大跨度非對稱不平衡曲弦鋼桁加勁連續梁應力監控

文／黃錚 上海華東鐵路建設監理有限公司 上海 200071

1、引言

鄭阜高鐵跨泉河（45+75+172+75+45）m 曲弦鋼桁加勁連續梁是國內首座五連跨三折線、非對稱不平衡、采用漂浮結構設計的大跨度曲弦鋼桁加勁連續梁，并應用了溫度限位器和速度阻尼器等多種新技術。主跨和兩個邊跨各為一段直梁，主跨和邊跨之間折角為179°。

橋梁實景見圖1所示。

圖1 跨泉河（45+75+172+75+45）m 曲弦鋼桁加勁連續梁

2、施工應力監控理論

2.1 施工應力監控的必要性

設計時已經考慮了施工中可能出現的情況，但由于施工中出現的內外因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變、預應力、結構自重、施工荷載、溫度影響等)的綜合影響，事先難以精確估計，而且在實際施工過程中產生的誤差，使實際應力監控測量值難以完全與設計理論值相一致。如果主梁的結構應力偏離設計值時，會造成合龍困難或影響成橋后結構的應力和線形。特別是拆除主梁支架和懸臂澆筑過程中，當其偏離較大時，會出現結構的應力聚積超限現象，從而使結構破壞發生嚴重的安全質量問題。因此必須對應力進行全程監控，依據監測情況的反饋，來調整和指導現場作業。

2.2 施工應力監控的原理

施工內應力的監控原理是采用一定的檢測工具（如應力元件，應力數據采集設備等），對梁體各節段施工工況、主梁部分控制斷面的應力、結構的溫度場、環境氣溫等的監測以及對混凝土材料的常規試驗。在每一工況結構的監測數據反饋后，對誤差原因進行綜合分析，作出判斷，盡量消除造成誤差的原因，為指導下一階段施工提供理論依據。

2.3 施工應力監控的目的

應力監控的目的就是通過對工況下梁體應力的實際監測數據的理論分析和結構驗算作比較，分析橋梁施工誤差狀態，采用應力監測體系對各節段施工狀態進行安全度評價和災害預警。

2.4 施工應力監控的內容

對于本曲弦鋼桁加勁連續梁來說，主要通過現場對混凝土連續梁各節段的應力監測和鋼桁梁拼裝過程中主要桿件的應力監測，以及成橋后整體橋梁的各監測點的監測，對各節段的監測數據進行分析和計算，并與本橋根據設計理論值建立的模型相比較，找出誤差和分析產生的原因。在這一基礎上，為糾偏和指導下一步施工提供依據，以最終達到與設計值相吻合。

3、計算模型和監控方法

3.1 計算模型的建立

采用非線性計算模型。分析模型采用空間模型，采用Midas gen8.36 有限元軟件進行分析。

設計的計算過程與施工中的計算過程并不完全相同，且可能存在著計算工具和計算方法的不同。為實現施工工況與設計意圖的一致性，首先要校核現場監控、監測數據與設計理論計算數據的閉合性。如圖3.1所示。

圖3.1 監控數據計算校核

依據設計文件及施工圖等相關資料，建立施工控制的計算模型(a)，引用設計給出的相關參數(B)和設計計算的假定施工時間(C2)進行檢算，校核設計計算結果與施工控制計算結果，分析兩者在計算模型(a A)及施工方法模擬(c1 C1)間的實質性差異。只有兩者無實質性差異的情況下，施工監控、監測的實施才具有現實意義。

3.2 梁的應力監測

1.主梁混凝土應力監測測點布置：

全橋監測點均為縱向（順橋向）布置，全橋共153 個埋入式應變傳感器。傳感器預埋截面見圖3.2.1-1。其在每個截面上的預埋位置如圖3.2.1-2所示。

圖3.2.1-1 應變控制截面示意圖

圖3.2.1-2 主梁應變測點布置

2．鋼桁架測點布置：

上弦桿和大腹桿的交點處布置測點，桁架為對稱結構，對稱位置測點一樣。在焊接結構連成整體前，確保實測的測點三維坐標誤差滿足規范及設計圖紙的要求。并在后續的拼裝過程中，監測測點的三維坐標來監測桁架的線形情況。測點布置如圖3.2.2-1所示。

圖3.2.2-1 鋼桁應變測點布置

測試采用JMZX-300X 綜合測試儀和JMZX-215 智能弦式數碼應變計對梁體應力進行檢測，技術參數指標見表3.2.2-2。

表3.2.2-2 技術參數指標

4、施工應力控制誤差分析

由于測試數據的不足，且干擾因素較多，對誤差值的成因分析一直是施工監控中的難題，尤其對結構相對復雜、跨度較大的橋梁，單靠三維坐標位置測量和結構應變測量還不足以推斷其成因。為實現深度分析，獲得更加準確的分析結果，需要采取內力監控的方法。

