大跨徑預應力混凝土連續剛構橋懸臂施工線形控制分析

于松波

(陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

預應力混凝土連續剛構橋因其結構形式簡單、受力合理、適應性強等原因在很多橋梁建設中得到應用。但在施工過程要確保橋梁線形和結構受力滿足設計與規范要求，因為施工環境和橋梁本身特點的不同，影響橋梁線形和結構受力的因素復雜多變，應對橋梁施工過程開展橋梁線形和結構受力等內容的研究分析，以確保橋梁線形順暢穩定和結構安全。

1 工程概況

連霍高速西寶高速公路改擴建項目涼泉村大橋為預應力混凝土連續剛構橋，橋梁全長336 m，主橋上部結構為(65+120+65)m三跨預應力混凝土剛構連續梁，由單箱單室變截面組成。箱梁根部高度7.2 m，跨中梁高3.0 m，期間梁高按1.8次拋物線變化，箱梁頂板寬15.9 m，底板寬8.4 m，頂板厚0.32 m，底板厚由跨中跨中0.32 m按1.8次拋物線變化至根部0.9 m，腹板厚跨中段為0.55 m，根部變為0.70 m，漸變段長4.0 m。

橋墩頂部范圍內箱梁頂板厚0.50 m，底板2#墩頂厚1.20 m，3#墩頂厚1.5 m，腹板厚0.90 m，橋面橫坡采用不同腹板高度予以調整。主橋箱梁除墩頂快件外，各單“T”箱梁均采用掛籃懸臂澆筑法施工，分14對梁段。橋墩墩頂快件長12.0 m，中孔合龍段長2.0m，邊孔現澆段長3.8 9m，邊孔合龍段長2.0 m。主梁采用縱、橫、豎向三向預應力體系，該橋通過自適應控制法進行橋梁施工監控。

2 橋梁線形有限元分析

2.1 計算模型建立

為簡化計算，采用平面桿系簡化模擬(65+120+65)m的橋梁主橋結構，建立MIDAS/CIVIL(V8.2.1)三維計算模型，共分為94個單元，其中主梁82個單元，橋墩12個單元。邊界條件為：2#墩梁固結，3#墩采用支座連接，墩底剛接，不考慮樁基變形。考慮混凝土5年的收縮徐變影響，將建設期間最低的早晨溫度作為模擬計算溫度，不考慮梁體內溫度梯度變化的影響。主橋為橫向、縱向、豎向三向預應力體系，在模擬計算時只考慮縱向預應力，忽略計算豎向、橫向及普通鋼筋的影響。整個模擬過程一共包含78個施工階段、1個運營階段，合攏順序為先邊跨后中跨，采用正裝分析法進行計算分析。計算參數按照實際設計參數選取，計算模型如圖1，圖2，圖3所示。

圖1 懸澆施工階段三維數值模型

圖2 大里程邊跨合龍階段三維數值模型

圖3 小里程邊跨、中跨合龍階段三維數值模型

2.2 橋梁結構變形分析

橋梁懸臂施工過程中主要控制的結構變形階段為：最大懸臂階段、順利合龍后及成橋，三個階段的最大結構變形直接決定著橋梁線形是否滿足設計要求。

通過仿真模擬分析，得出三階段情況下橋梁結構累計變形規律見圖4。結合數值分析結果和大量工程實踐，通過對涼泉村大橋進行驗算，該橋邊跨的成橋預拱度設置為20 mm，預拱度最大值設置在活荷載影響下的最大撓度截面處(距梁端20 m)，在各跨中位置的成橋預拱度設置為80 mm。各孔預拱度按余弦曲線在孔內其他點分配，各測點預設預拱度值見圖5所示。

注：帶“’”號塊為邊跨方向，不帶“’”號塊為中跨方向圖4 預應力連續剛構橋結構累計變形圖

圖5 各測點預設預拱度

3 橋梁施工線形控制

3.1 立模標高確定

在預應力連續剛構橋懸臂施工過程，通過設定立模標高來控制橋梁線形，實時監測控制結構標高，確保橋梁線形滿足施工要求，立模標高計算見式(1)

Hlm=Hsg+Hypg+Hgl

(1)

