预应力混凝土连续弯梁桥悬臂法施工的监控技术研究

杨亚芳

(中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西西安　030024)



预应力混凝土连续弯梁桥悬臂法施工的监控技术研究

杨亚芳

(中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西西安030024)

摘要:结合郑西高铁咸阳渭河特大桥工程，总结了施工过程中影响大跨径预应力混凝土连续弯梁桥应力、应变的主要因素，分析了弯桥结构在悬臂法施工阶段的力学性能和线形变化规律，探讨了曲率半径和季节温差对弯桥的作用效果。研究结果表明:随着曲率半径的减小，静定T构悬臂根部截面的扭矩增大，而弯矩和轴力有所减小，横向位移增加明显;季节温差会引起静定T构端部截面产生较大的横向位移;日照温差应按二维温度梯度模式进行温度作用效应计算，不同的温度梯度模式引起的效应差别很大。

关键词:预应力连续弯梁桥施工监控悬臂法施工曲率半径温差

连续梁具有结构整体性能好、刚度大、抗震性能好、行车舒适、养护简易、桥面伸缩缝少等诸多优点。为了保证桥梁在整个施工过程中的安全以及对施工进行优化，使桥梁在各个施工阶段的几何线性及应力分布能够最大程度地接近设计要求，需要对桥梁施工进行控制与监测［1-3］。HASSAN，MURIA-VILA等［4-5］通过对桥梁长期监测与分析，及时了解和控制桥梁的受力状况，使桥梁健康评估更精确可靠;李祥辉［6］在研究桥梁检测技术的基础上，考虑到桥梁在运营阶段的收缩徐变，提出了一种较为实用的桥梁健康状况评估方法;李国平等［7］提出了最优施工控制的理论和方法，并应用于大跨度连续梁桥;顾安邦等［8］提出随机最优监控理论，在重庆黄花园嘉陵江大桥施工监控中予以运用。

本文总结了施工过程中影响大跨径预应力混凝土连续弯梁桥应力、应变的主要因素，运用Midas/Civil仿真软件分析了该桥在悬臂法施工阶段的力学性能和线形变化规律。

1　悬臂法施工

1. 1施工流程

主梁采用悬臂灌筑法施工，墩顶梁段在各墩顶灌筑，其余梁段用活动挂篮悬臂灌筑。

0#块施工工艺流程:墩顶临时固结施工→支架搭设及预压→0#块底模板、外模板安装→0#块混凝土浇筑→0#块与临时墩固结→张拉锚固相应预应力筋。

活动挂篮悬臂法施工工艺流程:挂篮前移就位→调平模板→(钢筋制作)安装底板及腹板钢筋→安装内模→绑扎顶板钢筋→安装预应力管道→监理工程师验收→浇筑混凝土(制作试块)→混凝土养护、拆模及接缝处理→预应力筋下料、穿束→张拉预应力筋→封锚、压浆→挂篮前移就位。

1. 2施工关键技术

1)施工稳定性设置

在悬臂法施工过程中，可能会出现不对称悬臂或横向不对称荷载，此时必须保证梁段上部结构的稳定性，0#块梁与桥墩之间需要采取一定固结措施，使梁段在整个施工阶段处于稳定和可靠状态。

2)预拱度设置

通过设置预拱度来实现梁体的线形要求。在各个施工阶段进行合理的挠度控制，采用Midas/Civil软件倒序法进行挠度计算，根据每个阶段的挠度值来设置预拱度，达到预期目标。

3)悬臂法施工过程中的纠偏措施

由于计算的误差以及施工过程的偶然因素，梁体线形有可能达不到预期的设计目标，会出现一定的偏差，此时必须采取一定的纠偏措施。主要措施:通过测量梁体挠度，并与预期的恒载位移进行叠加得到梁体线形;如果梁体线形不合理，则运用最小二乘法与目标线形拟合，确定后续施工需要调整的节段及线形调整量。

