某变截面连续箱梁施工监控技术与实践

梁 峰,刘离榕

(1.上海先行建设监理有限公司,上海 200070;2.中交三公局 第四工程分公司,重庆 401147)

1 桥梁施工监控的意义、目的和内容

随着交通运输需求的日益增长和桥梁建设技术水平的不断提高,桥梁的跨度不断增大。与此同时,桥梁监控已经是桥梁施工中不可或缺的一部分。科学合理的施工方法与监控方案为最大限度保证桥梁建设与运营安全、大跨径桥梁的理想几何线形与合理的内力状态提供了技术支持,并为后续桥梁施工提供可靠数据和积累技术资料[1-3]。为此,李松[4]、任伟[5]等分别提出了大跨度桥梁悬臂施工集成化监控系统和精细模拟方法。当然,一个好的监控方案,是要根据具体的施工条件来制订的。

对于变截面连续箱梁来说,施工监控的目的就是确保施工过程中结构的安全,保证桥梁结构形成后的外形和内力状态符合设计要求。施工监控内容包括应力控制和变形控制,其中变形控制即标高控制,主要体现在施工控制模拟结构分析、施工监测以及施工误差分析等方面[1,6]。它可以实时监测桥梁内部结构的受力状态,形象反映箱梁成型和受力数据,指导控制施工过程,将桥梁设计者的意图很好地贯彻到桥梁施工中,保证桥梁的结构稳定。

2 工程概况

该大桥位于渝西南某河段,左、右幅桥纵面位于i=-0.409%直线段上。桥跨布置为48 m+80 m+48 m,共3跨。桥梁为全预应力混凝土变截面连续箱梁,由上、下行分离的两个单箱双室箱型截面组成。箱梁根部高度4.5 m,跨中高度2.0 m。箱体顶板宽16.99 m,厚28cm,设 1.5%的横坡;底板宽11.49 m,箱梁根部底板厚62.4cm,跨中底板厚28cm,箱梁高度以及箱梁底板厚度从跨中至根部按1.8次抛物线变化,跨中腹板厚度45cm,根部腹板厚度65cm;主桥上部构造按全预应力混凝土设计,中跨80 m及48 m边跨采用三向预应力。下部构造主桥采用实心花瓶墩结构,钻孔灌注桩基础,桥台为桩板式轻型桥台。

3 施工监控方法与理论分析

结构分析是施工控制的主要工作内容之一,该项工作根据施工过程与成桥运营情况来完成各施工状态及成桥后的内力、应力与位移计算,进而确定出结构各施工阶段的应力与位移理论值。全桥离散单元如图1所示。

图1 全桥单元离散图

采用公路桥梁结构设计系统GQJS软件,对该连续刚构桥各施工阶段的内力、应力及预拱度进行较详尽的分析。采用桥梁博士Version 3.0进行校核计算。代表性的施工阶段计算简图如图2。

图2 悬臂阶段计算简图

根据已有工程经验[7-8],在采用软件的计算结果上,设置附加预拱度边跨为3cm,中跨跨中为5cm,其余各点按二次抛物线沿桥跨进行分配,以此合理地预估后期的收缩徐变变形量。

图3为关键施工第41、42阶段时主梁各截面最大、最小正应力。由图3可知,在这两个施工阶段中,最大压应力分别为 13.07MPa和13.16MPa,施工阶段的应力均满足要求。

图3 施工阶段应力图

4 施工监控实施方案

4.1 系统组成

施工监控涉及监控分析、施工、测试等方面的工作。其工作程序如下:

(1)监控分析人员根据现场测试及测量的各种有关数据,及时地输入计算机对结构进行各种参数的分析,从而确定下一阶段施工控制值,按程序发送下一阶段施工工序通知单;

(2)施工单位对各施工阶段进行现场测量(标高、结构实际尺寸、施工偏差等),并及时掌握现场施工荷载变化情况,将有关数据资料反馈给监控分析人员;

(3)测试人员测试出控制截面混凝土的应力状态,量测控制点的温度,将有关资料反馈给监控分析人员;

(4)重复上述步骤进行下一阶段施工控制,直到大桥合拢。整个工作程序见图4。

图4 监控系统组成

4.2 线形测量

挠度及平面位置观测资料是施工控制中控制成桥线形最主要的依据,尤为重要。在施工过程中,对每一个悬浇梁段都需要进行立模时、混凝土浇筑后张拉预应力钢束前、张拉完预应力钢束后这三种工况的标高观测,以便观测各点的挠度及箱梁曲线的变化历程,以确保箱梁悬臂端的合拢精度及桥面的成桥线形。

4.2.10#块高程测点布置

布置0#块高程测点是为了控制顶板的设计标高,在各墩顶面标记出固定水准点,作为以后各悬浇节段高程观察的基准点。

(1)各墩柱及0#块施工完毕,悬浇施工前应测量0#块的竣工位置。要求测量0#块两端部顶面共计8个点的标高,布置如图5所示。

图5 0#块标高测点布置示意图(单位:cm)

