大跨度預應力混凝土剛構橋施工監控方案設計研究

韋 劍

(廣西龍馬高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

大跨徑預應力混凝土剛構橋是高速公路跨越較大山谷、河流的主要橋型之一,相較于其他橋型,由于其受力明確、結構形式相對簡單、便于施工等特點,在西南山區高速公路建設中應用普遍。合理的合龍狀態是大跨徑預應力剛構橋施工階段的重要目標,其內容包括符合設計要求的理想線形及滿足受力要求的設計應力狀態。如何在復雜的施工環境中獲得預應力混凝土剛構橋合理的合龍狀態是多年來工程技術人員及研究人員關注的重點,鄒蘭林、鄭興友、封冠英培等[1-3]通過對懸臂澆筑剛構橋的強制合龍進行研究,對比分析了不同合龍工藝對橋梁合龍后的線性及受力影響情況;王英等[4]通過對懸臂澆筑材料參數模態敏感性進行分析,研究合龍狀態下材料參數的變化對合龍結果的影響,另外,還有學者研究收縮徐變、合理預拱度等對橋梁合龍狀態的影響[5-9]。

本文通過對擬建實際工程進行施工監控方案的設計,力求達到真實反映施工過程中橋梁的狀態,最終達到符合設計的合龍狀態。

1 工程概況

拉仁2號高架大橋位于河池市鳳山縣鳳城鎮弄者村好另峒東南約400 m,上跨峰叢洼地,是天峨至北海公路(天峨經鳳山至巴馬段)TJ№4合同段(K56+000～K72+400)控制性工程。

橋梁跨徑組合為(75+120+75) m,全長279 m,上下行分幅。上部結構采用單箱單室直腹板箱梁,箱梁頂板寬16.5 m,厚30 cm,主墩頂變厚到80 cm;翼緣懸臂長3.75 m,根部厚65 cm;底板寬9 m,厚度由支點處70 cm按1.8次拋物線變化;腹板厚度1#～3#段為90 cm,9#～15#段及合龍段為55 cm,4#、8#為漸變段;中邊跨合龍段長度為2 m。主墩墩頂設置4道80 cm厚度的中橫梁。具體橋型布置見圖1～2。

圖1 拉仁2號橋橋型布置圖

(b)跨中截面

箱梁梁體采用C55混凝土澆筑。主橋節段施工分為0#～15#節段、中跨合龍段、邊跨現澆段、邊跨合龍段。0#節段長14 m,1#～6#節段長均為3 m,7#～10#節段長均為3.5 m,11#～15#節段長均為4.0 m,中跨合龍段長2 m,邊跨現澆段長14 m,邊跨合龍段長2 m。

主橋箱梁采用三向預應力體系,縱向預應力鋼束分別采用21束、19束、17束φs15.2-1860高強度低松弛鋼絞線,控制張拉應力為0.75 fpk;豎向、橫向預應力均采用3束φs15.2-1 860高強度低松弛鋼絞線,控制張拉應力為0.75 fpk,其中豎向預應力采用二次張拉工藝。

2 監控的目標

橋梁監控的目標從整個施工的過程可以劃分為兩個階段,分別是橋梁竣工階段和主梁合龍階段。對于懸臂法澆筑的剛構橋,在竣工階段,為抵抗橋梁收縮徐變引起的后期橋梁梁體下撓,設計人員會賦予橋梁各個節段一定的預拱度,以確保橋梁在服役期內線形與設計狀態相符,從而控制梁體的受力狀態。因此,竣工階段的監控原則是以線形控制為主、受力控制為輔,確保橋梁竣工時橋梁的線形與設計線形相一致或誤差在可控范圍內。

根據確認的橋梁竣工狀態進行結構倒拆,通過移除橋面荷載、二期恒載,從而得到主梁合龍狀態,并進一步獲得從最大懸臂狀態到0#塊澆筑時的主梁線形及受力狀態,從而為施工過程中提供各階段施工監控目標,并在施工過程中加以控制,從而使懸臂澆筑的T構在合龍后達到倒拆確定的合龍線形。

