基于高墩大跨連續剛構橋懸臂掛籃施工線形控制研究

劉錫良

(浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

山區橋梁中，預應力混凝土連續剛構橋是最為常見的一種橋型[1]，通常采用對稱懸臂澆筑法對其上部結構進行施工。對于高墩大跨徑連續剛構橋而言，施工階段和成型階段各種復雜原因的作用下，橋梁成橋線形都會產生一定程度的變形。橋跨彎曲變形的問題不僅影響橋梁表面質量和作業完成，還制約著橋梁受力結構與運營狀態。所以，橋梁施工的線形控制已成為必須面對且解決的問題[2-6]。李國平等[7]將現代計算機控制相關理論應用于大跨連續梁橋線形施工領域，提出一種最優控制的方法，橋梁施工期間成橋線形和運營狀態得到最佳控制。考慮實際施工現場各方面影響因素，選取控制狀態與變量、目標函數、確定最優實施線形曲線等，其研究理論與方法在橋梁施工中收到了不錯的驗證。馬顯紅等[8]以某一施工大橋作為研究對象，從混凝土彈性模量、預應力參數、溫度荷載等幾個方面分析對該橋梁施工控制精度的影響，搭建橋梁懸臂掛籃線形控制的數學分析模型。莊緒杰[9]通過使用midas Civil仿真軟件對張家洞大橋施工階段和成形階段進行線形和非線形穩定分析，分析墩混凝土強度等級、橫隔板的厚度及位置、風荷載等因素對研究橋梁高墩穩定性的影響。

1 大跨徑連續橋懸臂掛籃施工線形控制

1.1 大跨徑連續橋懸臂掛籃施工過程計算分析方法

將衢州特大橋作為工程依托，大跨徑連續橋梁在懸臂掛籃施工過程可利用midas Civil仿真軟件，進行線形、穩定性等一系列分析，完成懸臂掛籃施工的線形控制仿真[10，11]。目前對橋梁施工結構變形和受力分析計算方法，主要分為正裝計算法與倒裝計算法，正裝計算法即按照懸臂掛籃施工的作業順序進行結構變形及受力分析，而倒裝計算法則是按照懸臂掛籃施工的作業，倒拆順序分析不同階段的結構變形及受力情況[2，3]。使用正裝計算法和倒裝計算法的分析方法都假定一定的理想狀態，且都各有千秋。使用正裝計算法結構分析時，前提是荷載與位移處于理想狀態，而現實作業環境里，節點坐標跟著荷載變化不斷改變，如果只是使用正裝計算分析，則不能達到線形控制的效果。采用倒裝計算法對橋梁結構進行分析時，沒有考慮混凝土收縮的影響，也不能很好達到線形控制的目的[12]。因此在懸臂掛籃施工過程中，為了有效實現線形控制的效果，且滿足圖紙要求，取Hyjn=H1mm-fgi+fn作為主梁的初始標高；使用正裝計算法把初始標高作為初始點進行結構和力學變形的研究。實際上，由于非線形的影響，計算結果往往不收斂，正裝計算法不可能一次滿足設計要求，需重復新一輪的正裝計算步驟，直至計算結果收斂閉合，滿足設計要求。

1.2 成橋預拱度設置

(1)

1.3 施工現場監測

為確保現場撓度監測數據準確可靠，應選用測量精度高的水準儀，觀測時在主橋連續梁截面處選擇5個高程觀測點，將4個觀測點安裝在模板表面，調控立模的位置與標高[17]。3個安裝于梁頂表面，采集施工過程中梁體的位移數據，通過調整模板的標高預抬升量，從而能夠達到梁體高程監測的目的，現場高程觀測撓度位置布置圖見圖1。

圖1 高程觀測位置布置圖

圖1中，n1、n2、n3、ns表示立模控制監測點，其中n1、n2是監測調整底模的位置與標高，n3、n5是監測調整頂模的位置與標高的調整，通過全站儀監測調整立模的位置與標高；n3、n4、n5三處位置則觀測橋梁施工期間的結構變形情況。在橋梁施工過程中，觀測混凝土預應力張拉前后高程、澆筑前后高程的測試數據，可以實時采集不同截面施工結構變形數據與追蹤橋梁曲線變化情況，讓箱梁懸臂端的合龍精度與橋面線形時刻滿足設計需求。此外，在作業現場采集數據應當謹記規章事項：作業時需注意將平衡施工作為第一原則，避免因作業荷載與橋面雜物失衡導致數據不準確影響最終結論[19]。數據的采集應在作業當日早晨日出前實施，嚴禁在惡劣天氣環境下采集數據。

1.4 立模標高的確定

對高墩大跨連續剛構橋懸臂掛籃施工時，在某些范圍內，不同梁段立模標高取值正確與否直接制約主梁設計達標程度、線形平穩性。設置一定范圍的逆向拱度，減少完工后所出現的撓度變形，因此，橋梁的立模標高和設計標高會有一些范圍的偏差。確定立模標高應考慮多種因素的影響，為了減緩施工過程中發生的結構變形問題，提前設置逆向拱度。按照以下公式確定

h1mn=Hsjn+∑f1n+∑f2n+f3n+f4n+fgl

(2)

