大跨径连续梁桥施工监控研究与实践

杨 斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

近几年来,随着铁路事业的快速发展,大跨径预应力连续梁桥因其结构刚度大、跨越能力大、施工技术成熟而得到了广泛应用。施工时主要采用挂篮分段悬臂浇筑的方法,其主要特点是：施工时需要分节段立模浇筑混凝土梁段,然后再分批张拉钢束,逐步完成体系转换和合龙等众多施工工艺,所以,整个结构在施工过程中,其线形和应力会发生比较复杂的变化。为了保证成桥时的线形及每一节段施工中的安全和质量,对于大跨径预应力连续梁,在施工时必须对其进行现场监控和力学分析。

1 工程概况

中平跨京珠高速公路特大桥是石武客运专线上的一座重要桥梁,其桥跨布置为(80.6+128+80.6) m的3跨预应力混凝土连续梁,截面形式采用单箱单室、变高度、变截面直腹板形式,梁顶板宽12 m,底板宽7 m。中支点梁高9.6 m(高跨比1/13.3),边支点及跨中梁高5.6 m(高跨比1/22.8),梁底按二次抛物线变化。主梁施工采用挂篮悬臂浇筑法,全桥除0号块外共分为21对梁段,中支点0号块梁段长18 m,边跨、中跨合龙段长度均为2.0 m,边跨现浇直线段长16.45 m,最大悬臂浇筑块重21 332.5 kN。箱梁纵向预应力钢束采用19-7φ5 mm、15-7φ5 mm钢绞线,竖向预应力钢筋采用φ25 mm的螺纹钢筋,横向预应力束采用4-7φ5 mm钢绞线。

2 施工监控思路

大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工控制是一个理论计算预测→按预测进行阶段施工→阶段施工完后量测、反馈→根据量测反馈进行参数识别、修正→进行下一阶段理论计算预测的循环过程。其工作内容主要分为2个部分：一部分是数据的采集,预先在桥上埋设各类传感器和监控系统,每个施工工况完成后采集数据；另一部分是根据所采集到的数据进行分析处理,以确定下一个施工阶段的参数。因此,在施工监控中需要采集大量的观测数据和进行大量的计算工作。

3 分析模型的建立

3.1 结构单元的划分

中平特大桥的计算采用桥梁专用分析软件Midas/Civil进行分析模拟计算,全桥采用空间直线梁单元,共323个节点,322个单元。全桥模型如图1所示。

图1 全桥有限元模型

3.2 计算参数的选取

主梁采用C50混凝土,其弹性模量为3.55×104MPa,混凝土容重γ=25 kN/m3。纵向预应力钢筋采用标准强度级别1 860 MPa,公称直径为15.2 mm高强度低松弛钢绞线,弹性模量为195 GPa。钢束与管道壁的摩擦系数取0.25,偏差系数取0.003,锚具回缩取6 mm。

4 监控方案

4.1 主梁线形控制

在挂篮悬臂法浇筑施工中,每一梁段预拱度的设置对于保证成桥线形是最为关键的。只有合理设置预拱度,才能在最后合龙阶段保证2个悬臂端可能在同一水平线上,也才能保证梁部结构在经历了施工阶段和运营一定时间后,其桥面线形能尽量与设计目标状态相吻合。对于主梁的桥面线形,其影响因素有很多,主要如下：(1)施工阶段时主梁的自重和预加应力,即通常所说的一期恒载；(2)施工过程中的临时荷载；(3)悬浇时采用的机具设备重(挂篮、模板等)；(4)二期恒载、风荷载、湿度变化、温度变化；(5)基础沉降、桥墩变位、施工误差等。

以上影响桥面线形的因素,在对中平特大桥的线形控制中,都做了充分的考虑。下面简要介绍各梁段立模高程的确定方法。立模高程主要按下面的公式计算。

H=H1+H2+f

式中H1、H2、f分别为设计高程、立模预拱度及挂篮的变形值。

设计高程一般由设计院提供,通过桥梁专业软件程序对结构仿真计算分析可以得到预拱度(本文采用Midas模拟分析得到),挂篮变形值可以通过在施工现场对挂篮进行预压试验而得到。

中平特大桥在每段悬浇梁端断面顶板上各布置3个观测点,分别是箱梁中心线上和距梁两边0.5 m的位置处,如图2所示。根据施工每一悬浇梁段的过程,分别对混凝土浇筑后、预应力张拉后及挂篮移动后进行监测。在各施工工况中,如每一梁段混凝土浇筑前后,预应力张拉前后,观测其高程最能客观反映实际施工时主梁的挠度变化,这是在对结构线形监控分析中最重要的依据。由于篇幅所限,这里仅列出施工中1号墩部分高程的情况,见表1。

图2 位移(高程)测点截面布置(单位：cm)

表1 1号主墩8号块浇筑后主梁高程

一般,希望成桥后的线形是理论成桥线形,根据成桥后的最后一个施工阶段向前依次反推前一个施工阶段的桥梁高程,通过这种分析方法便可以得到不同施工阶段下每一个梁段的理论高程值,通过对比分析,便可以得知理论值与实际线形的偏差,从而调整后续梁段的立模高程,以此来保证主梁线形,起到监控作用。另外,成桥后的桥面平顺与否是线形控制的主要目标,在各施工节段中,不必刻意地去追求个别点的理论高程,如果实测高程与理论计算值有偏差时,不必非要在下一个梁段施工中立即修正过来,而应该先分析产生偏差的原因,而后修正后续梁段的立模高程,逐渐将高程偏差纠正过来。最后成桥时可能很多梁段的实际高程与设计高程不符,但桥面整体线形平顺。

