大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋施工監(jiān)控方案設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)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(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單、便于施工等特點(diǎn),在西南山區(qū)高速公路建設(shè)中應(yīng)用普遍。合理的合龍狀態(tài)是大跨徑預(yù)應(yīng)力剛構(gòu)橋施工階段的重要目標(biāo),其內(nèi)容包括符合設(shè)計(jì)要求的理想線形及滿足受力要求的設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)。如何在復(fù)雜的施工環(huán)境中獲得預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋合理的合龍狀態(tài)是多年來工程技術(shù)人員及研究人員關(guān)注的重點(diǎn),鄒蘭林、鄭興友、封冠英培等[1-3]通過對(duì)懸臂澆筑剛構(gòu)橋的強(qiáng)制合龍進(jìn)行研究,對(duì)比分析了不同合龍工藝對(duì)橋梁合龍后的線性及受力影響情況;王英等[4]通過對(duì)懸臂澆筑材料參數(shù)模態(tài)敏感性進(jìn)行分析,研究合龍狀態(tài)下材料參數(shù)的變化對(duì)合龍結(jié)果的影響,另外,還有學(xué)者研究收縮徐變、合理預(yù)拱度等對(duì)橋梁合龍狀態(tài)的影響[5-9]。

本文通過對(duì)擬建實(shí)際工程進(jìn)行施工監(jiān)控方案的設(shè)計(jì),力求達(dá)到真實(shí)反映施工過程中橋梁的狀態(tài),最終達(dá)到符合設(shè)計(jì)的合龍狀態(tài)。

1 工程概況

拉仁2號(hào)高架大橋位于河池市鳳山縣鳳城鎮(zhèn)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(jīng)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(zhǎng)279 m,上下行分幅。上部結(jié)構(gòu)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(zhǎng)3.75 m,根部厚65 cm;底板寬9 m,厚度由支點(diǎn)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(zhǎng)度為2 m。主墩墩頂設(shè)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(hào)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(jié)段施工分為0#～15#節(jié)段、中跨合龍段、邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段。0#節(jié)段長(zhǎng)14 m,1#～6#節(jié)段長(zhǎng)均為3 m,7#～10#節(jié)段長(zhǎng)均為3.5 m,11#～15#節(jié)段長(zhǎng)均為4.0 m,中跨合龍段長(zhǎng)2 m,邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)14 m,邊跨合龍段長(zhǎng)2 m。

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

2 監(jiān)控的目標(biāo)

橋梁監(jiān)控的目標(biāo)從整個(gè)施工的過程可以劃分為兩個(gè)階段,分別是橋梁竣工階段和主梁合龍階段。對(duì)于懸臂法澆筑的剛構(gòu)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?lián)?設(shè)計(jì)人員會(huì)賦予橋梁各個(gè)節(jié)段一定的預(yù)拱度,以確保橋梁在服役期內(nèi)線形與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符,從而控制梁體的受力狀態(tài)。因此,竣工階段的監(jiān)控原則是以線形控制為主、受力控制為輔,確保橋梁竣工時(shí)橋梁的線形與設(shè)計(jì)線形相一致或誤差在可控范圍內(nèi)。

根據(jù)確認(rèn)的橋梁竣工狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)倒拆,通過移除橋面荷載、二期恒載,從而得到主梁合龍狀態(tài),并進(jìn)一步獲得從最大懸臂狀態(tài)到0#塊澆筑時(shí)的主梁線形及受力狀態(tài),從而為施工過程中提供各階段施工監(jiān)控目標(biāo),并在施工過程中加以控制,從而使懸臂澆筑的T構(gòu)在合龍后達(dá)到倒拆確定的合龍線形。

3 剛構(gòu)橋施工監(jiān)控全參數(shù)及技術(shù)要求

根據(jù)《公路橋梁施工監(jiān)控技術(shù)規(guī)范》中對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的要求,對(duì)于梁式橋,應(yīng)監(jiān)控橋墩應(yīng)力、主梁高程、應(yīng)力、軸線、溫度等參數(shù)。另外,根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB50496-2018),對(duì)于混凝土體,其最小邊>1 m時(shí),應(yīng)進(jìn)行大體積混凝土水化熱監(jiān)控,對(duì)于剛構(gòu)橋,其橋臺(tái)、承臺(tái)、橋墩、0#塊等構(gòu)件最小尺寸通常會(huì)超出規(guī)范最小限值要求,因此需要進(jìn)行混凝土施工水化熱檢測(cè)。對(duì)于尺寸較大的0#塊,水化熱的監(jiān)控通常根據(jù)委托單位的要求決定是否開展。同時(shí),根據(jù)地方管理部門的要求,對(duì)于墩高>30 m的橋墩,還應(yīng)進(jìn)行墩身豎直度的監(jiān)測(cè)。

根據(jù)上述規(guī)范并結(jié)合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T-3650-2020),梳理剛構(gòu)橋施工監(jiān)控量測(cè)的參數(shù)及其技術(shù)要求列表如表1所示。

