失真，對設計參數進行識別是必需的。

因橋梁施工偏差在事后無法調整，故正確的超前預報尤為重要[9-10]。根據現(xiàn)場監(jiān)測值對設計參數進行修正并反饋到控制計算中，通過動態(tài)調整結構應力、變形等理論期望值來減小偏差，保證橋梁施工質量。根據以上分析，提出橋梁施工參數識別控制系統(tǒng)，其流程如圖9所示。在懸澆梁位移監(jiān)測中進行參數識別，在各節(jié)段預應力張拉前進行位移監(jiān)測，對設計參數進行適當修正并反饋到控制計算中，重新給出變形理論期望值，以此循環(huán)直至施工結束。

圖9 橋梁施工參數識別控制系統(tǒng)流程

5 結語

通過現(xiàn)場檢測技術以及數值仿真技術，并結合現(xiàn)代控制理論，考慮預應力、二期恒載、混凝土收縮、徐變、掛籃和溫度等施工影響因素，對懸澆梁進行了全過程動態(tài)模擬和監(jiān)測，得到以下結論：

1）通過對監(jiān)測數據與數值模擬進行對比分析，對懸澆梁施工過程進行動態(tài)調整，主梁的應力狀態(tài)和成橋后的主梁測試標高均滿足設計要求，總體線形平順。

2）通過分析識別結構理想狀態(tài)與現(xiàn)場實測狀態(tài)的差異性，提出了“施工—測試—判斷—修正—預告—施工”的動態(tài)控制框架體系，對結構進行前期預報和后期調整，實現(xiàn)了施工動態(tài)管理。

3）建議全橋設置永久觀測點，運營過程中監(jiān)測主梁撓度變化；主要控制斷面設置應變觀測點，運營過程中監(jiān)測控制斷面的內力變化，為橋梁的養(yǎng)護提供數據資料。