(2)线形测量受温度影响很大,因此测量应在气温相对稳定时段进行,且应保证在一定时限内完成,并同步测量环境温度、应力等。

(3)要检查每段的轴线位置,在浇注3段左右后应对桥梁轴线进行一次复核。

4.2.2 悬浇节段高程测点钢筋用红油漆标记

各悬浇节段在其端部设置标高测点。采用φ 14钢筋,垂直方向与顶板上层钢筋点焊连接。测点(钢筋)外露混凝土表面2cm,悬浇阶段高程控制点布置同图5。

4.3 应力测量

除主跨结构线形及位移监测外,主跨结构应力监测也是施工控制的一个重要监测内容,通过该项应力监测可迅速知道主跨受力状况,及时判定主跨应力是否超限,从而可知道主跨安全状况。因此,必须进行应力跟踪观测。该项观测在每一施工阶段都要进行,并贯穿整个施工过程,且应力测试时间应选在气温稳定时段与高程测量同步进行。

选取施工过程中受力不利的截面为控制截面。主梁主要选取1#节段、跨中截面共3个控制截面设置测点。每个截面布置8个测点,如图6。

图6 箱梁应力测点布置图

4.4 温度测试

温度是影响主梁挠度的最主要因素之一,特别是昼夜温差,可能引起主梁悬臂端较大的挠度变化,不同的太阳照射方向将会引起桥墩的挠曲变形,从而使主梁产生偏转,季节温度的变化也将导致结构的变形。因此,温度的现场测试选温度相对稳定的时刻,一般选清晨日出之前进行,以消除日照温差的影响。

温度测试采用埋设高阻值热敏电阻SWF3-1Z,用FLUKE45高精度数字繁用表测读。高阻值热敏电阻不受导线长度的影响,误差为±0.2℃,安设比较方便。由于本桥跨径小,悬臂段短,根据工程经验,可以不进行专门的温度测试,只需在温度变化大的季节,不同温度时段进行变形监测,依此修正立模标高,即可达到控制精度。

5 施工监控监测数据及分析

5.1 桥梁标高监控

桥梁标高监控结果如图7、图8所示。从中可以发现,桥梁成桥阶段竖向变形值对称,与设计值吻合较好。左幅桥跨中标高扣除二期恒载,留有8.1cm的富裕预拱度,边跨留有3.9cm及3.9cm,右幅桥跨中标高扣除二期恒载,仍留有10cm的富裕预拱度,边跨留有2.7cm及3.6cm,基本满足后期混凝土徐变收缩、预应力损失等因素的要求,从而确保了桥梁在长期的运营阶段能够保持平顺的线形和合理的内力状态。可见,主梁高程及线形变位控制达到了较高的精确度,结构变位及高程变化特点符合预应力混凝土连续箱梁特点。

图7 左幅桥面设计标高与实测标高线形比较

5.2 桥梁截面应力监控

除主跨结构线形及位移监测外,主跨结构应力监测也是施工控制的一个重要监测内容,通过该项应力监测可迅速知道主跨受力状况,及时判定主跨应力是否超限,从而可知道主跨安全状况。因此,对整个施工过程进行了应力跟踪观测,且应力测试时间选在气温稳定时段与高程测量同步进行的。

不同监控断面各应力监测点位如图9所示。边跨底板预应力束张拉后其实测应力如表1所示,中跨底板预应力束张拉后其实测应力如表2、表3所示。其中箱梁混凝土弹性模量取3.8×104MPa。

图8 右幅桥面设计标高与实测标高线形比较

图9 应力监测点位示意图

表1 左幅边跨合拢段应力 单位:MPa

表2 左幅中跨合拢段应力 单位:MPa

表3 右幅中跨合拢段应力 单位:MPa

从表1～表3所示各测试截面应力状态监测结果可以发现,在施工阶段各工况下实测值和图3所示的理论设计值变化趋势基本吻合,都在规范[9-10]和设计允许范围之内。梁结构的应力分布基本反映了结构设计及施工监控理论计算的预测结论,边、中跨箱梁顶、底板应力状态变化趋势与理论计算相符。箱梁截面整体受力分配均匀,未出现扭转现象。

6 结 语

桥梁施工监控作为桥梁施工技术的重要组成部分,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。本文对主桥的施工进行了逐节段监控,并依据实测有关参数对理论模型加以修正,通过监测数据的对比分析表明,实测应变值扣除收缩徐变的影响,应力值与理论值基本一致;实测应力值在规范和设计限值范围内;桥面纵、横、侧线型均流畅平顺。工程实践表明,该大桥所采用的施工方法与监控方案合理可行,能满足工程的要求,可为同类型桥梁的施工控制提供借鉴。

[1]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]黎双邵,张 勇,黄 沛.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(2):57-58.

[3]余建球.桥梁施工监控实施方案[J].江西建材,2010,(2):80-81.

[4]李 松,陈钒,唐 英.大跨度桥梁悬臂施工集成化监控系统设计[J].四川建筑,2005,25(3):61-62.

[5]任伟,李闻涛,许世展,等.大跨径桥梁施工监控精细模拟及数据分析[J].西安科技大学学报,2009,29(5):554-558.

[6]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,1999.

[7]耿会勇,陈国梁.浅谈转体桥梁施工中的线形和内力监控[J].铁道建筑技术,2009(增1):220-223.

[8]陶双龙.监控技术在超宽桥梁悬臂浇筑施工中的应用[J].安徽建筑,2011,(2):113-119.

[9]中华人民共和国交通部.JTG TF50-2011.公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[10]中交公路规划设计院.JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.