3 剛構橋施工監控全參數及技術要求

根據《公路橋梁施工監控技術規范》中對監測參數的要求,對于梁式橋,應監控橋墩應力、主梁高程、應力、軸線、溫度等參數。另外,根據《大體積混凝土施工標準》(GB50496-2018),對于混凝土體,其最小邊>1 m時,應進行大體積混凝土水化熱監控,對于剛構橋,其橋臺、承臺、橋墩、0#塊等構件最小尺寸通常會超出規范最小限值要求,因此需要進行混凝土施工水化熱檢測。對于尺寸較大的0#塊,水化熱的監控通常根據委托單位的要求決定是否開展。同時,根據地方管理部門的要求,對于墩高>30 m的橋墩,還應進行墩身豎直度的監測。

根據上述規范并結合《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T-3650-2020),梳理剛構橋施工監控量測的參數及其技術要求列表如表1所示。

表1 預應力混凝土剛構橋施工監控全參數及其技術要求表

4 上部結構監控方案設計

4.1 主梁高程監測

主梁高程的測量是剛構橋施工監控中的最主要參數,其目的是確保在懸臂施工的過程中,各個節段的梁端高程在一定的范圍內,并通過施工過程匯總下發監控指令,對節段中的高程誤差進行調整,使主梁在合龍后高程滿足要求。在剛構橋的監控過程中,采用雙控的方式進行橋梁的監控,即“高程監控為主,應力監控為輔”。其最直接的原因是,當梁體澆筑線形符合設計要求的情況下,結構的內力是可控的;同時,由于環境、施工荷載等原因的影響,應力傳感器所監測的結果往往誤差較大,規范容許的監測誤差也不能夠在一定精度上保證施工過程的順利進行。因此,主梁高程的監控尤為重要,高程的測量內容主要有以下三個方面。

4.1.1 測點的布置

主梁高程的測量通常需要在橋址周圍設置橋梁永久性觀測點,用于橋梁施工過程中及橋梁竣工后的觀測參照。在測量的過程中,采用全站儀轉點的方式將觀測點引至橋墩墩頂,定位相對觀測點,再用精密水準儀進行施工過程中的測量。

4.1.2 測量次數

每個節段在施工過程中均需進行測量,測量過程分為4個步驟:節段澆筑前立模測量、節段混凝土澆筑后測量、預應力張拉前測量和預應力張拉后測量。同時,在每澆筑4～6個節段后,需對已澆筑全部節段進行全橋線形測量。

4.1.3 主梁截面高程觀測控制點

對于高程的觀測,應在測量梁端采用短鋼筋,在橋梁澆筑時一并澆筑,通常每個截面在肋板中心線上布置。對于該橋,應在三個肋板中心線的頂板處布設高程觀測控制點,測量時通過水準儀進行讀數,對照0#塊的水準點反推觀測節段上的高程。0#塊上的水準點應每周校核一次,確保測量精度。見圖3。

圖3 主梁截面高程測點布置示意圖

4.2 主梁軸線監測

主梁軸線偏位的監測是為了確保主梁施工過程中梁體軸線符合設計線形的要求,通常采用全站儀進行監測,測量的方法為在每個梁段澆筑后對梁段進行布點測量。對于各個梁段中已經產生的誤差,其調整方法與高程調整的方法一致。

4.3 主梁應力監測

主梁應力的監測是對梁體受力狀態的直接反映,通過有限元計算出各個階段施工過程中梁體的應力水平,通過預埋的應變傳感器對梁體應變進行測量并換算為梁體應力進行對照,確認梁體受力狀態是否可控。同時,梁體的應力監測是保障施工過程中安全的重要措施,對施工有著十分重要的意義。

4.3.1 截面應力監測的內容和方法

對于剛構橋,其主梁截面應力的監測主要是對各階段施工過程中特定截面的應力進行監測和合龍狀態下應力的監測,主要的監測對象是截面的法向應力。

通常采用的測量方法是通過預埋的應力傳感器進行直接測量。傳感器一般采用鋼線式應變計,其工作性能較為穩定,且測量精度高,也可采用電阻式傳感器和光柵式傳感器。通過將傳感器預留的信號線引至梁頂進行集中測量。

