連續梁橋懸臂施工過程中的應力控制分析

摘要 某大橋是主橋布跨為（50+80+80+50）m預應力混凝土連續箱梁。文章結合該橋的施工實際，介紹了應力控制的目的和意義，結構分析的特點，建立了實際的結構計算模型對施工過程進行模擬，論述了應力測點的布設和測試方法，最后對應力測試結果進行了分析。本次工作為橋梁懸臂施工全過程提供了安全保障，為以后同類型橋梁的應力控制分析起到了一定的借鑒作用。

關鍵詞 預應力混凝土連續箱梁；懸臂施工；應力控制分析

中圖分類號 U448.21 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0066-04

0 引言

橋梁結構的強度和穩定性是決定橋梁結構安全性能的關鍵影響因素。橋梁結構的穩定性在橋梁施工工程中至關重要，關乎人民群眾的生命財產安全。國內外有很多在施工過程中因為結構失穩而造成全橋被破壞的案例。我國寧波招寶山大橋就是由于主梁設計結構單薄，在懸臂體系施工過程中發生斷裂。貴州小尖山大橋發生支架垮塌事故造成了嚴重的人員傷亡事故。國外著名的加拿大魁北克橋也是在施工過程中，因懸臂端的應力過大產生屈曲導致突然垮塌的事故[1]。基于諸多事故教訓，現在的橋梁施工都會重點關注橋梁結構的變形和應力，尤其會把控橋梁整體施工過程中各施工工況下結構局部和整體的安全性。

1 應力控制分析的目標

橋梁施工全過程主要經歷了下部基礎施工、箱梁懸臂施工、體系轉換和橋面施工等環節。按照現有的規范及相關理論，可以通過計算分析出各主要施工環節的理論數值進而分析橋梁施工過程中的穩定性。由于設計計算時所采用的各種材料特性參數、預應力效應參數，以及箱梁溫度場的選取等都可能會與實際情況有一定出入，在施工過程中也會出現一些誤差，例如箱梁立模誤差、預應力張拉損失等。這些因素，會導致橋梁實際施工過程中每一工況都存在與設計時的狀態有些許偏差的可能。如果不進行干預和調整，這些偏差就會在橋梁懸臂施工進程中不斷地累計，最終可能會影響施工安全和成橋內力。

橋梁施工監控與控制就是為了盡量消除這些偏差，對橋梁施工中的重要工況進行監測與控制，以保證施工過程安全，保證橋梁成橋順利。

2 結構分析特點

一般來說，連續箱梁橋的懸臂施工現場進程中會伴隨著橋梁體系的轉換。初始階段，橋梁處于靜定狀態，邊跨合龍后會進入超靜定體系，拆除部分支座約束后體系又會發生轉變。因此，為了滿足對橋梁施工過程的安全監控要求，即滿足應力監測要求，需要計算分析得到各施工工況的理論數值。這種通過模型完全模擬實際設計的施工順序的方法被稱為前進分析計算。理論上來說，在選取適當的計算參數后，橋梁的內力和線形會與實際狀態基本吻合，以此可以判斷橋梁是否處于安全狀態。

3 結構計算模型

某大橋分左右幅橋梁結構。主墩分左右幅5號、6號和7號主墩三個，交叉（過渡）墩為4號交叉墩和8號交叉墩兩個（左右幅），主橋全長為260 m，上部結構為雙幅（50+80+80+50）m連續懸澆（掛籃）箱梁，最大跨徑為80 m。采用邁達斯有限元分析軟件，進行施工和運營過程模擬。在橋梁模型中，上部結構離散為80個單元，86個節點。圖1是主橋上部結構的離散圖。

橋梁的整體設計信息如下：

設計荷載為公路-Ⅰ級。橋面總寬度及組成分別為左（右）橋面總寬度為15.25 m，左（右）橋面組成為0.5 m（護欄）+2.0 m（人行道）+4.5 m（非機動車道）+7 m（機動車道）+0.5 m（路緣帶）+0.25 m（C值）+0.5 m（護欄）。橋梁橫坡為機動車道單向外2.0%，人行道向內1.0%。橋梁縱坡為橋面中心南側設2.320%縱坡，北側設?2.41%縱坡，中間設r=3 000 m圓曲線過渡。

橋梁模型建立時的參數選取：相對濕度RH為0.8%；支座摩阻系數為0.05；管道偏差系數為0.001 5；一端錨具回縮值為0.006 m；鋼束松弛率0.030；預應力管道摩阻系數為0.17；預應力混凝土張拉強度≥85%設計強度；預應力張拉時間≥7 d；橋面溫差為 14（T1）～5.5 ℃（T2）；合龍溫度為15±5 ℃；體系溫度變化范圍為升溫+25 ℃；降溫?20 ℃；線膨脹系數為0.000 01；徐變系數終極值為1.8；收縮應變終值為1.7×10?4；所用的材料標號為C55的高性能混凝土；縱向預應力采用標準強度1 860 MPa的直徑15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線。

