影响连续刚构桥梁施工过程中的变形控制要素分析

■种永峰

(福建省公路管理局，福州 350004)

1 引言

连续刚构施工变形控制的目的就是将结构在施工中的实际变形和线性状态与设计计算的理想状态之间的误差控制在容许范围，确保施工过程中结构的可靠度和安全性，保证桥梁成桥桥面线形以及受力状态符合设计要求。对于分节段悬臂浇注施工的预应力混凝土连续刚构桥来说，施工控制的目的就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段计算和不断的修正参数，确定出每个悬浇节段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测和对下一施工阶段立模标高进行调整，以此来保证成桥后桥面线形、合拢段两端悬臂端标高的相对偏差不大于规定值以及结构内力状态符合设计要求。以下结合国道528线上的建西大桥项目施工，对项目施工过程中箱梁的变形控制影响要素进行了探讨、分析和总结。

2 变形影响要素

2.1 挂篮变形

挂篮变形主要包含两部分，一部分是挂篮的非弹性变形，主要是由挂篮固件联接紧密度决定，若固件联接紧密，则非弹性变形小甚至可忽略不计，一般要在挂篮组装完成后进行预压，用于消除挂篮组装后形成的非弹性变形；另一部分是挂篮的弹性变形，主要是由挂篮结构形式和材料性质决定，由于弹性变形理论成熟，可以通过计算确定某一荷载作用下，挂篮的整体变形量，在施工变形控制中属于可控要素。挂篮变形属于不利影响要素，理论上希望挂篮整体刚度尽量大，变形尽可能的小。初始施工阶段，由于梁体悬臂长度小、箱梁抗弯刚度大，主要变形源自挂篮自身变形，挂篮自重对结构变形可忽略不计，随着桥梁悬臂长度逐步变大，挂篮自身变形对梁体变形影响逐渐减小，其重量对梁体变形影响会变得更加显著，属于影响结构变形的敏感要素。

2.2 桥墩结构

连续刚构桥梁桥墩结构形式一般为单薄壁墩和双薄壁墩，两种墩结构都属于柔性桥墩，通过桥墩的柔度来适应结构由于预应力、混凝土收缩、徐变以及温度变化等因素产生的次内力和位移，使结构受力更加合理，施工安全更容易得到保障。计算结论和实践经验表明，墩的结构形式对悬臂梁变形影响会有所不同，双薄壁墩对墩顶负弯矩的改善能力要优于单薄壁墩，项目中桥墩结构的采用宜考虑桥梁墩高、主跨跨径、河道通航等因素进行设计。

2.3 梁截面形状

梁的结构形状和尺寸是梁体变形的主要决定要素。连续刚构桥梁的截面形状一般采用单箱单室箱或是单箱双室结构，主要是箱梁结构形状和尺寸大小可以决定梁的抗弯惯性矩，从而影响到梁体的抗弯刚度，最终影响梁的变形量，因此在施工过程中，对于能否按照设计箱梁截面形状和尺寸进行施工，是确保施工变形能否接近设计计算变形量的重要环节。

2.4 预应力钢绞线

连续刚构桥梁的承载力主要是由纵向预应力钢绞线承担，目前较长采用的预应力钢绞线主要特点是低松弛高强度，影响预应力钢绞线张拉应力主要取决于两个因素，第一个因素是张拉应力，张拉应力的大小对悬臂梁的挠度变形影响较大，影响张拉应力的一个方面是张拉工艺，目前采用的智能张拉可以较好的保证钢绞线一次张拉到位，是避免二次张拉引起的预应力损失比较有效的措施；第二个方面是张拉过程中预应力钢绞线的伸长量，伸长量是衡量预应力大小的量化指标，是现场控制锚下预应力大小的最简洁有效的判断方法；第三个方面是预应力钢绞线的断丝率，规范中规定了各类预应力钢绞线的容许断丝率，但断丝会造成预应力的损失，且不易判断，因此不利于挠度变形控制。第二个因素是锚垫板及其配件，由于锚下张拉应力较大，极容易在张拉过程中造成锚垫板变形或压裂等情况，因此采用合规格的锚垫板及其配件，对控制应力是极其关键的，因为锚垫板在压裂情况下，会造成预应力大量损失，从而影响梁的挠度变形。

2.5 温度

温度是影响桥梁结构变形的不可控因素，温度梯度所形成的温度应力对结构作用主要表现形式有两种，一种是在温度应力作用下，混凝土产生裂缝；另一种是结构产生变形。对于连续刚构桥梁而言，温度梯度对整个悬臂结构造成的影响特点是：温度上升所形成的温度应力会产生悬臂下挠变形，温度下降会产生悬臂上挠变形，变形量的大小取决于温度梯度大小、悬臂长度和箱梁截面尺寸大小等因素，因此在悬臂浇筑混凝土的时候，选择合适的温度且稳定的时间段，尽可能避免温度应力对悬臂的变形影响。