2　工程条件

2. 1桥梁上部结构形式

该工程为位于新建铁路郑州至西安客运专线引入西安枢纽客运北环线的咸阳渭河特大桥，上部结构为4联14跨双线铁路预应力混凝土连续弯梁桥，全桥长1 326. 9 m，最大跨度120 m;分跨情况为( 75. 75 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 120 + 75. 75) m，( 75. 75 + 120 + 75. 75) m。该连续梁桥位于半径为3 500 m的曲线上。跨渭河连续梁桥立面见图1。

图1跨渭河连续梁桥立面(单位: m)

梁体采用单箱单室直腹板的变高度预应力混凝土箱梁，箱梁顶宽13. 4 m，底宽6. 7 m。箱梁梁底按二次抛物线变化，抛物线方程为y = 0. 002 7x1. 8。中支点处梁高9. 6 m，直线现浇段梁高5. 8 m，边支座中心线至梁端为0. 75 m。箱梁顶板厚0. 4～1. 2 m，底板厚0. 5 ～1. 40 m，腹板厚0. 55～1. 20 m。箱梁悬臂端部厚0. 2 m，根部厚0. 65 m。

2. 2施工概况

由于3跨一联和4跨一联的连续梁的跨度、箱梁结构形式、临时支座和永久性支座类型、预应力钢束及钢筋的布置形式完全相同，所以连续梁的施工工艺基本相同，但3跨一联和4跨一联连续梁的合龙顺序不同。

主要施工步骤:在中墩两侧承台上施工临时墩→在中墩顶安装永久支座→搭支架浇筑0#块，并与临时墩固结→在0#块两端安装挂篮，浇筑1#块→移动挂篮，逐段对称悬臂浇筑各梁段→浇筑边跨现浇段;中跨合龙，拆除临时墩→边跨合龙。

施工时形成10个T构: a～j，见图1。箱梁梁段划分见图2，1#～14#梁段采用菱形挂篮悬臂浇筑施工，0#段及边跨直线段采用支架施工，合龙段采用吊架施工。

图2箱梁梁段划分(单位: m)

3预应力混凝土连续弯梁桥悬臂法施工建模

3. 1模型简化

利用Midas/Civil建模，共划分99个单元，进行预应力混凝土弯桥悬臂法施工仿真分析。桥梁模拟过程中做以下简化:①单元为空间直梁单元，节点的空间坐标由梁顶截面形心点表示，计算坐标时单元的弦长近似为弧长;②仅考虑各施工段桥梁截面形状，忽略预埋件、普通构造钢筋等对截面的影响;③考虑预应力孔道造成截面的改变，忽略对墩顶横隔板的构造作用;④考虑自重对结构受力的影响，不考虑桥墩变形;⑤假设0#块梁底作用在刚性平面上，而不对桥墩加以模拟;⑥设计梁底的线形呈抛物线变化，建模时把每个截面尺寸输入到软件中，将各梁段简化为按折线变化。

3. 2施工步的实现

悬臂法施工步的模拟要与实际施工顺序吻合。结合施工顺序，分19个施工阶段模拟:阶段1为0#块施工，阶段2～15为梁段的悬臂浇筑，阶段16为中跨合龙，阶段17为体系转换，阶段18为边跨合龙和张拉所有钢筋，阶段19施加二期恒载。

4　结果分析

4. 1模型验证

本桥监测应力的截面选在距离中墩两侧的L/4截面，全桥共28个断面。应力测点布置见图3( a)，位移测点布置见图3( b)。图3中位移测点1～3分别监测挂篮施工前移后、混凝土浇筑后和预应力张拉后3个阶段的挠度。日照温差测试采用测点预埋的方法，用带温度测试功能的JMZX-215AT型应变传感器进行观测，记录箱梁日照温差的变化情况，测点位置与挠度测点相同。

