预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析

郑尚敏,程海根

(华东交通大学土木建筑学院,江西 南昌 330013)

随着世界经济的迅猛发展,近些年来世界的桥梁界也发生了巨大的变化。但同时,国内外的桥梁在施工过程中也发生了许多让人痛心的事故。1994年 10月韩国汉城横跨汉江的圣水大桥发生断裂,中跨断塌 50m,其中 15m掉入江中,造成死亡 32人、重伤 17人的重大事故;1998年 9月,宁波大桥在即将合龙的时候发生桥体断裂,损失高达 4亿元[6]。同类事情发生了很多。为了确保桥梁安全耐久以及桥梁施工能安全顺利的进行,桥梁施工监测在大跨桥梁施工中的作用愈发重要。

目前,桥梁结构施工阶段的监控监测已成为控制桥梁施工质量不可缺少的主要手段。准确的应力测试以及标高控制不仅是控制结构安全的重要依据,也是进行监控计算、确定监控指令的基本参数,将起到确保桥梁施工安全、运营安全的作用,并能通过早期发现桥梁病害,以节约桥梁的维修费用,提高桥梁的综合使用效益。

1 工程背景

该桥是厦门至成都高速公路江西瑞金到赣州段,因所在地名为九岭故称为九岭高架[3]。九岭高架共有两座高架桥,这里主要分析九岭高架Ⅰ桥。其桥型采用的是预应力混凝土连续刚构桥,跨径分布:46m+80m+80m+46m。设计为双向四车道,设计荷载为公路 I级。上部结构采用预应力现浇箱梁半幅桥箱梁顶板宽 12.50 m,底板宽 6.25m,翼缘板长 3.125m。半幅桥箱梁顶板宽 12.50m,底板宽 6.25m,翼缘板长 3.125m。主墩采用单柱式箱型截面空心薄壁墩,横桥向宽度 6.25m,顺桥向宽度 3m,顺桥向壁厚为 50 cm,横桥向壁厚为 70 cm,承台以上 3m高度范围内采用实心断面。主桥采用预应力混凝土连续刚构。全桥共有三个墩,采用对称悬臂施工,共有 54个块段(不算合龙段)。

2 桥梁施工监控的目的和内容

2.1 施工监测的目的

(1)为合理成桥状态提供技术数据,准确给定和及时调整梁端立模标高,确保合龙精度,使成桥后的结构线型和内力满足设计要求。

(2)通过理论计算和施工线形测量相结合,进行高程偏差调整和预测,得到合理的施工预拱度,控制桥梁的线形接近设计线形。

(3)对实际结构进行测试,掌握实际结构的真实应力,通过应力分析,发现可能出现裂纹的部位,对应力不足或危险截面采取补救措施,防患于未然。

2.2 桥梁施工监控的工作内容

(1)施工过程的实桥模拟计算;

(2)对桥梁每个块段施工中箱梁 0#应力、应变的测量;

(3)根据技术员提供的三阶段的标高值进行分析给定下一阶段立模预抛高值。

3 桥梁结构仿真分析

3.1 计算模型建立

九岭高架Ⅰ桥为双幅连续刚构桥,计算中只取单幅建立平面杆系模型。按照施工和设计所确定的施工工序,以及设计所提供的基本参数,应用同济大学开发的桥梁结构分析程序桥梁博士 V3.0建立模型对施工过程进行计算。计算模型最大结构包含 127个节点,129个单元。从制作 0#开始,全桥施工共分为 43个阶段。该桥从正面看过去从右向左其桥墩命名分别为 4#墩、5#墩、6#墩,其全桥模型见图 1。

图1 有限元模型

边界条件为:墩底部固结,交界墩按活动绞支座模拟。

约束条件:墩梁之间并不是通过主从约束来模拟,而是通过在其之间建立三个单元来模拟其固结的作用。

3.2 施工荷载模拟

在预应力混凝土连续梁桥的悬臂施工中,挂篮和模板机具设备对结构的内力和变形的影响很大,所以在仿真分析中,必须考虑施工荷载(主要是挂篮的影响)。在本桥的仿真模拟计算分析中充分考虑施工荷载的影响,模拟挂篮的安装、拆除以及前进等工况。在模型中挂篮采用程序中自带的挂篮组进行模拟,其可以很好的模拟实际施工中其对结构的影响。

3.3 施工过程中的结构分析

对于悬臂施工的刚构连续梁桥,其后一块件是通过预应力钢筋混凝土与前一块件相接而成,每一施工阶段是密切相关的。随着施工阶段的推进,结构形式、边界约束、荷载形式等在不断变化,故分析各施工阶段及成桥结构的变形和受力特性是不可缺少的。桥梁结构只有根据实际施工方案的设计逐步进行计算,才能得出成桥后受力状态。在本桥的建模过程中亦是根据其施工阶段以及在施工中结构形式、边界条件等的不断变化而建立的。充分考虑了这些因素对监测数据的影响。

3.4 悬臂施工的立模标高确定

变形计算是施工监控的重点和难点[2],九岭高架Ⅰ桥的变形采用桥梁博士平行计算,自动考虑了混凝土的收缩徐变、预力、温度的影响等。只有准确地计算变形,并合理地确定立模标高,最终才能使桥梁线形较好。九岭高架Ⅰ桥施工阶段箱梁悬浇段各节段立模标高的确定采用以下公式:

式中:Hi为挂篮底模立模标高;H0为该点设计标高;Fx为本施工段及以后浇筑的各段对该点挠度影响值; f1m为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值; fm为挂篮弹性变形对该施工段的影响值; fi为由徐变、收缩、温度、二期恒载、活载影响产生的挠度计算值。

