通河松花江特大桥施工控制

齐 琳

(黑龙江省公路勘察设计院)

1 工程概况

通河松花江特大桥全桥跨径布置为 21×40m+(63m+4×110m+63m)+7×40m+(63m+4×110m+63m)+8×40m,桥梁全长 2578.28m。主桥结构为预应力混凝土连续梁,引桥结构为预应力混凝土简支转连续T梁。

主桥箱梁采用单箱双室断面,主跨墩顶处梁高为 6m,跨中高度 2.5m,其间的梁高在纵桥向按 1.65次抛物线变化,抛物线方程为 Y=0.005397X1.65+2.5。箱梁全宽21.5m,底板宽 14.5m,翼缘板长度为 3.5m。箱梁设纵、横、竖三向预应力。纵向预应力钢筋采用符合 GB/T5224-1995标准的 270级Φs15.2低松弛高强钢绞线,锚具采用群锚张拉锚固体系;横向预应力为 Φs15.2钢绞线,锚具采用BM15-4张拉锚固体系;竖向预应力采用高强精轧螺纹粗钢筋,锚具采用YGM张拉锚固体系。

每个 T墩包括 20个节段(0～19号),每节箱梁底按直线变化。箱梁悬浇长度为 2.0～3.75m。合拢段长度中跨为 2m,边跨为 1.5m,边跨现浇段长度为 7.5m。

悬浇梁段顶板钢束,通过平弯锚固于顶板承托处,悬浇梁段腹板束通过竖弯锚固于腹板上;现浇合拢段顶、底板钢束及腹板钢束锚固于梁段齿板上。

主桥主墩均采用钢筋混凝土实体墩,设置破冰体。墩身截面尺寸横桥向为 14.5m,顺桥向为 5～6.317m。承台尺寸长为 20.1m,宽为 14m,厚度为 3.5m。每个承台下设 12根直径为 2.0m的钻孔灌注桩,桩长为 68m。

2 施工控制的原则与方法

2.1 施工控制原则

施工控制是通过对施工过程的监控,适时调整、修正所有影响成桥目标实现的因素,保证桥梁施工过程安全和设计成桥(状态)目标的实现,确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。

本桥施工控制的原则是变形、稳定性与内力控制综合考虑,在结构几何线形满足要求的前提下,对各施工阶段主梁、墩柱的稳定性和各控制截面的应力、应变进行控制。

2.2 最优施工控制方法

连续梁桥是施工施工的循环过程,其实质就是使施工按照预定的理想状态(主要是施工标高)顺利推进。而实际上不论是理论分析得到的理想状态,还是实际施工都存在误差,所以,施工控制的核心任务就是对各种误差进行分析、识别、调整,对结构未来状态作出预测。

连续梁桥在梁段浇筑完成后出现的误差,除张拉预备预应力索外,基本没有调整的余地,而只能针对已有误差在下一未浇筑梁段的立模标高上作出必要的调整。所以,要保证控制目标的实现,最根本的就是对立模标高作出尽可能准确的预测,即主要依靠预测控制。无论施工过程如何,总是以最终桥梁成型状态作为目标状态,以此来控制各施工块件的预抛高值(立模标高)。

采用自适应控制法对连续梁桥进行施工控制是很有效的。当结构的实测状态与模型计算结果不符时,通过将误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型的参数,使模型的输出结果与实测结果一致,得到修正的计算模型参数后,重新计算各施工阶段节段的理想状态。经过几个节段的反复辨识后,计算模型就基本与实际结构一致,从而对施工过程进行有效的控制。

连续梁桥施工控制流程如图 1所示,具体包括以下几方面的内容。

图 1 施工控制流程图

3 施工控制分析

大跨径预应力混凝土连续梁桥是采用悬臂施工方法分阶段逐步完成的,结构的最终形成必须经历一个漫长而又复杂的施工过程。对施工过程中每个阶段进行详细的变形计算和受力分析,是施工控制中最基本的内容之一。为了达到施工控制的目的,首先必须通过施工控制计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形方面的理想状态(施工阶段理想状态),以此为依据来控制施工过程中每个阶段的结构行为,使其最终成桥线形和受力状态满足设计要求。

3.1 施工控制中的结构分析

在对通河松花江特大桥的各施工阶段实施控制时,将其简化为平面结构,各节段离散为梁单元,主墩与主梁临时固结,连接处按刚臂处理,两边跨端部以及转换体系后的主跨支点处均为活动铰支座。在施工控制过程中,从前进分析、倒退分析、实时跟踪分析三方面入手,相互结合,实现成桥结构在线形、内力各方面满足设计要求的目标。

