跨线钢箱-混凝土叠合梁桥施工控制技术

吕颖钊，唐 熙

（1.杭州市公路管理局，浙江 杭州310030；2.浙江省交通科学研究院，浙江 杭州310006）

0 引言

钢箱-混凝土叠合梁是通过剪力件将钢梁与混凝土板连接起来共同受力、变形协调的一种梁，其充分利用了钢的优越抗拉性能和混凝土的优越抗压性能，显著提高了梁的刚度和稳定性。钢箱-混凝土叠合梁具有结构轻盈、跨越性强、承载力大、便于架设、造型优美等优点，已成为近年来迅速发展的一种中等跨径桥梁结构型式[1-2]。

鉴于这种桥梁结构型式在公路跨线桥上应用并不多，各地应用情况也存在差异，因此，设计部门一般要求在钢箱-混凝土叠合梁桥施工过程中进行监控。施工监控的目的主要有：（1）保证施工过程中桥梁结构的安全、可靠；（2）保证桥梁的成桥线形、变位以及关键部位的应力状态符合设计要求。通过开展施工监控，对结构理想状态和实际状态差异性进行测试和分析，根据需要调整、优化施工方案，指导施工现场作业，使桥梁结构趋于理想状态[3]。特别是在遇到危险情况时，可以及时发出预警信号。

本文结合某公路跨线钢箱-混凝土叠合梁桥的施工工序，对其线形、应力监测和结构状态变化规律进行分析。

1 工程概况

1.1 工程背景

B匝道桥位于钱江通道及接线工程南接线段第11 施工合同段齐贤枢纽范围内，其上跨杭甬高速公路，跨径组合为35m+33m，桥面宽度为9.8m，梁高1.8m。主梁下部由两片开口薄壁钢箱梁通过横隔板横向连接而成，上部为25cm 厚整体现浇钢纤维混凝土桥面板，钢箱梁和桥面板之间通过剪力钉连接，以保证两种材料共同受力和变形协调。中间主墩为钢墩，内填钢纤维混凝土，与主梁底板固结。

B匝道桥钢箱梁的加工地点在武汉，架设地点在杭州，为方便运输和架设，根据长度和重量要求，将钢箱梁分为6段进行运输、吊装和焊接。为确保B匝道桥的顺利施工，对该桥进行施工监控。

1.2 施工阶段划分

根据施工方案及现场安排，B匝道桥主要施工阶段划分如下[4-6]：

（1）安装架设主墩，搭设临时支墩；

（2）分段吊装钢箱梁；

（3）纵向焊接各段钢箱梁；

（4）焊接横隔板；

（5）浇筑主墩及边支座上方箱内混凝土；

（6）拆除临时支撑；

（7）搭设桥面板模板；

（8）第一次浇筑桥面板混凝土；

（9）第二次浇筑桥面板混凝土；

（10）边支座顶升；

（11）边支座安装就位；

（12）施工防撞护栏及桥面铺装。

根据B匝道桥施工过程中结构体系的变化开展监控，以控制结构的稳定性、变形和应力。当发现结构可能会失稳、主梁线形较大幅度偏离阶段目标、主梁应力接近或超出安全控制指标时，应暂停施工并查明原因。整个监控过程以线形监控为主、应力监控为辅。

1.3 监控截面及测点布设

（1）应力监测

根据设计和招标要求，钢箱-混凝土叠合梁应力监控截面为每跨跨中截面和中间墩墩顶截面，如图1所示。

图1 应力监控截面布置图

为了确保监测数据的可靠性，采用目前技术比较成熟的表贴式振弦应力传感器作为应力监测设备，焊接于钢箱梁的内侧表面，每个截面设置10 个应力测点，B 匝道桥共设置30 个测点。测点布置如图2所示。

图2 截面应力测点布置图

（2）变形监测

对于变形监测，每隔5m 布置一个监测断面，每个断面的测点在钢箱梁架设并焊接完成后布设于钢箱梁翼板顶部靠外侧，在桥面板浇筑前后则通过在相应位置布设钢筋头来实现。测点布置如图3所示。

图3 截面变形测点布置图

2 监控及分析

2.1 计算模型

结合工程精度要求，为便于计算，采用Midas Civil 2012有限元分析软件进行建模分析，钢箱-混凝土叠合梁共设置梁单元240 个，节点237 个。假定桥面板与钢箱梁能够共同受力和协调变形，即二者之间不发生相对滑移[7]，桥面板与钢箱梁之间采用刚性连接模拟。计算模型如图4、图5所示。

