挂篮法悬臂现浇连续梁桥的监测与监控

滕峰斌

（上海奉贤建设发展集团市政公路工程有限公司，上海市 201499）

挂篮法悬臂现浇连续梁桥的监测与监控

滕峰斌

（上海奉贤建设发展集团市政公路工程有限公司，上海市 201499）

挂篮法施工过程中每个节段的各向几何偏差控制对成桥的安全、质量尤为重要。以上海一座跨金汇港的大桥工程为实例，介绍此类桥型的监控项目、方法、模型计算、过程监控及成果。

悬臂现浇；桥梁；建模计算；施工监测与监控

1　工程概况

金汇港规划为Ⅳ级航道，规划蓝线宽度80 m，通航净宽不小于70 m，通航净高7 m。桥梁全长664 m，其中主桥分三跨（65.5 m+108 m+65.5 m），主桥为三跨双幅变截面预应力混凝土连续箱梁。单幅桥宽15.67 m，箱梁顶面设2%单向横坡。主桥立面及跨中横断面布置见图1、图2。

图1　金汇港桥主桥立面布置图（单位：mm）

2　施工监控项目及方法

2.1施工前结构计算分析

以设计的成桥状态为目标，以对应施工方案中进度安排、施工荷载、临时支承等为依据，按照规范或图纸规定的各项设计参数取值，计算每一施工步骤的结构理论状态，并建立施工过程跟踪分析程序。

施工监控前的计算分析结果应与设计单位的计算结果进行校核，若两者差异较大时，应查明原因，若两者计算符合，则施工监控前建立的计算模型可以用于施工监控工作实际中。

2.2施工过程中的监测

施工过程中的监测是施工过程中最为重要的内容，监测的结果直接体现结构的状态行为，也是对下一阶段施工是否调整的依据。

针对该工程，施工过程中的监控主要包括以下几个方面：

（1）现浇箱梁高程（线形）测量；

（2）现浇箱梁轴线偏位测量；

（3）现浇箱梁主要受力断面应力（应变）测试；（4）现浇箱梁外观尺寸的检查。

2.3施工监控精度

该工程施工监控的根本目标是成桥后结构的线形与内力误差均控制在规范规定和设计要求的范围之内。根据这一目标，按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG TF50—2011）和《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2004）及设计文件的要求，结合目前测试仪器的精度范围，确定该桥施工过程中的精度。

3　施工监控计算

3.1计算模型的建立

利用MIDAS CIVIL 2011计算软件，将主桥离散成空间杆系，建立有限元静力分析模型。该桥分为南北两幅，结构形式完全一样且相互独立，因此本文仅取北幅桥建立模型，分析每一施工阶段，依次计算各施工工况下结构的内力与变形，计算模型如图3。主梁采用梁单元，全桥共87个节点，82个单元，模型中各结构构件截面采用图纸中的截面尺寸，墩顶箱梁截面偏安全的仍按空心截面考虑，实心截面与空心截面的恒载差值作为局部均布荷载施加于主梁上（横梁宽度范围）。

（1）边界条件

为了真实模拟实际支承情况，辅助墩采用固结支承，边跨现浇段支架采用竖向支承，并限制结构的扭转。中跨合龙后，结构体系转变为永久支承体系，边界条件按照图纸取用。墩顶支座使用弹性连接中的刚接进行模拟。

图2　主桥跨中断面（单位：mm）

图3　金汇港大桥主桥计算模型

（2）体系变化

模型中梁单元的形成经历了新浇筑梁段从无强度到有强度和刚度的变化过程，刚浇筑的梁段（新单元）的全部重量由挂篮传递至已浇筑的梁段，当新单元达到一定的强度和刚度后，张拉预应力筋，新单元参与结构共同受力，依次类推，直至结构合龙。具体施工工况见本文3.3节中施工阶段划分。

3.2荷载取值

（1）恒载

梁体混凝土容重按26.0 kN/m3，结构恒载由程序根据截面形状自动计算。

预应力：预应力钢绞线采用公称直径Φs15.2 mm低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105（MPa）。