4 施工监测

4.1 变形监测

4.1.1 测点布置

挠度测量数据是控制成桥线形最主要的依据。在预应力混凝土连续桥箱梁悬臂施工中,通过在每个悬浇梁段上布置 3个的高程观测点,可以同时观测箱梁的竖向挠度及扭转变形情况。观测点为预留露出顶板(约 5 cm)的钢筋头( 16钢筋),对称布置在腹板与顶板交界离现浇段前端 10 cm处。钢筋头都用红漆作了标记。在 0#块箱梁顶板处设临时水准点。

4.1.2 变形监测成果

由于在监控中做到了认真分析实测值和理论计算值的差别,多方找原因,在监控专家的知道下及时对相关数据,参数做出调整。九岭高架Ⅰ桥的监控工作取得了令人满意的结果。在各工况下挠度控制的实测值与理论值偏差模标高误差控制在 ±5mm情况下,各工况的变化值绝大多数控制在 ±10mm。其左幅的高程对比图可见图 2。

4.2 应力监测

4.2.1 测点布置

图2 左幅桥实测成桥高程与理论高程对比

根据以前的工程实例分析,本桥施工监控所使用的测件是振弦式 JMZX-215型应变计。其观测值较为稳定,并且耐久性较好,适合应力场的长期观测。

根据连续刚构桥悬臂施工方法,本桥采用的是挂篮对称施工,在0#块一边埋设测件监控其施工过程中每个块段对 0#块的影响。通过分析将全桥共布设 9个断面,分别是在 0#块、1/4跨、1/2跨、还有两边边跨。而其重点监控断面与一般断面的测点布置也是不同的,见图 3～图 5。

图3 主桥应力测试断面布置示意

图4 重点监控断面测点布置

图5 一般断面测点布置

4.2.2 应力监测结果

从九岭高架Ⅰ桥控制截面应力测试结果看,在各施工阶段,箱梁截面上下缘应力基本上处于全截面受压状态,各工况下理论设计值和实测值变化趋势基本吻合,都在规范和设计允许范围之内。具体情况见图 6～图 11。

5 误差分析

在混凝土应力监测中,目前常用振弦式应变计。但由于各种因素的影响,实测应力值不可能与理论分析值完全一致,两者之间存在着误差。对误差进行合理分析和及时处理,是现场应力监控工作的重要环节。一般将各类误差分为系统误差和随机误差两大类。引起系统误差的因素包括元件测试精度、混凝土收缩徐变影响;引起随机误差的因素包括温度影响 、施工偏差等[1]、[4]、[5]。

图6 4号墩上缘实测值与理论值对比

图7 4号墩下缘实测值与理论值对比

图8 5号墩下缘实测值与理论值对比

图9 5号墩下缘实测值与理论值对比

图10 6号墩上缘实测值与理论值对比

图11 6号墩下缘实测值与理论值对比

5.1 混凝土收缩徐变影响

钢筋混凝土作为一种组合材料,钢筋和混凝土具有不同的物理力学性能。在持续应力作用下,随着时间的推移,混凝土会发生徐变,同时也会产生收缩,而钢筋则没有这种性能。在普通钢筋与混凝土粘结完好的情况下,材料特性的差异将引起混凝土与钢筋两者的变形差,由此在构件截面上产生应力重分布。这种误差对实测应力值的影响较复杂,处理起来较困难。

5.2 温度影响

温差影响包括季节温差(或年温差)和日照温差。前者使箱梁发生整体的均匀温度变化,一般只对超静定结构起作用而产生附加温度应力;后者由于温度骤然升降,截面各部位温度变化剧烈,形成较大的温度梯度,各纤维层相互约束共同变形,而在截面上产生温差应力。在悬臂施工中,桥梁结构是静定结构,理论上温度不会产生应力,而实际测量时有虚应变,为了减小温度的影响,测量时应在温度变化小的早晨测量,但这仍然不能消去温度对测量结果的影响。

5.3 施工偏差

在应力监测中,还需要考虑各种施工偏差导致的应力测试误差。例如,预应力张拉力多采用油表压力和伸长量来控制。与设计值相比,张拉力的测定势必有一定误差。电子元件埋设位置的偏差也会引起应力误差。另外,施工中构件截面尺寸、施工荷载等也会影响计算的精确度。这要求在施工监控计算中,根据实际情况予以适当修正。

监测过程中,除了上述各个因素的影响。还有其它一些影响因素,比如混凝土强度影响,应变修正中由于混凝土的收缩、徐变,温度变化等导致其修正误差比较的大。在施工过程中产生的变化通过参数(灰色理论)识别以及有效的优化方法(如采用带权最小二乘法、线性规划法等),对计算模型进行调整,从而使测量值与施工时不断变化的实测值有更好的吻合。

6 结束语

桥梁施工控制作为桥梁施工技术的重要组成部分,其实施难度相对较大,但是它对于桥梁施工宏观质量控制、保证桥梁建设安全有着非常重要的意义。如何把握现场施工外界影响因素的随机性,如何更准确地控制桥梁变形及桥梁远程监测系统的发展等都需要在今后的实践中进一步研究。

[1]曾德荣.桥梁施工监测应力真值分析方法 [J].重庆交通学院学报,2005(6)

[2]郝志强.主跨145m刚构 -连续组合体系桥梁施工监控[J].山西交通科技,2006(3)

[3]林运唐.厦门至成都国家高速公路瑞金 ～赣州段(AS4)标九岭高架桥第一刚构监控报告[R].2009

[4]张世辉,李亚东.大跨度连续刚构桥悬臂施工阶段应力测试分析[J].四川建筑,2007(4)

[5]齐林,黄方林.连续刚构桥施工线形和应力的分析与控制[J].铁道科学与工程学报,2007(2)

[6]黎双邵,张勇.监测与监控技术在桥梁施工中的作用[J].中国港湾建设,2008(2)