3.2 误差分析与参数识别、预测

采用悬臂现浇法施工时,由于施工过程复杂,影响参数如结构刚度、梁段重量、施工荷载、混凝土的收缩、徐变、温度和预应力等众多,在设计阶段,一般要假定这些参数为理想值,根据拟定的施工过程,确定桥梁施工过程中的控制变量,如各施工阶段的标高、应力等。但在设计阶段采用的上述参数在施工过程中由于各种原因很难和原先的理论值一致,如果在施工计算中仍然采用原先的理论值进行,那么施工完成后的成桥状态必将偏离理想的成桥状态。所以在施工过程中,必须根据桥梁结构的实际反应来适当调整计算参数,使得按照调整后的参数实施的每一施工阶段能尽量和实际的施工阶段一致,从而在施工结束后桥梁基本达到原先的理想成桥状态,这就是施工控制中参数识别与调整所要解决的问题。

进入悬臂浇筑施工之后,各种施工误差会不断出现,为此确定混凝土弹性模量 E、混凝土容重 r、截面面积 A、截面抗弯刚 EI、收缩和徐变调整系数 kφ五个基本参数作为实时控制调整原点。

通过施工期试验值 E、r及截面尺寸测量值、结构变位测量值f,对这些基本参数进行跟踪修正,使实际结构状态与修正后的结构理想控制目标相互靠近,并以此为基础预测未来状态。

在节段施工过程中,需要进行如下几个阶段的变形测量,详见表 1。

表 1 节段施工挠度测量

3.3 施工状态修正

根据已建结构状态及未建结构预测参数,重新建立未建结构各个施工阶段的理想控制目标,并预先验算应力状态。上述弹性模量、混凝土容重、截面面积、刚度、混凝土收缩徐变系数等结构参数作为上述结构状态理论值与实际值偏差的源点因素,因它们基于实测数据,在施工初期由于实测数据偏少可能存在估计偏差,所以经过一段稳定施工过程之后,可对初期参数重复调整、修改,并重新进行结构计算。

3.4 施工过程稳定分析

在悬臂施工的各个阶段,都要对主梁和墩柱的稳定进行细致分析,以确保桥梁安全施工。稳定分析包括墩柱的自体稳定性、墩柱悬浇稳定性、全桥稳定性及墩身在各阶段的最大内力。通过稳定分析,计算结构在自重、施工荷载、纵向风载、横向风载作用下的稳定安全系数,并结合结构应力、应变、变形情况来综合评定、控制其稳定性。施工中,除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外,施工过程中所用的支架、挂篮等施工设施的各项稳定系数也应满足要求。

墩柱的稳定计算按轴心受压构件计算公式验算。当长细比大于规范所列数值时,按临界力控制稳定,其稳定安全系数应大于 4～5。考虑到施工过程时间短,其稳定安全系数至少应大于 3。

3.5 施工过程风载对结构的影响

预应力混凝土连续梁桥在成桥运营阶段刚度较大,具有较强的抗风能力,而在最大双悬臂阶段刚度较低,在风荷载作用下将在墩根部产生较大的内力。计算时,首先确定桥址处的横向风压和纵向风压,然后对结构进行最不利情况加载,计算各施工阶段的风荷载内力。

对悬臂施工的连续梁桥,桥梁的主梁在横向风作用下将产生静的横向力、竖向力、扭转力矩及侧向水平抖振和竖向抖振惯性力。其中横向力将在主梁的悬臂根部产生较大的内力,而由于风的不均匀性及侧向水平抖振将在墩中产生较大的扭矩。因此须对主梁悬臂根部最大的横向内力、墩底最大横向内力、墩底顺桥向最大内力进行计算。

4 施工监测的主要工作内容

施工监测是施工监控的重要组成部分,包括施工过程中的结构设计参数、线形、应力、温度、预应力摩阻损失、施工荷载等方面的监测。

4.1 主梁结构部分设计参数的测定

在施工控制过程中,需对构件实际尺寸、结构弹性参数、节段重量参数、混凝土收缩和徐变系数、挂篮支反力及变形、钢绞线管道摩阻系数等参数进行测定。

4.2 主梁结构变形监测

(1)变形监测内容

变形观测是控制成桥线形最主要的依据。主梁变形监测主要包括主梁标高测量、主梁中心线测量两部分。作为标高或位移的控制测量结果,主要包括零号块标高、挂篮就位标高、混凝土浇筑后标高、预应力张拉前标高、预加应力作用后标高、合拢段标高等工序中的测量和控制。

(2)测点布置

在墩顶现浇段(长度 11m)的顶板布置 42个高程测点,以控制顶板的设计标高,同时也作为以后各悬浇节段高程观测的基准点。

具体测试时,采用精密水准仪结合全站仪测量测点标高,精度满足二等水准要求。为尽量减少温度对观测的影响,观测时间安排在日出之前。

4.3 主梁应力监测

结构截面的应力监测是施工监测的主要内容之一,它是施工过程的安全预警系统。在大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工过程中,主要测试桥墩和箱梁控制截面的应力。桥墩上测点布置在墩底及墩顶截面处,主梁上测点布置在悬臂根部、L/4等关键截面上,以观察施工过程中这些截面的应力变化与应力分布情况。