桥面铺装：8 cm钢筋混凝土整平层+9 cm沥青混凝土面层，钢筋混凝土容重取25.0 kN/m3，沥青层容重取24.0 kN/m3。

防撞护栏及人行道板：根据图纸工程量转换为均布荷载施加于梁单元。

（2）活载

公路-Ⅱ级，人群荷载取3.12 kN/m2。（3）温度荷载

整体温差：升温30℃，降温20℃。

温度梯度：9 cm沥青混凝土铺装层，正温差T1=14℃，T2=5.5℃，负温差为正温差乘以-0.5。

（4）支座沉降

各支座按2 cm沉降计，最不利组合由系统自动组合。

（5）施工荷载

挂篮重量：该工程所用挂篮重量60 t，作为集中荷载施加于已浇筑的梁段上。

3.3施工阶段划分

大桥主桥的施工仿真计算中施工阶段的划分按照实际的施工顺序，考虑各种施工荷载的影响，全桥共划分为42个施工阶段。详细的施工阶段划分见表1。

表1　金汇港大桥主桥施工阶段划分表

3.4主要计算结果

3.4.1主要施工阶段应力

按照前述施工阶段划分表，主要施工阶段的主梁上下缘应力见图4、图5，应力单位为N/mm2。

图4　施工13#块（浇筑，张拉预应力，挂篮前移，边跨现浇段）

图5　中跨合拢（体系转换，浇筑，张拉预应力）

由上可见，整个施工过程中主梁上下缘自3#块浇筑完成后均处于受压状态。主梁下缘最大法向拉应力为0.28 MPa，对应工况为0#块挂篮安装完成。上下缘最大法向压应力分别为13.64 MPa、11.11 MPa，对应工况均为中跨合拢预应力张拉完成。整个施工过程，主梁上下缘应力（包括拉应力和压应力）均满足规范要求。

3.4.2主要施工阶段预拱度

通过上述建模分析，在模拟计算的基础上，得出主梁悬臂浇筑过程中各施工阶段预拱度数值，用于指导各节段施工立模标高及已完成节段标高的复核纠偏参考。

4　现场施工监测过程

4.1主梁应力（应变）

对于大跨度预应力混凝土连续梁桥，箱梁结构在混凝土悬浇中各截面的应力分布有很大的差别。根据该桥实际情况，箱梁应力测试断面选择在0#块附近（悬臂根部）及主跨跨中、L/4截面和边跨合拢段位置等7个断面，测试截面如图6所示。每个测试截面在箱梁的顶板及底板各布置两支应变计，应变计布设位置见图7。

图6　主桥应力控制截面示意图

图7　测试截面应变计布设示意图

4.2主梁线形

为确保该桥成桥线形符合设计要求，在整个施工过程中需对每一梁段立模标高和变形情况进行监测，为后续节段箱梁的立模标高调整和控制提供依据。

4.2.1主梁标高测量

主梁标高测量主要包括混凝土浇筑前主梁的立模标高、浇筑混凝土及张拉预应力后的梁顶面标高和同跨对称截面相对高差的测量三部分。

（1）主梁立模标高测量

测点布置：立模标高的测点位置如图8所示，即：底板模板3个观测点和翼缘模板2个观测点。

图8　主梁立模标高测点布设位置示意图

测量方法：使用精密水平水准仪测量立模标高。

（2）主梁顶面高程测量

测点布置：在每一梁段距悬臂端部3～5 cm处设置5个观测点（见图9）。测点处用短钢筋预埋，并用红油漆标明。截面测点见图9所示的位置（腹板顶、梁顶中心、翼板边缘）作为主梁混凝土标高的测点。此项测量不仅可以观测主梁的标高，还可以监测各工况下主梁的变形。

图9　箱梁顶面标高测点布设位置示意图

4.2.2主梁轴线偏位

主梁轴线偏位测量是观测已施工箱梁节段的中线点相对于桥轴线的偏距。主梁轴线偏位测点取箱梁顶面高程测量中轴线处的测点。轴线偏位要求新浇筑的梁段与已浇筑的梁段通测。

测量频率：在每一箱梁节段预应力张拉完成后的12 h内对主梁中轴线各测点进行轴线偏位测量，测量仪器使用全站仪。

4.2.3桥墩承台沉降观测

在承台顶四角设置沉降测点，监测主梁施工过程中基础的沉降，每月复核一次，测量仪器采用精密水准仪。

4.3结构尺寸量测

施工控制计算中，需根据施工实际测量的数据对计算模型进行修正，对计算结果影响较大的主要是荷载参数，荷载参数主要包括结构自重及施工临时荷载。施工临时荷载堆放在支点附近，尽可能减小对主梁变形的影响。对于结构自重主要是箱梁浇筑过程中混凝土的超方量或者欠方量，对此，每一阶段混凝土浇筑完成后对箱梁的顶板、底板、腹板及翼板尺寸进行局部测量，由此推算出箱梁混凝土的节段重量。