图3测点布置

c#墩悬臂端根部截面顶板应力监测结果见表1。由表1可知:箱梁纵向应力、主拉应力各测点的实测值相近且与理论值的变化规律一致; 11#号梁段张拉后测点的应力差异较大，原因是悬臂长度加大引起了动力效应和施工误差;测点2的应力实测值偏小，原因是结构受到截面翘曲、剪力滞和局部应力的影响。分析应力实测值和理论值可知，在施工过程中主桥各截面应力没有超过规范要求，说明施工顺序合理，结构安全。

表1 c#墩悬臂端根部截面顶板应力监测结果　MPa

4. 2曲率对T构力学性能的影响

对于高速铁路弯梁桥，曲率半径对结构施工状态的力学性能影响很大。改变结构的曲率半径，分析在不同施工状态、不同曲率半径下结构内力、位移、应力的变化情况。取半径R = 2 500，3 000，3 500(本桥)，4 000 m，其余参数不变。

4. 2. 1最大双悬臂状态

1)不同曲率半径对结构内力的影响

在自重、预应力和施工荷载作用下，T构最大双悬臂状态时，弯矩、扭矩最大的截面在临时支承处，轴力最大的截面在永久支座处。T构最大双悬臂状态时截面最大内力见表2。由表2可知，随着曲率半径的增大，截面扭矩明显减小，其余内力均增大，但不明显。

表2 T构最大双悬臂状态时截面最大内力

2)不同曲率半径对结构应力的影响

表3为T构最大双悬臂状态时截面最大应力，截面最大应力发生位置见图4。此时截面最大正应力发生在临时支承截面的上、下边缘点，即图中点1，2;最大剪应力发生在9#块根部截面的中性轴，即点3。

表3 T构最大双悬臂状态时截面最大应力　MPa

图4截面最大应力发生位置

由表3可知，随着曲率半径的增大，上、下边缘混凝土的最大压应力和剪应力都略有增大，但在最后一个悬浇段梁顶会出现拉应力，且拉应力随着曲率半径的增加有所减小。施工阶段容许压应力为0. 7f'ck= 32. 2 MPa，容许拉应力为0. 7f'ct= 2. 31 MPa。

3)不同曲率半径对结构位移的影响

表4为T构最大双悬臂状态时悬臂端部的位移。由表4可知，随着曲率半径的减小，悬臂端内、外侧的位移差变大，向内侧的横向位移和扭转角均增大。

表4 T构最大双悬臂状态时悬臂端部的位移

4. 2. 2边跨合龙前状态

边跨合龙前状态为中跨已经合龙，且已完成3个中墩的体系转换，此时边跨为最大悬臂状态，结构体系为带双悬臂的连续梁。

1)不同曲率半径对结构内力的影响

在自重、预应力和施工荷载作用下，边跨合龙前结构的最大弯矩和最大扭矩都发生在中墩d#墩顶截面，该值比体系转换前要大得多。表5为边跨合龙前截面内力。由表5可知，曲率半径对结构的剪力和弯矩影响较小，对扭矩影响较大;体系转换使截面最大内力都明显增加。

表5边跨合龙前截面最大内力

2)不同曲率半径对结构应力的影响

表6为边跨合龙前截面最大应力，截面最大应力发生位置参见图4。此时截面最大正应力发生在中跨墩顶截面的上、下边缘点，即图中点1，2;最大剪应力发生在中跨11#块端部截面，即点3，此处扭矩和剪力都比较大，而截面尺寸较小。

表6边跨合龙前截面最大应力　MPa

由表6可知，曲率半径的改变对剪应力影响很大，曲率半径为2 500 m时的剪应力约为4 000 m时的2倍，剪应力呈线性变化。

4. 3施工阶段温度作用［9］

4. 3. 1季节温差

由于弯梁桥梁内外侧纤维长度不同，无论是静定结构还是超静定结构，季节温差都会引起结构产生横向位移和轴向位移。中跨合龙前，平均气温达到30℃，比设计合龙温度高15℃;考虑整体升温15℃，单个静定T构悬臂端最大横向位移为0. 25 mm。在边跨合龙前，考虑整体降温15℃，混凝土的温度膨胀系数为1×10－5/℃。