式中:H1mn表示n節點立模標高；Hsjn表示n節點設計標高；∑f1n、∑f2n分別表示n節點中各個節點自重以及張拉各個單元預應力形成的總撓度；f3n、f4n分別表示n節點混凝土收縮、漸變形成以及施工過程中臨時荷載形成的總撓度；fgi為懸臂掛籃載荷形成的撓度，可按照掛籃載荷-撓度曲線查找得到。而∑f1n+∑f2n+f3n+f4n之和即倒裝計算輸出結果中的預拱度，因此可由公式(3)及公式(4)得到預期標高Hyjn。

H1mn=Hsjn+fgl·

(3)

Hyjn=H1mn-fgl+fn·

(4)

式中:Hyjn為預期標高；fn為塊件澆筑后n節點的撓度。

懸臂掛籃施工產生的撓度一般分為階段撓度與累計撓度。階段撓度即某工序對施工過程產生的撓度，減緩混凝土收縮徐變對橋梁結構的影響。累計撓度即工程開始一定階段，橋梁結構變形和受力產生的總撓度，隨著時間加長，混凝土收縮徐變將逐漸加大，這是制約橋梁線形結構控制的重要因素。當施工過程中正確取值最大預拱度、立模標高等參數，則產生的撓度變形數據就可以理論計算得到并有效控制撓度范圍。通過對累計撓度進行對比研究，修訂混凝土收縮徐變取值范圍，從而累計撓度的參數模型滿足圖紙要求。施工監測過程中對各個施工環節、節點均進行了跟蹤測量，實時分析研究橋梁結構在各施工工況下的實際變形情況，同時比較分析理論計算數值，以便對誤差得到反饋控制。

2 實驗結果分析

2.1 大橋懸臂掛籃施工線形控制

衢州特大橋位于水庫下游約3.4 km處跨越江面，交叉角度接近正交，江面為不通航河流，橋位位于該鎮之間，有通往水庫的道路可直接到達橋位處。橋梁上部采用預應力混凝土連續T梁+預應力混凝土連續剛構箱梁組合的設計結構，引橋下部結構采用柱式墩、Y型墩配鉆孔樁基礎，主橋下部結構為薄壁空心墩配樁基礎組合的設計結構，上部結構全長540 m，跨徑布置為5×30 m(預應力混凝土連續T梁)+85 m(連續剛構)+160 m(連續剛構)+85 m(連續剛構)+2×30 m(預應力混凝土連續T梁)。研究對象左線沾益方向引橋位于曲率R=1 250 m的平曲線、回旋線長150 m末端(占回旋線長度為95.467 m)，主橋及會澤方向引橋均為直線段，縱坡為-2%；右線沾益方向引橋位于曲率R=1 100 m的平曲線、回旋線長150 m末端(占回旋線長度為93.529 m)，主橋及會澤方向引橋均為直線段，縱坡為-2%。對所研究的大橋懸臂掛籃施工進行線形控制，依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范JTC D60-2015》，對計算模型的參數進行取值計算：由該公路設計計算報告可知，①公路荷載等級為：公路—I級；②車道系數為：二(三)車道；③中跨活載最大撓度為：d2=2.18 cm。

故此可由公式(5)計算出中跨最大預拱度

=0.1 m+0.021 8 m2=0.110 9 m

(5)

由公式(5)計算可得中跨預拱度為110 mm，邊跨預拱度一般為中跨最大預拱度的25%，則該大橋邊跨預拱度取值29.8 mm，橋梁其他坐標點的預拱度按照式(1)計算得到，將預拱度數據與橋梁坐標點關系表示為曲線關系圖。

2.2 施工線形控制結果和分析

研究對象橋梁有3個跨、4個墩，對橋梁主跨的6#和7#墩采集橋梁施工張拉后高程和澆筑后高程數據為研究對象，由公式(2)～(4)可計算得到橋梁預期標高，即為本工程中的設計高程，對澆筑完成的橋梁工程進行數據監測，并將監測的數據整理可得表1、表2。

如表1、表2所示，從以上兩個表格數據里，上半部分數值對應左側頂板測試結果，下半部分數據對應右側頂板測試結果。澆筑混凝土和張拉預應力產生的結構變形基本一致，分析得出以下結論。

表1 6#墩大里程方向頂板測試數據

表2 7#墩大里程方向頂板測試數據

(1)6#墩左側與7#墩右側的波動范圍基本一致，張拉后與設計高程差值最大是10.0 mm，澆筑后與設計高程差值最大為15 mm，都在設計圖紙可控范圍內，表示該實例施工線形控制確定影響參數數據實際情況符合。

(2)6#墩右側與7#墩左側的波動范圍基本一致，隨著懸臂節段慢慢加大，混凝土澆筑后高程、張拉后高程和設計標高之間的差值也逐漸增加，然而最大差值數據仍在設計圖紙可控范圍內。

(3)從表1、表2頂板數據對比分析，當張拉后梁段標高明顯提高，橋梁起拱度相應變化。從監測數據看出，最大預抬值為10.0 mm，施工后期階段合攏后該大橋標高有所減少。施工過程中采集監測梁段標高對應數據正確有效，按照測試數據采取相關措施，進行懸臂掛籃施工的線形控制。

3 結 論

針對目前橋梁施工現狀，提出一種大橋懸臂掛籃施工線形控制方法。采用正裝計算方法迭代計算施工橋梁的初始標高，從理論分析如何設置懸臂掛籃過程成橋預拱度、立模標高等參數數值，施工過程中采取測量精度高的測量儀器采集橋梁的撓度數據，分析衢州特大橋實例施工張拉后高程和澆筑后高程數據后表明，所提施工線行控制方法控制效果好。