测量方法采用大型游标卡尺直接测量，每节段箱梁顶底板各取三处，每侧腹板自上而下取三处测量，上述各测点构件截面均匀分布，两侧翼板则取边缘及根部两处。

5　施工监控成果

5.1主梁应力（应变）测试成果

施工监测过程中，及时布设钢弦应变计，并将测试连接线及接头加以保护，根据施工进度，采用BGK408读数仪按时读取各测点的模数及温度值，通过修正计算得到各测点位置的应变，应变乘以混凝土弹性模量即得到各测点的应力。本报告中顶板和底板的应力结果为顶板和底板内各测点应力的平均值，负值代表压应力，正值代表拉应力。

以北幅桥3-3截面应力结果为例，此截面的应变计位于北幅桥10#墩中跨方向0#块悬臂端根部，0#块钢筋绑扎完毕后布设，对该截面的应力测试持续整个施工过程，其应力变化曲线如图10所示。

图10　北幅桥3-3截面应力曲线图

图11　各节段立模标高曲线图

由上述图表可以看出，北幅桥中跨0#块悬臂端截面顶板和底板均为受压状态，最大压应力分别为14.2 MPa和10.5 MPa，施工过程中顶板和底板压应力均未超过规范规定的限值（22.68 MPa）。

5.2主梁高程监测成果

5.2.1立模标高测量结果

由图11可以看出，立模标高比理论设计值偏大，中跨方向11#块位置二者差值最大，这主要是因为立模标高考虑了施工过程中结构的变形、挂篮变形、成桥后活载引起的变形以及混凝土收缩徐变的影响。

5.2.2主梁变形测量结果

主梁变形监测主要是测量预埋在梁顶的钢筋头在各工况下的高程，高程差即为该工况下的主梁变形，立模标高加上梁高减去主梁的变形值即可得到各工况下的梁顶标高，立模标高减去主梁的变形值得到梁底标高，梁顶及梁底标高曲线见图12。

可以看出，施工监控过程中，结构的实际变形和理论变形接近，且趋势一致。从图12可以看出，中跨合拢后，实测梁顶和梁底曲线均在理论梁顶和梁底曲线之上，超出理论曲线的部分有利于结构抵消后期活载效应及混凝土收缩徐变效应。

5.2.3成桥线形

全桥合拢后即进行二期恒载的施工。二期恒载主要包括桥面铺装、栏杆等，在二期恒载施工完成后及时对全桥线形进行了测量，全桥桥面线形曲线见图13。

由图13可以看出，成桥后实测桥面线形高出理论桥面线形，南幅桥最大位置处高出理论线形4.2 cm，北幅桥最大位置处高出理论线形4.1 cm，高出的部分将有利于抵消后期的活载效应及混凝土收缩徐变效应。

图12　梁顶及梁底标高曲线图

图13　全桥桥面线形曲线图

成桥后桥面线形平顺，满足设计纵坡要求。

5.3主梁轴线偏位监测成果

根据每一节段的测量结果，北幅主梁边跨方向在初始0#块施工时桥梁中心线向南偏移7 mm，在后续的施工过程中逐步调整到位，至中跨合拢时，南北两幅桥梁轴线偏位均在3 mm之内，小于施工监控精度10.8 mm的要求，主梁轴线满足要求。

5.4结构外观尺寸量测结果

从所检查的每节段箱梁来看，结构尺寸偏差均满足要求。

6　结　语

综上所述，在此类桥梁的施工过程中，通过前期对监控项目、方法的确定，采用相关软件建立模型，模拟各环节施工状态计算得出预拱度，施工过程逐段按模型放样、复核、纠偏调整，分阶段做监控成果汇总供参建各方研究分析。全过程跟踪工程进度，根据现场情况做好动态控制，确保全桥主梁内力和结构变形均得到较好的控制，结构的各项成桥指标表现良好，达到了施工监控的预期目的。

U445.4

B

1009-7716（2016）03-0103-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.030

2015-12-15

滕峰斌（1983-），男，上海人，工程师，一级建造师，主要从事市政公路项目管理工作。