大跨连续刚构桥施工监控分析

(宁德沙埕湾跨海高速公路有限责任公司，宁德352100)

大跨连续刚构桥施工监控分析

■陈明友

(宁德沙埕湾跨海高速公路有限责任公司，宁德352100)

为了保证大跨连续刚构桥顺利施工以及成桥后结构的线形和应力状态满足设计要求，对桥梁实施施工监控非常有必要。本文以交溪特大桥三跨预应力混凝土连续刚构桥为工程背景，研究了大跨连续刚构桥的施工控制目的与工作内容，利用桥梁专用有限元分析软件——桥梁博士建立了施工监控计算模型，分析了各施工阶段的结构状态，对主梁线形和应力进行了有效控制。通过各施工阶段的高程和应力理论值与实测值的对比分析，验证了现场控制实施的效果。

连续刚构桥施工监控线形应力

1 工程概况

交溪特大桥地处福安白塔村方向，横跨104国道、交溪河流，其桥型采用预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为85m+155m+85m，设计采用双向四车道，设计荷载为公路I级。上部结构为单箱单室变截面箱梁，中线处梁高随梁长呈抛物线状态变化，箱梁顶板宽度12.25m，两翼缘悬臂长3.0m，箱体底板宽6.25m。主墩采用单柱式箱型截面空心墩，两主墩高分别为81.5m和87.7m，墩身混凝土采用两种不同标号，即墩顶下5.5m范围内为C55标号，其余均为C40标号。

采用对称悬臂现浇施工，箱梁纵向划分为墩顶0号梁段、20个悬浇梁段、边跨支架现浇段、边跨合龙段、中跨合龙段。墩顶0号梁段长12m，悬浇梁段数及梁段长度从梁根部至跨中布置分别为：5×3m、9×3.5m、6×4m。边跨现浇段长8.5m，边跨合龙段、中跨合龙段长均为2m。悬臂浇筑梁段最大控制重量为180.1t，最大悬臂长度为73.5m。

图1 交溪特大桥主桥立面图

2 桥梁施工监控的目的和内容

2.1 施工监测目的

本桥主桥施工监控的目的是把预应力混凝土连续刚构桥施工监控的理论和方法应用于该连续刚构桥实际施工过程，对该桥施工期间的结构内力和变形状态进行有力的控制和调整[1-2]，即根据箱梁施工过程中实际发生的各项影响桥梁线形的参数，结合施工过程中监测的混凝土箱梁坐标和应力，跟踪分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在桥梁建成以后的内力状态与外形曲线与设计相符、且满足相关规范要求[3]。

2.2 桥梁施工监控的工作内容

连续刚构桥施工监控的主要内容是对结构线形、内力和结构温度进行监测和控制。线形是保证大桥达到设计目标的关键，采取科学的措施对箱梁的挠度实施监测、预测分析和实时调整，以使大桥实际线形尽可能地与设计线形吻合。内力控制主要是在主墩和箱梁的关键部位埋设应力传感器，以监测结构在施工过程的内力变化情况。环境温度变化对于悬浇梁段的线形影响较大，因此，为了确保在施工过程中对结构变形的准确控制，结构的温度场也是监控的工作内容之一[4]。

3 结构计算分析

3.1 计算模型

按照施工和设计所确定的施工工序和计算参数对交溪特大桥进行施工过程计算，应用桥梁博士计算分析软件，采用平面该系单元模型，主梁划分为107个单元，桥墩划分为87个单元。从主墩施工开始，全桥共划分74个施工阶段，边界条件采用主墩底固结，过渡墩采用仅竖向支撑的铰支座。有限元计算模型见图2。

图2 计算模型图

施工过程中，挂篮和模板等施工机具对结构的内力和线形影响很大，所以在悬臂施工阶段，考虑的施工荷载主要是挂篮荷载，根据施工方案，单个挂篮重量按90t考虑，并在及计算中模拟挂篮的安装、拆除和前进等工况。在边中跨合龙时，需要拆除挂篮，并安装合龙吊架，吊架重量按照单个20t考虑。

3.2 立模标高的计算调整

在悬臂施工过程中，梁段立模标高的合理确定是关系到主梁的线形是否平顺、是否符合设计的一个重要问题。如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终成桥线形一般是较为良好的；相反，如果考虑的因素和实际情况不符合，控制不力，则最终成桥线形会与设计线形有较大的偏差。连续刚构桥的线形控制主要是立模标高的确定。

众所周知，立模标高并不等于设计桥梁建成后的标高，总要设一定的预抛高，以抵消施工中产生的各种变形(挠度)。其计算公式如下：

式中：Hi为当前梁段的挂篮底立模标高；H0i为该梁段设计标高；fyi为本节段的成桥预拱度；fsi为本节段的施工预拱度；fg为挂篮变形。其中挂篮变形值是根据挂篮加载试验，综合各项测试结果而得。