4.1 結構剛度誤差

橋梁結構剛度誤差產生的主要原因有兩點：首先是混凝土彈性模量的變化，其次是梁體截面尺寸的變化。連續梁梁體剛度越大，梁體變形越小，預應力束張拉過程中梁體的變形量越小，由以上可知，梁體結構剛度的誤差對施工質量的危害不大。

4.2 橋面臨時荷載影響

橋面上施工荷載的影響與混凝土超欠方引起的荷載相似，主要表現為對梁體產生不平衡彎矩，一類為相對固定的，即短時間內不發生位移的物體，如壓漿機、卷揚機，固定的配電箱，圍欄等；另一類相對隨機，如作業人員，移動機具，運輸材料的設備等。

4.3 澆筑混凝土誤差

混凝土澆筑產生的誤差，即混凝土施工中出現超方或欠方的現象，這種誤差是很難避免的，產生的主要原因有以下方面。一是由于安裝模板不夠精確導致結構的尺寸出現誤差；二是由于施工過程中模板的變形引起的誤差；三是混凝土的容重變化而引起的誤差。混凝土施工產生的誤差對連續梁施工階段內力的影響比較大，尤其是產生不平衡彎矩時，將影響結構的穩定性和安全性，因此當混凝土誤差超出一定的范圍時，需要采取配重措施以恢復其體系的平衡狀態。

4.4 預應力束張拉力誤差

預應力束的張拉力誤差主要有兩個原因，一是張拉千斤頂和壓力表等預應力張拉機具未正確校驗，壓力表讀數產生誤差。二是在張拉過程中，預應力損失較大。預應力損失原因如下：①混凝土彈性模量的徐變、壓縮和收縮；②鋼絞線預應力松弛；③混凝土養護時，溫差引起的損失；④錨具的滑移和變形；⑤預應力孔道摩阻。三是人為因素，如技術人員計算的方法和計算的精確度，張拉工操作的熟練程度等。

預應力不足會影響結構的剛度、易使主梁混凝土開裂導致承載力下降，甚至結構破壞，無法正常使用。對照預應力束張拉力誤差產生原因，采取如下方法消除預應力誤差：一是選擇變形小的錨具，采用頂壓措施減少錨具內縮；二是加強混凝土原材的選擇和澆筑、養護的控制，并推遲預加應力齡期；三是加強張拉順序和張拉過程的控制，標定、檢查油泵、油表、油管及千斤頂，避免張拉應力過大導致較大的預應力損失；四是作業時，檢查、疏通孔道，減少孔道摩阻。

4.5 環境溫度和結構溫度的影響

溫度及其變化對結構施工是有影響的，外界環境溫度是持續變化的，同時結構各部分的溫度也是不一樣的。通常在結構計算時，將溫度及其變化作為修正因素，而不是把溫度因素當作一個工況考慮。由于結構溫度的量測比較困難，通常只量測環境溫度。

4.6 鋼桁架安裝誤差

為了減少鋼桁安裝對橋梁結構產生的誤差，鋼桁采用工廠預制生產現場拼裝的方式，但是制造和安裝產生的誤差仍然無法避免。

鋼桁結構是采用節點板連接兩相鄰的桿件單元，桿件在工廠中加工會存在誤差，預埋在梁體內的節點板受施工因素的影響也會存在誤差，桿件和節點板在吊裝連接時會產生誤差積累，從而導致節點板的孔位中心與高強螺栓的中心不能重合，其次節點板和桿件沒有完全接觸或接觸不夠均勻也會產生安裝誤差，這類在拼裝過程中才產生的誤差定義為安裝誤差。因此必須考慮安裝誤差對鋼桁結構內力的影響。

5、實測數據與理論分析

為更好地掌握梁體的內力變化情況，在施工過程中及時對各節段進行了應力監測，并與理論計算進行對比分析，以保證結構的受力始終處于安全的范圍內，保證成橋后結構內力與設計要求相吻合。實測數據與理論分析如下：

由圖5-1 和圖5-2 可知，560#主墩節段懸澆施工過程和合龍后，橋梁內力的變化趨勢與理論相符，變化范圍在理論計算范圍之內，符合設計要求。另一主墩559#墩內力變化情況亦符合設計要求，在此不再贅述。

圖5-1 560# 墩主跨節段施工應力變化曲線

圖5-2 560# 墩邊跨節段施工應力變化曲線

圖5-3 應力理論值變化曲線

圖5-4 應力實際值變化曲線

由以上兩圖可知，應力監控技術在施工中的應用，很好地控制了非對稱不平衡曲弦鋼桁加勁連續梁各節段的施工內力；采用施工前建模和理論分析，施工中對各預埋觀測點進行數據采集，通過施工中梁體實際內力變化與建模和理論分析的對比，及時調整誤差，達到了較好的控制該類橋梁施工質量的目的，對于類似結構的橋梁施工具有一定的借鑒意義和參考價值。

6、成橋后梁體的內力狀態分析

成橋后主梁關鍵截面實際應力值與理論計算相符合，主梁全部合龍完成體系轉換之后，結構整體受力比較均勻，結構處于安全范圍之內。