(1)测试仪器的选择

考虑要适合长期观测并能保证足够的精度,选用振弦式应力计和读数仪作为应力观测仪器。该应力计的温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强,适合于应力长期观测。

(2)测点布置

应力计按预定的测试方向固定在主筋上,测试导线引至混凝土表面。每个 T构的箱梁选取悬臂根部、L/4截面,每个 T构共计 4个截面,每个截面 13个测点,总共布置 520个应力量测点。每个 T构的根部截面各布置 6个测点,共计60个测点。全桥共计 580个应力量测点。

4.4 温度场观测

温度是影响主梁挠度的主要因素之一。温度变化包括季节温度变化和日照温度变化两个部分。在季节温度变化和日照温度变化两种因素中,日照温度变化最为复杂,尤其是日照作用会引起主梁顶、底板的温度差,使主梁发生挠曲,同时,也会引起墩身两侧的温度差,使墩身产生偏移。而季节温差对主梁挠度的影响比较简单,由于其变化的均匀性,既不会使主梁发生挠曲,也不会使墩发生偏转,而是通过使墩身产生轴向伸缩从而对主梁的挠度产生影响。由于日照温度变化的复杂性,在挠度理想状态计算时难以考虑日照温度的影响,日照温度的影响只能通过实施观测来加以修正。

(1)测试方法

日照温差测试包括表面温度测量和体内温度测量两部分。体内温度测试采用在测点埋设温度传感器,引出测试导线,再用相应的测试仪进行观测,得到箱梁日照温变的情况。对表面温度采用表面温度点测计测量,大气温度采用水银温度计进行。

(2)测点布置

在典型 T构上每侧选取墩顶、L/4断面作为测试断面,每个断面布置 15个测点。全桥共计有 300个温度测点。

墩柱的温度场测量在墩顶和墩底进行,共有 2个测试断面,采用表面温度点测计测量其表面温度。在施工期间,选择有代表性的天气进行连续观测。

4.5 混凝土强度、弹性模量及容重的测试

弹性模量是混凝土的物理参数,一般在施工中不产生变异,但弹性模量的增长往往滞后于混凝土强度,当箱梁块件施工周期较短时,对梁端挠度的影响非常大。因此,在施工过程中,不能仅用混凝土的强度指标控制施工的间隔时间,还应根据混凝土弹性模量的增长规律确定施工间隔。

采用现场取样的方法,进行混凝土 2～35d等 11个龄期的弹性模量和强度试验,得到混凝土的强度和弹性模量随时间的变化规律,为确定合理的预应力张拉时间提供依据,同时也为主梁预拱度的修正提供数据。

混凝土容重的测定采用现场取样,在实验室用常规方法测定。

4.6 截面几何尺寸测定

对每一节段的几何尺寸进行测量。测量截面高度、箱梁顶板宽度、厚度、悬臂板长度、厚度、腹板厚度、底板长度和厚度等,将实际值与设计值进行比较,求出由此引起的节段重量、截面面积、惯性矩的变化。

4.7 混凝土收缩、徐变综合调整系数的测试

混凝土的收缩、徐变对主梁的内力与挠度均有较大影响,但理论值与实际往往有较大的差距,为此,需通过实测数据对理论值进行修正。

采用钢筋混凝土小梁,进行自然条件下混凝土 3d、7d、14d、21d四个加载龄期的徐变、收缩试验,得出在现场自然条件下混凝土的收缩、徐变系数变化规律以及徐变与加载龄期的关系,为主梁内力和挠度的计算修正提供数据。

4.8 管道预应力摩阻损失的测定

本测试旨在定量测定钢绞线的摩阻损失,以确定实际有效的预应力吨位和预应力筋的延伸量。

4.9 挂篮预压及承载力试验

本桥采用挂篮悬臂施工方法,悬浇重量很大,挂篮的承载能力和变形性能是保证桥梁施工安全和线形控制的关键。因此,为确保挂篮的承载能力和变形性能达到要求,需进行挂篮的承载力实验,以测定挂篮的弹、塑性变形和其实际承载能力。主要步骤为挂篮预压、逐级加载试验。试验完成后,根据试验数据画出挂篮前端变形与加载吨位之间的关系曲线,作为以后悬臂施工设置预抛高的依据。

5 结束语

在通河松花江特大桥施工过程中,对各施工工况进行了详细的计算和数据采集,并对标高进行调整,合拢后大桥线形平顺,箱梁应力水平在设计要求范围之内,施工控制达到了预期的要求。