根據已經設計施工圖的施工方案，進行橋梁全過程工況的模擬，分析的主要任務是確定各施工工況的內力。按照施工方案，每個節段的懸澆過程施工順序如下：

（1）安裝主墩臨時固結和立模澆筑0#梁段。

（2）安裝掛籃→澆筑混凝土→張拉預應力鋼束。

（3）移動掛籃→澆筑混凝土→張拉預應力鋼束（重復至合龍段）。

（4）邊跨現澆段支架現澆施工。

（5）邊跨合龍→次邊跨合龍→中跨合龍。

（6）橋面鋪裝二期恒載[2]。

施工過程中出現的荷載包括自重荷載、施工荷載、掛籃行走荷載等。體系轉換中約束條件的改變、混凝土收縮徐變、預應力張拉等都能在分析模型中進行準備的模擬。施工過程中得到的參數也會實時對計算模型參數進行修正。

3.1 應力測試點選取

根據預應力混凝土連續箱梁懸臂施工時的受力特點確定測試斷面。應力測試斷面圖如2所示。由于大橋主橋左右幅對稱，故只取其中一座主橋的一幅主橋作為主要對象進行應力監測，布置14個應力控制斷面，各控制斷面應力測點布設如圖3，該幅橋共160個應力測點。對于另一幅主橋，則布置6個應力控制斷面，即S2、S3、S7、S8、S12、S13這6個斷面，其測點布置較主要監測橋梁減少部分測點，該幅橋共60個應力測點。該次監控共設置220個應力測點。

3.2 應力測試方法

該次采用的應力測試設備為振弦式應變計，在節段施工綁扎鋼筋階段將設備綁扎在鋼筋上，并將采集線置于模板外側。數據測量采用VW-102型振弦讀數儀讀取應變計讀數，振弦式應變計是通過內部振弦頻率的測試，根據頻率模數計算出應變，再結合結構力學的基本公式計算得到此時的應力數據。在混凝土澆筑完成后進行數據的初始測量，之后在各施工階段均進行同步測量，并與理論值進行比較，以此判斷橋梁結構的安全及穩定性。

混凝土澆筑時會釋放大量的熱量，同時，施工過程中溫度也在不斷地變化，這些都會影響最終數據的對比。因此，采用能夠同步測出埋設點的溫度的振弦式應變計，最終數據處理時，根據應變計的溫度修正系數對測量值進行修正。

3.3 應力測試成果

全橋共計38個施工工況具體的應力控制工況選擇如表1所示。

應力是判斷施工過程中橋梁受力是否安全的主要標志，以左幅5#墩S2截面為例體現懸臂施工過程中的應力變化。為了便于了解各截面應力的變化趨勢，以圖形和圖表的方式給出各階段監測點的應力數據變化及應力變化趨勢。數據表如表2所示，應力變化曲線圖如圖4～7所示。

3.4 應力測試成果分析

3.4.1 左幅橋梁應力測試成果分析

在主梁兩側0＃梁段（懸臂根部）預埋應力測試端面，從應力實測值的變化曲線來看，分布曲線與理論分析的應力分布曲線發展趨勢相同，應力數值相近，在監控過程中未發現異常情況，截面應力均處于設計允許范圍之內[3]。頂、底、腹板的應力分布也與理論計算值相一致。

3.4.2 右幅橋梁應力測試成果分析

（1）在主梁兩側0＃梁段（懸臂根部）預埋應力測試端面。從應力實測值的變化曲線來看，分布曲線與理論分析的應力分布曲線發展趨勢相同，應力數值相近，在監控過程中未發現異常情況，截面應力均處于設計允許范圍之內。

（2）在主梁各中跨1/4、邊跨1/2處預埋應力測試斷面，從應力實測值的變化曲線來看，除了部分工況底板實測應力整體偏大，長預應力束有所損失。整體來看，實測應力的分布曲線與理論分析的應力分布曲線發展趨勢相同，應力數值相近，在監控過程中未發現異常情況，截面應力均處于設計允許范圍之內。

4 結語

該次主梁懸臂施工過程中，主梁控制截面應力實測值均滿足控制要求。控制截面的應力分布和理論分布基本一致，應力增長均勻，未發現突變等危險狀態，根據應力實測變化及分布狀態，可判斷結構受力處于安全狀態。該次研究工作可為以后同類型橋梁的應力控制分析起到一定的借鑒和參考意義。

參考文獻

[1]劉國興. 基于midas中承式復式鋼箱提籃拱橋關鍵施工過程控制分析[D]. 昆明：西南林學院， 2008.

[2]張禹筍. 連續梁橋懸臂施工過程中的線形控制[J]. 浙江建筑， 2018（7）： 29-31．

[3]李全彪. 某連續剛構橋懸臂法施工監控[J]. 交通科技， 2015（4）： 24-26．