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋施工監(jiān)控全參數(shù)及其技術(shù)要求表

4 上部結(jié)構(gòu)監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

4.1 主梁高程監(jiān)測(cè)

主梁高程的測(cè)量是剛構(gòu)橋施工監(jiān)控中的最主要參數(shù),其目的是確保在懸臂施工的過程中,各個(gè)節(jié)段的梁端高程在一定的范圍內(nèi),并通過施工過程匯總下發(fā)監(jiān)控指令,對(duì)節(jié)段中的高程誤差進(jìn)行調(diào)整,使主梁在合龍后高程滿足要求。在剛構(gòu)橋的監(jiān)控過程中,采用雙控的方式進(jìn)行橋梁的監(jiān)控,即“高程監(jiān)控為主,應(yīng)力監(jiān)控為輔”。其最直接的原因是,當(dāng)梁體澆筑線形符合設(shè)計(jì)要求的情況下,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是可控的;同時(shí),由于環(huán)境、施工荷載等原因的影響,應(yīng)力傳感器所監(jiān)測(cè)的結(jié)果往往誤差較大,規(guī)范容許的監(jiān)測(cè)誤差也不能夠在一定精度上保證施工過程的順利進(jìn)行。因此,主梁高程的監(jiān)控尤為重要,高程的測(cè)量?jī)?nèi)容主要有以下三個(gè)方面。

4.1.1 測(cè)點(diǎn)的布置

主梁高程的測(cè)量通常需要在橋址周圍設(shè)置橋梁永久性觀測(cè)點(diǎn),用于橋梁施工過程中及橋梁竣工后的觀測(cè)參照。在測(cè)量的過程中,采用全站儀轉(zhuǎn)點(diǎn)的方式將觀測(cè)點(diǎn)引至橋墩墩頂,定位相對(duì)觀測(cè)點(diǎn),再用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行施工過程中的測(cè)量。

4.1.2 測(cè)量次數(shù)

每個(gè)節(jié)段在施工過程中均需進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量過程分為4個(gè)步驟:節(jié)段澆筑前立模測(cè)量、節(jié)段混凝土澆筑后測(cè)量、預(yù)應(yīng)力張拉前測(cè)量和預(yù)應(yīng)力張拉后測(cè)量。同時(shí),在每澆筑4～6個(gè)節(jié)段后,需對(duì)已澆筑全部節(jié)段進(jìn)行全橋線形測(cè)量。

4.1.3 主梁截面高程觀測(cè)控制點(diǎn)

對(duì)于高程的觀測(cè),應(yīng)在測(cè)量梁端采用短鋼筋,在橋梁澆筑時(shí)一并澆筑,通常每個(gè)截面在肋板中心線上布置。對(duì)于該橋,應(yīng)在三個(gè)肋板中心線的頂板處布設(shè)高程觀測(cè)控制點(diǎn),測(cè)量時(shí)通過水準(zhǔn)儀進(jìn)行讀數(shù),對(duì)照0#塊的水準(zhǔn)點(diǎn)反推觀測(cè)節(jié)段上的高程。0#塊上的水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)每周校核一次,確保測(cè)量精度。見圖3。

圖3 主梁截面高程測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2 主梁軸線監(jiān)測(cè)

主梁軸線偏位的監(jiān)測(cè)是為了確保主梁施工過程中梁體軸線符合設(shè)計(jì)線形的要求,通常采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)量的方法為在每個(gè)梁段澆筑后對(duì)梁段進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)量。對(duì)于各個(gè)梁段中已經(jīng)產(chǎn)生的誤差,其調(diào)整方法與高程調(diào)整的方法一致。

4.3 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

主梁應(yīng)力的監(jiān)測(cè)是對(duì)梁體受力狀態(tài)的直接反映,通過有限元計(jì)算出各個(gè)階段施工過程中梁體的應(yīng)力水平,通過預(yù)埋的應(yīng)變傳感器對(duì)梁體應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量并換算為梁體應(yīng)力進(jìn)行對(duì)照,確認(rèn)梁體受力狀態(tài)是否可控。同時(shí),梁體的應(yīng)力監(jiān)測(cè)是保障施工過程中安全的重要措施,對(duì)施工有著十分重要的意義。

4.3.1 截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方法

對(duì)于剛構(gòu)橋,其主梁截面應(yīng)力的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)各階段施工過程中特定截面的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和合龍狀態(tài)下應(yīng)力的監(jiān)測(cè),主要的監(jiān)測(cè)對(duì)象是截面的法向應(yīng)力。

通常采用的測(cè)量方法是通過預(yù)埋的應(yīng)力傳感器進(jìn)行直接測(cè)量。傳感器一般采用鋼線式應(yīng)變計(jì),其工作性能較為穩(wěn)定,且測(cè)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(yù)留的信號(hào)線引至梁頂進(jìn)行集中測(cè)量。

4.3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面的選擇及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的布置