式中：Hlm為立模標高，m；Hsg為設計標高，m；Hypg為理論預拱度值，m；Hgl為掛籃變形值，m。

通過模擬計算的理論預拱度值和掛籃靜載試驗得到全橋立模標高，本文僅對個別截面立模標高予以列出，見表1。

表1 全橋立模標高

3.2 現場施工監測

科學可靠的監測成果是達到最優控制的基礎條件，高程觀測的數據成果用來對成橋線形進行實時監控。涼泉村大橋各懸臂施工梁段變形觀測點布置如圖6所示，在每一個懸臂澆筑箱梁節段頂板各布設3個測點，觀測點沿箱梁中線對稱布設，測點距節段前端面20 cm。懸澆箱梁節段的變形觀測點不僅是控制箱梁中線平面位置的觀測點，同時也是箱梁的標高控制點、撓度變形觀測點。

為最大可能的避免溫度的影響，橋梁結構的撓度觀測應在太陽未出來之前的早晨進行。在監測過程中，混凝土澆筑后、預應力張拉后、合龍前后各階段各工況的撓度監測是重點。

圖6 懸澆階段變形觀測點布置示意圖

(1)橋梁線形監測結果分析

梁體結構變形隨著施工的進行，因受各種因素的影響而處于不斷變化狀態。對橋梁線形監測取得的數據進行分析總結，得出的實測變形規律與數值模擬理論值進行對比分析，依此對橋梁施工進行信息化指導，確保橋梁線形符合設計要求。由于本文篇幅有限，本章只給出懸臂澆筑完成后和合龍后的梁體撓度變化規律。

懸臂階段撓度監測分析

懸臂階段施工結束進行高程量測，測出的高程與裸梁設計高程相比，得出各位置實測撓度與理論撓度之差，詳見表2。

表2 涼泉村大橋懸臂施工觀測成果表

由表2分析可知，涼泉村大橋懸臂施工最大撓度誤差為13 mm，位于右幅1#～2#懸臂階段，滿足精度±15 mm的要求。

(2)合龍階段撓度監測分析

對懸臂結構出涼泉村大橋合龍后裸梁高程控制結果詳見表3、表4。

表3 涼泉村大橋左幅合龍后裸梁高程控制結果

表4 涼泉村大橋右幅合龍后裸梁高程控制結果

由表3，表4可以看出，涼泉村大橋主橋合龍之后裸梁頂實測標高和期望預拋高之間的最大正誤差：16mm，誤差值小于規范要求值。主要原因是箱梁頂板混凝土收面時控制不嚴格，造成局部梁段頂板厚度不均勻所致。總體而言，該橋裸梁梁頂線形滿足期望值(誤差小于20mm)，主橋懸澆箱梁未出現明顯的線形不順暢現象，線形控制良好。

(3)成橋監控結果分析

在主橋主梁合龍后，對裸梁標高進行了聯測，根據實測標高并兼顧通車運營舒適性，參考同類高速公路橋梁經驗，對涼泉村大橋橋面施工標高進行了重新擬合，給出了大橋鋪裝層施工時的控制標高，涼泉村大橋擬合線形如圖7，圖8所示。

圖7 左幅擬合線形

圖8 右幅擬合線形

分析圖7、圖8的橋梁線形監控結果可知，進行實測標高時設置了結構的預拱度，比設計標高要高，同時與理想預拱度十分接近。由理論分析可知，預應力損失、砼收縮徐變等因素的影響作用下，橋梁在通車后隨著時間的推進，其跨中截面將會發生下撓現象，該現象恰好與成橋線形和設計線形的偏差相反，將會使懸臂施工的橋梁成橋線形與設計線形更加吻合。故涼泉村大橋的線形控制滿足施工及成橋后運營適用性的要求。

4 結 論

通過數值分析、現場監測、理論計算相結合的手段，對涼泉村大跨徑預應力混凝土連續剛構橋橋梁線形控制進行研究分析，得出了以下結論。

建立了MIDAS/CIVIL(V8.2.1)懸臂施工三維模型，進行了主橋橋梁懸臂施工階段、合龍階段、成橋狀態下的橋梁結構累計變形規律分析，給出了懸臂施工各測點預設拱度。

結合數模分析結果，以及掛籃靜載試驗，通過理論計算給出了懸臂施工立模標高。

進行懸臂階段、合龍階段、成橋后線形現場觀測，并對監控數據進行分析，懸臂施工最大撓度誤差為13 mm，滿足精度±15 mm的要求；裸梁梁頂線形滿足期望值(誤差小于20 mm)，主橋懸澆箱梁未出現明顯的線形不順暢現象，線形控制良好。