4.3.2 應力監測截面的選擇及應力測點的布置

應力監測截面通常選擇主梁在施工期間、成橋狀態下的內力控制截面。對于懸臂澆筑的剛構橋,在施工期間,其受力控制截面為箱梁根部。在懸臂澆筑的狀態下,懸臂箱梁墩頂為最大負彎矩處,因此根部截面為控制截面;在合龍狀態下,1/4跨通常是內力的反彎點,受力極其復雜,因此1/4跨截面為控制截面,但仍需通過計算進行進一步的修正調整。

應力測點主要布設在梁體的頂板和底板中。鋼弦式應變計的長度方向應為順橋向。測點的布置如圖4所示。

圖4 箱梁截面應力測點布置示意圖

4.4 梁體溫度監測

梁體溫度的監測是為了修正梁體應力檢測的結果。由于施工環境并非理想的恒溫環境,梁體在澆筑過程中會受到環境溫度的影響,導致應力測試結果與理論值偏差較大。梁體的溫度測量分為兩個內容,對應橋梁設計規范,分別是整體溫度和梯度溫度。整體溫度的測量可以直接測量或對預埋溫度傳感器的試塊進行測量;梯度溫度則需要在梁體截面中預埋溫度傳感器進行測量。預埋的溫度傳感器通常采用電阻式溫度傳感器,可與應變傳感器一并布置,方便測量。

5 下部結構監控方案設計

5.1 橋墩應力監測

橋墩應力采用鋼弦式應變計進行測量,測點布置在距離墩底0.5～1 m處,在橋墩澆筑過程中提前預埋。應注意應變計方向與橋墩豎直方向一致。

5.2 橋墩豎直度監測

豎直度的監測是確保橋墩施工空間姿態在施工結束后符合設計要求的重要指標。量測的方法為采用全站儀進行測量,通過在預定截面預埋的鋼筋頭上安裝目標棱鏡進行空間坐標測量,又或者采用粘貼反光靶標、無棱鏡測量等方法進行測量。其中,無棱鏡測量結果誤差較大,僅適用于施工條件受限制的情況。橋墩豎直度測點分別布置在墩底截面和澆筑完成節段墩頂,通常每施工兩個節段測量一次,并將測量結果在后續施工立模節段進行調整。

5.3 承臺水化熱監測

承臺混凝土硬化過程中會產生大量的水化熱,若對混凝土的水化熱不采取疏導措施,那么承臺很容易產生溫度裂縫,從而嚴重影響結構安全和耐久性。混凝土在澆筑過程中,由于膠體材料的水化反應會釋放大量的熱量,而混凝土自身導熱性能較差,會導致大量的熱量聚集在混凝土內部,熱量的散失過程根據所澆筑混凝土體積的大小通常需要數周的時間。由于混凝土抗拉強度較低,在內部受熱膨脹的過程中,外部混凝土對內部膨脹的混凝土形成約束,從而導致外部混凝土開裂。

為將混凝土的水化熱維持在可控范圍內,通常采用布置冷卻系統的方式對大體積混凝土進行降溫,但是不同溫度區域對降溫速率、內外溫差又有要求,需要對冷卻系統加以控制。因此通常采用在混凝土體內布設溫度傳感器的方法進行混凝土體溫度的監測,進一步控制冷卻系統的供水流量及入水溫度。

溫度傳感器通常采用有線的電阻式溫度傳感器,采用測量長邊、短邊和對角線的方式進行溫度場的測量,不同厚度的混凝土體以一定間距分層布置。根據本文擬定工程,布設溫度測點如圖5所示,共布設4層,各層間距平均布置。

圖5 溫度測量元件在承臺中的分層布置示意圖(cm)

6 結語

剛構橋的監控量測工作是確保剛構橋合理合龍狀態的關鍵,做好每個階段的量測工作,并及時將調整建議及監控指令反饋到施工過程中,確保橋梁合龍后達到設計的理想狀態,為橋梁的運營安全提供保障。