應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面通常選擇主梁在施工期間、成橋狀態(tài)下的內(nèi)力控制截面。對(duì)于懸臂澆筑的剛構(gòu)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(tài)下,懸臂箱梁墩頂為最大負(fù)彎矩處,因此根部截面為控制截面;在合龍狀態(tài)下,1/4跨通常是內(nèi)力的反彎點(diǎn),受力極其復(fù)雜,因此1/4跨截面為控制截面,但仍需通過計(jì)算進(jìn)行進(jìn)一步的修正調(diào)整。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在梁體的頂板和底板中。鋼弦式應(yīng)變計(jì)的長(zhǎng)度方向應(yīng)為順橋向。測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示。

圖4 箱梁截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.4 梁體溫度監(jiān)測(cè)

梁體溫度的監(jiān)測(cè)是為了修正梁體應(yīng)力檢測(cè)的結(jié)果。由于施工環(huán)境并非理想的恒溫環(huán)境,梁體在澆筑過程中會(huì)受到環(huán)境溫度的影響,導(dǎo)致應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與理論值偏差較大。梁體的溫度測(cè)量分為兩個(gè)內(nèi)容,對(duì)應(yīng)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范,分別是整體溫度和梯度溫度。整體溫度的測(cè)量可以直接測(cè)量或?qū)︻A(yù)埋溫度傳感器的試塊進(jìn)行測(cè)量;梯度溫度則需要在梁體截面中預(yù)埋溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。預(yù)埋的溫度傳感器通常采用電阻式溫度傳感器,可與應(yīng)變傳感器一并布置,方便測(cè)量。

5 下部結(jié)構(gòu)監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

5.1 橋墩應(yīng)力監(jiān)測(cè)

橋墩應(yīng)力采用鋼弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)點(diǎn)布置在距離墩底0.5～1 m處,在橋墩澆筑過程中提前預(yù)埋。應(yīng)注意應(yīng)變計(jì)方向與橋墩豎直方向一致。

5.2 橋墩豎直度監(jiān)測(cè)

豎直度的監(jiān)測(cè)是確保橋墩施工空間姿態(tài)在施工結(jié)束后符合設(shè)計(jì)要求的重要指標(biāo)。量測(cè)的方法為采用全站儀進(jìn)行測(cè)量,通過在預(yù)定截面預(yù)埋的鋼筋頭上安裝目標(biāo)棱鏡進(jìn)行空間坐標(biāo)測(cè)量,又或者采用粘貼反光靶標(biāo)、無棱鏡測(cè)量等方法進(jìn)行測(cè)量。其中,無棱鏡測(cè)量結(jié)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(cè)點(diǎn)分別布置在墩底截面和澆筑完成節(jié)段墩頂,通常每施工兩個(gè)節(jié)段測(cè)量一次,并將測(cè)量結(jié)果在后續(xù)施工立模節(jié)段進(jìn)行調(diào)整。

5.3 承臺(tái)水化熱監(jiān)測(cè)

承臺(tái)混凝土硬化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱,若對(duì)混凝土的水化熱不采取疏導(dǎo)措施,那么承臺(tái)很容易產(chǎn)生溫度裂縫,從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)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(yīng)會(huì)釋放大量的熱量,而混凝土自身導(dǎo)熱性能較差,會(huì)導(dǎo)致大量的熱量聚集在混凝土內(nèi)部,熱量的散失過程根據(jù)所澆筑混凝土體積的大小通常需要數(shù)周的時(shí)間。由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低,在內(nèi)部受熱膨脹的過程中,外部混凝土對(duì)內(nèi)部膨脹的混凝土形成約束,從而導(dǎo)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(nèi),通常采用布置冷卻系統(tǒng)的方式對(duì)大體積混凝土進(jìn)行降溫,但是不同溫度區(qū)域?qū)禍厮俾省?nèi)外溫差又有要求,需要對(duì)冷卻系統(tǒng)加以控制。因此通常采用在混凝土體內(nèi)布設(shè)溫度傳感器的方法進(jìn)行混凝土體溫度的監(jiān)測(cè),進(jìn)一步控制冷卻系統(tǒng)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(cè)量長(zhǎng)邊、短邊和對(duì)角線的方式進(jìn)行溫度場(chǎng)的測(cè)量,不同厚度的混凝土體以一定間距分層布置。根據(jù)本文擬定工程,布設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)如圖5所示,共布設(shè)4層,各層間距平均布置。

圖5 溫度測(cè)量元件在承臺(tái)中的分層布置示意圖(cm)

6 結(jié)語

剛構(gòu)橋的監(jiān)控量測(cè)工作是確保剛構(gòu)橋合理合龍狀態(tài)的關(guān)鍵,做好每個(gè)階段的量測(cè)工作,并及時(shí)將調(diào)整建議及監(jiān)控指令反饋到施工過程中,確保橋梁合龍后達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài),為橋梁的運(yùn)營(yíng)安全提供保障。