图4 全桥模型示意图

图5 截面模型示意图

根据施工阶段划分及现场实际操作，钢箱-混凝土叠合梁建模计算分为16 个工况。其中，钢箱梁分段安装、临时支撑拆除、桥面板浇筑（分两次浇筑）、支座顶升、护栏及桥面铺装施工为主要施工阶段。限于篇幅，本文仅针对临时支撑拆除、桥面板浇筑（分两次浇筑）、支座顶升等3 个关键工序进行施工监控分析。

2.2 应力分析

桥梁采用分阶段施工时结构应力一直是关注的重点，如果结构实际应力状态与设计应力状态不符，将造成严重的结构强度问题[8-9]。但是，一方面阶段施工中结构应力的精确计算受到不同模拟方法的限制，另一方面结构实际应力受现场临时荷载及环境温度等因素影响，使得实测应力与理论应力存在一定偏差。通过现场应力监测，可及时判断结构是否处于安全状态，为下一步施工提供指导。关键工序实测应力与理论应力对比结果（以S1、S2截面为例）如图6～图11所示。

图6 临时支撑拆除后S1截面各测点应力结果

图7 临时支撑拆除后S2截面各测点应力结果

图8 桥面板浇筑(分两次浇筑)后S1截面各测点应力结果

图9 桥面板浇筑(分两次浇筑)后S2截面各测点应力结果

图10 支座顶升后S1截面各测点应力结果

图11 支座顶升后S2截面各测点应力结果

从应力监测结果可以看出：

（1）各关键工序下跨中（S1）和支点（S2）的应力实测值均在容许范围之内，实测值与理论值整体变化趋势基本吻合，说明钢箱-混凝土叠合梁在施工过程中的截面变形均满足平截面假定，没有发生局部失稳现象，结构处于安全状态。

（2）局部测点应力实测值与理论值偏差较大，这与传感器安装及温度影响等有关。

（3）支座顶升工序对叠合梁中支点截面受力产生了积极的影响，不仅消除了箱梁底板大部分压应力，还在叠合梁上部现浇桥面板内产生了一定的压应力储备。

（4）计算模型对梁单元作用扭矩效应考虑了弯扭耦合作用，计算结果可满足工程精度要求。

2.3 变形分析

考虑到环境温度对主梁变形(挠度)的影响较大，对变形测点的测量选在清晨5：00—8：00进行，此时结构正好处于夜间降温主梁上挠变形停止和白天升温主梁下挠变形之前，是环境温度所致结构变形相对稳定的时段，可消除环境温度对主梁挠度变化的大部分影响。关键工序实测变形与理论变形对比结果（以B1测点为例）如图12～图14所示。

图12 临时支撑拆除后各监测断面B1测点变形结果

图13 桥面板浇筑（分两次浇筑）后各监测断面B1测点变形结果

图14 支座顶升后各监测断面B1测点变形结果

从变形监测结果可以看出：

（1）各关键工序下结构实测变形与理论变形整体趋势吻合良好，说明采用Midas 程序建模分析，计算结果在工程精度要求范围内，满足施工控制要求；同时，也验证了桥梁线形的变化规律和程度基本符合设计目标；

（2）尽管在测量时间上避开了温度较高且变化较快的时段，但是由于环境温度对结构的影响复杂，很难完全消除其对实测变形的影响；

（3）在理论变形绝对值较小的区域，实测值有一定偏离，这与测量误差等因素有关，属于正常情况。

3 结语

本文通过对钱江通道及接线工程南接线段第11施工合同段齐贤枢纽跨杭甬高速B匝道钢箱-混凝土叠合梁桥的施工监控，详细分析了在临时支撑拆除、桥面板浇筑（分两次浇筑）、支座顶升等3个关键工序下结构应力和线形的变化情况。监测数据与理论数据对比表明，该桥的应力和变形均在正常范围之内，结构处于安全状态。其中，支座顶升工序对叠合梁关键截面受力产生了积极的影响。同时，采用Midas程序建模分析，对梁单元作用扭矩效应考虑了弯扭耦合作用，对于中等跨径的钢箱-混凝土叠合梁桥的施工控制计算是有效的，可满足工程精度要求。

[1] 范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 聂建国.钢箱-混凝土组合梁结构：试验、理论与应用[M].北京：科学出版社，2005．

[3] 尹伯辉.小半径曲线钢-混凝土组合梁施工与控制技术研究[D].北京：北京建筑工程学院，2012．

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

[5] 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．

[6] 翟文静.预应力钢-混叠合梁的施工工艺及关键技术[J].交通标准化，2010（1）：133-136．

[7] 郑舟军，陈开利.混合梁斜拉桥结合段剪力钉受力机理研究[J].武汉理工大学学报，2008，32（4）：767-770.

[8] 刘建达.钢箱-混凝土组合梁设计和施工的研究[D].北京：北京工业大学，2007．

[9] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].