边跨合龙前，季节温降引起的内力分布见图5。由图5可知，系统温降引起结构产生的横向弯矩较大，最大达到2 300 kN·m，扭矩和纵向弯矩则相对较小。

图5季节温降引起的内力分布(单位: N·m)

4. 3. 2日照温差

混凝土箱梁日照温度场属于三维温度场，沿桥轴线方向箱梁各截面接受的日照辐射基本相同，因此沿该方向的温度变化一般忽略不计，按竖向和横向的二维温度场考虑。目前，日照温度梯度计算模式有新西兰规范、BS 5400英国规范、美国AASHTO规范、我国《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》( TB 10002. 3—2005)［10］等。表7为不同日照温度梯度模式计算的梁高日照温差。由表7可知，按不同温度梯度模式计算的日照温差不同。

表7不同日照温度梯度模式计算的梁高日照温差℃

利用Midas/Civil软件，将计算的二维日照温度分布值输入梁截面温度中，计算静定T构在最大悬臂状态、不同曲率半径下的位移。表8为不同日照温差梯度模式引起的悬臂端位移。

表8不同日照温差梯度模式引起的悬臂端位移　cm

由表8可知:

1)按二维温度梯度计算的悬臂端横向位移比按一维温度梯度计算的结果要大得多，而按一维温度梯度计算的悬臂端竖向位移要比二维的大近40% ;

2)不同的温度梯度模式得到的悬臂端位移相差很大。新西兰规范的计算结果是TB 10002. 3—2005计算结果的2倍，美国规范的计算结果比TB 10002. 3—2005的计算结果略小。原因是受地理纬度的影响，新西兰规范的初始温度很大，而美国规范考虑混凝土的导热性很差，竖向温度梯度很大。

3)相同的温度梯度模式对不同曲率半径下的悬臂端位移影响很小。

5　结论

1)通过对预应力混凝土连续弯梁桥悬臂法施工的仿真分析，掌握了结构在不同施工阶段、不同荷载作用下的基本力学性能，了解了结构内力、位移、应力的分布规律。

2)随着曲率半径的减小，静定T构的悬臂根部截面的扭矩增大，而弯矩和轴力有所减小，梁顶最大正应力值有所减小。

3)由于季节温差作用，静定T构端部截面会产生较大的横向位移和很大的次内力——横向弯矩。日照温差应该按二维温度梯度模式进行温度作用效应计算，不同的温度梯度模式引起的效应差别很大。

参考文献

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［7］李国平，刘健．大跨连续梁桥线形最优施工控制的理论与方法［J］．华东公路，1992( 2) : 66-70．

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(责任审编郑冰)

Research on monitoring technology for prestressed concrete continuous curved girder constructed by cantilever casting method

YANG Yafang

( The 1st Engineering Co．，Ltd．of China Railway 12th Bureau Group，Xi’an Shaanxi 030024，China)

Abstract:Combined with the Xianyang W eihe Bridge project in Zhengzhou-Xi'an high speed railway，the main factors of stress and strain of the long-span prestressed concrete continuous curved girder bridge during the construction process were summarized．T he mechanical properties and linear variation of curved bridge structure during cantilever construction were analyzed．T he effects of the radius of curvature and the seasonal temperature difference were discussed．T he results show that with the decreasing radius of curvature，cantilever root section torque of statically determinate T structure is increasing，while the axial force and bending moment are reduced，lateral displacement increases obviously．T he seasonal temperature difference will cause a larger lateral displacement of the end cross section of statically determinate T structure．For there is a large difference effects caused by temperature gradient mode，sunshine temperature difference should be calculated according to the two-dimensional temperature gradient mode for temperature effect．

Key words:Prestressed concrete curved girder bridge; Construction monitoring; Cantilever casting construction; T he radius of curvature; T emperature difference

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0031-06

作者简介:杨亚芳( 1975—)，女，工程师。

基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( 2015JBM064)

收稿日期:2015-09-20;修回日期: 2015-12-24

中图分类号:U445

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．07