初始的几个节段立模标高按理论值确定，当理论值与实测值基本不一致时，需根据实测值对结构计算参数进行识别，修正计算模型。修正后按调整下一梁段立模标高。

4 施工监测与分析

4.1 高程监测

4.1.1 测点布置

高程测量是悬臂施工桥梁控制主梁线形的主要依据。通过在每个悬臂梁段顶板上布设的2个梁顶测点和底板下缘(模板顶)布设的2个底模监测点(见图3)，可以同时测量箱梁的竖向挠度和扭转变形情况。梁底测点供底板定位使用，通过浇筑前建立的上、下测点的高程差，在浇筑完成后将测点引至梁顶。顶板测点用直径20mm的钢筋绑在腹板的钢筋骨架上，露出梁顶表面5cm左右，并用红漆做好标记，在后续施工中通过测量梁顶高程可以反算梁底高程。同时在0#块顶板出设置临时的水准点。

4.1.2 合龙精度

以左幅桥梁为例，由边、中跨两悬臂端的合龙前底板测量数据表1可知：合龙的最大误差为17mm，满足《公路桥涵施工技术规范》[5]所规定的合龙高程差小于20mm的要求。

表1 合龙前底板高程

4.1.3 成桥高程结果

合拢成桥后(桥面铺装施加前)，对底板、桥面每个梁段横断面布置的测点观测确定底板、桥面线形。以左幅桥梁为例，底板理论计算标高与实测标高对比如图4所示，顶板理论计算标高与实测标高对比如图5所示。

图3 高程测点布置示意图

图4 梁底高程理论值与实测值对比图

图5 梁顶高程理论值与实测值对比图

从图中所示的梁段顶面和底板的高程理论值和实测值的对比可以看出：在全桥合龙后，铺装施工前，底板的高程最大误差为17mm，梁顶面高程的最大误差为23mm，均小于《公路桥涵施工技术规范》L/5000=31mm的允许误差范围，说明实测线形与成桥目标线形吻合较好，主梁的线形平顺。

导致理论计算高程和实测高程偏差的原因有以下几个方面：对于理论计算所采用的混凝土容重、弹性模量与实际值有差别，仿真计算中徐变系数和预应力摩阻损失系数均采用规范规定值，而没进行原位检测试验进行修正，对高程有一定影响；施工中的立模误差、测量误差等也会导致高程的偏差。

4.2 应力监测

4.2.1 测点布置

应力监测通过在结构的控制断面处布设应变传感器，以观测在施工过程中这些截面的应力变化和应力分布情况。结合施工监控中的其它监测结果，就能更全面地判断全桥的内力变形状态，形成一个较好的预警机制，从而保障桥梁施工的安全和质量。

图6 应力控制断面布置图

考虑到长期监测的数据稳定性和数据采集的方便程度，采用振弦式应变传感器进行应力监测。根据悬臂施工连续刚构桥的结构特性，主梁的典型控制截面为悬臂端根部(0#块前端)、L/4跨截面和跨中截面，如图6所示。每个控制截面布设6个应变传感器，如图7所示。

图7 控制断面应力测点布置图

4.2.2 应力控制结果

以左幅桥梁为例，中跨跨中根部截面S4、1/4跨截面S5的上下缘应力，在各关键工况下的理论计算值和实测值(扣除非受力因素影响)的对比结果如图8、图9所示。

从图8～图9可知：各施工阶段控制截面上缘、下缘混凝土实测应力变化规律与理论计算结果是一致的，实测值与理论值较吻合，测试结果能准确反映施工过程中梁体工作状态。理论分析结果和实测数据之间存在的偏差主要是混凝土收缩徐变，桥面施工机械自重及结构温度变化等各种复杂因素而导致。总体来说，主梁受力状况良好，结构安全可靠。

图8 中跨根部截面应力历程图

图9 中跨1/4跨截面应力历程图

5 结论

桥梁施工控制作为桥梁施工技术的重要组成部分，是对桥梁宏观施工质量的掌握与控制，对保证桥梁建设安全、成桥达到设计目标具有非常重要的意义。就交溪特大桥施工监控的工程实施而言，主要结论和成果如下：

(1)分析了监控实施过程中结构的线形和应力状态，总结了影响高程和应力的主要因素，分析了高程、应力理论值和实测值存在偏差的主要原因。

(2)合拢成桥状态下主梁线形顺畅，结构受力符合设计要求，主梁结构安全可靠。

(3)合拢成桥后，通过高程和应力实测值和理论值对比分析，验证理论计算的正确性和合理性，可为同类型桥梁的施工监控提供参考。

[1]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.

[2]石雪飞,项海帆.斜拉桥施工控制方法的分类分析[J].同济大学学报,2001,29(1):55-59.

[3]李建民.连续钢构桥梁施工控制[J].建筑工程技术与设计,2015 (17).

[4]冉伟.浅谈连续钢构桥梁施工监控要点及体会[J].城市建设理论研究:电子版2015(15).

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