从表1高程数据可以看出：各梁段高程偏差基本控制在10 mm范围内,最大差异也仅有7 mm,是比较小的,说明线形得到了很好的控制。

4.2 应力监控

应力监测是保证大桥在施工阶段和成桥运营时安全的主要依据,也是大跨径连续梁桥施工监控的主要内容之一。通过在需要测试截面的梁段混凝土中预先埋入应力测试元件,并在以后的各施工阶段进行测试。由于需要在桥梁每一梁段施工中根据各荷载工况分别进行应力测试,因此在选择测试元件时,要求元件应具备抗干扰能力强,性能稳定,埋设方便及对施工干扰小等特点。通过以前的测量经验和对国内元件的综合分析比较,采用埋入式应变传感器,读数仪器采用配套的SS-Ⅱ型钢弦式频率测定仪。

中平特大桥的主梁选择9个测试截面,分别设置在0号块、2号块、边跨跨中及中跨跨中处,如图3所示,钢筋应力计分别布置在顶板上层钢筋和底板下层钢筋上,每个测试断面布置4根钢筋应力计,如图4所示。本桥应力监控采用阶段应力分析方法,其优点是可充分反应梁体在各个施工阶段所产生的应力变化情况,根据实测的数据对每个阶段进行分析和处理。由于所采集的实测数据较多和篇幅所限,仅给出2号块截面施工阶段下的实测值与理论值进行对比分析,如图5、图6所示。

图3 主梁测试断面布置(单位：m)

注：图中黑色小矩形块表示钢筋应力计布置位置

图5 连续梁2号段边跨侧距墩顶12 m截面混凝土应力随施工过程变化实测曲线

图6 连续梁2号段中跨侧距墩顶12 m截面混凝土应力随施工过程变化实测曲线

由图5、图6所反应的混凝土应力变化情况来看,2号块截面各个施工阶段下的应力实测值与有限元计算的理论值变化趋势基本一致,应力相差也不大,实测值中最大值在9 MPa以内,说明采用程序计算的理论结果是可靠的,能够保证连续梁在整个施工过程中,其实际应力状态一直处于安全有效的控制之中。

4.3 温度监控

由于桥梁施工监控的周期长,气候季节的变化,周围温度的改变和阳光照射不同的原因,再加上混凝土结构本身的热传导性能比较差,这些都将会使结构表面和内部形成较大的温度梯度。本桥在1号墩靠近墩身处(1号段)预埋温度传感器,通过预埋元件监测的数据,获得箱梁的温度场,进而掌握箱梁的温度变化规律,为预测高程和确定箱梁合龙温度提供依据。

对1号块从早上8：00点到晚上18：00点每隔2 h测1次悬臂前端断面的高程,并记录测量时的温度,实测数据见表2。

由表2可以得知：当外界气温变化时,箱梁挠度不是立即跟着变化,而是具有滞后性,即当温度升高,箱梁不是立即跟着下挠。

由于温度的升高,箱梁有普遍下挠的规律,因而对施工阶段的高程观测产生较大的误差。所以,大跨连续梁桥的施工监控观测应在气温基本相同的情况下进行。一般宜在早晨8：00之前结束当次测试工作。本桥在监控过程中,采用上述温度—挠度变形测量的成果,在确定每一节段立模高程时,分析影响因素,对其进行修正,取得了较好的效果。

表2 1号块箱梁温度-挠度随气温变化观测结果

注：天气状况,晴天；施工工况,1号块浇筑后。

5 结语

对石武客运专线中平特大桥的监控分析,得出以下结论。

(1)从主梁的线形控制结果来看,虽然各梁段实测高程值与理论高程值有些偏差,但偏差范围均控制在10 mm以内,符合规范的要求。这说明将实测数据与理论模型相结合来分析所得出的各节段立模高程值来指导施工,可有效地控制误差的产生。

(2)从主梁的应力监测结果来看,所布置监测元件的测点截面,在各施工阶段下的应力实测值与理论计算值的变化规律基本相符,吻合较好,说明了本文采取的计算理论是正确的,计算结果是可靠的。

(3)通过对比实测值与理论值,中平特大桥在悬臂施工过程中的线形和应力都得到了很好的控制,因而所采用的施工监控方案可以为以后类似桥形的施工控制提供借鉴。

[1] 徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 范立础.桥梁工程(上)[M].北京:人民交通出版社,1983．

[3] 周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社,1994．

[4] 张继尧,王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M]. 北京:人民交通出版社,2004．

[5] 曹江海.145 m高墩连续刚构桥[M]. 北京:人民交通出版社,2001．

[6] 陈素君.高墩大跨连续刚构桥的设计与施工监控[J].公路,2003,(3)

[7] TB 10002. 3—99,铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范[S].

[8] 葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社,2003．

[9] 周峰,王慧东.大跨连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践[D].石家庄铁道学院学报,2009(2).

[10] 顾安邦,张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京:机械工业出版社,2005．

[11] 雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计[M].北京:人民交通出版社,2000．