2.6 施工荷载

施工荷载主要包括原材料、挂篮、小型施工设备等重量荷载，悬臂较短时，由于箱梁截面抗弯刚度较大，施工荷载对梁的变形影响不显著，但随着悬臂长度变长，施工荷载对悬臂梁的变形影响逐渐显著，因此在施工过程中，一是小型施工设备和钢材原则上都要堆放在墩顶位置，且避免出现施工荷载不对称情况；二是在挂篮设计的时候，在满足整体刚度要求下，要尽可能减小挂篮重量；三是施工过程中需要移动挂篮等荷载时，应注意缓慢对称作业，避免快速移动时产生冲击效应，影响悬臂梁安全。

2.7 混凝土配合比

混凝土配合比是影响混凝土弹性模量的重要因素，而弹性模量又是影响连续刚构箱梁抗弯刚度的重要因素，因此应严格管理混凝土原材料，准确按照设计配合比要求进行混合料拌和，确保获得符合力学要求的混凝土，从而达到准确控制梁体变形的目标。

2.8 混凝土收缩和徐变

混凝土收缩和徐变变形分为施工阶段变形和后期变形。施工阶段混凝土收缩和徐变，根据规范规定，预应力混凝土受弯构件的收缩和徐变变形可按结构自重和预应力产生的初始弹性变形乘以系数取值，其对结构变形影响较小；后期变形计算亦是根据规范规定的混凝土收缩和徐变经验公式确定，不同的计算方法得到的结果不一致，因此在计算时应考虑其他因素合理确定。

2.9 墩顶偏角

连续刚构桥梁在悬臂施工过程中，特别是长悬臂施工阶段，由于平曲线半径和不对称荷载的作用，会引起墩顶水侧倾和偏角，对梁体变形和桥梁线性形成不容忽视的影响。

3 工程实例

建西大桥是国道G528线上的一座大型桥梁，桥梁全长为652m，桥梁宽度18.5m。桥梁上部结构采用3×35+3×35+3×40+(62+110+62)+2×40m， 其中主桥桥墩采用双薄壁墩，墩的最大高度25m，主桥上部结构采用预应力混凝土连续刚构变截面箱梁桥，由单箱双室箱形断面组成，箱梁0号块中心高度6.8m，跨中梁中心高度2.8m，其间梁高按二次抛物线变化，主桥位于半径为600m曲线上，施工方案确定0号、1号梁体采用托架整体一次浇筑成型，主跨分12个悬浇段，每个悬浇段长度为4m。

4 变形控制

4.1 挂篮

本项目施工挂篮采用菱形结构，单套初步设计总重量为80t，因挂篮重量对梁体变形影响会随着悬臂长度增加而变得显著，以挂篮正常使用阶段弹性变形最大不超过2cm为目标，尽量使挂篮重量减小。经重新优化设计后，单套挂篮总重量为65t，在1.3倍2号梁段重量荷载作用下挂篮总变形量为2.3cm，在1.0倍2号梁段重量荷载作用下总变形为1.8cm，优化后的挂篮在总重量减小情况下，结构变形符合设计要求。

4.2 桥墩结构

本项目桥墩结构采用双薄壁墩，主墩高25m，双薄壁墩顺桥向抗弯刚度大，抗推刚度小，既可有效降低温度、混凝土徐变和墩顶位移等引起的次内力，亦可对墩顶负弯矩产生削峰作用，从而改善结构在荷载作用下的变形，这是双薄壁墩结构的优势。按照建西大桥设计参数，根据模型计算，双薄壁墩模型下跨中悬臂端最大变形为5.3cm；按单薄壁墩模型下跨中悬臂端最大变形为11.7cm。因此，从控制施工变形角度看，采用双薄壁墩是合理的选择，但双薄壁墩抗外力撞击能力较差，在设计时应注重防撞设计。

4.3 温度

均匀温度作用对变形的影响，主要取决于梁体温度与设计温度是否相吻合。悬臂施工阶段，结构为静定体系，由温度梯度引起的梁体变形和结构次内力可以通过柔性墩调整，在施工过程中，一是要尽量选择在与设计温度偏差较小时段浇筑混凝土和张拉；二是加强施工过程中的测量观测，以掌握温度变化规律，然后根据测量结果进行温度修正。通过温度对梁体变形的影响特点，采取合理施工措施，可有效降低温度对桥梁施工过程中变形的影响。

4.4 混凝土收缩和徐变

混凝土的收缩和徐变对结构变形会产生长期的影响，考虑跨径大小因素，对于不同阶段会产生不同的影响。在施工阶段，由于施工时间相对较短，对梁体的变形影响较小；在成桥阶段，会随着时间逐步对结构内力产生一定的影响，因此在施工阶段就应提前采取措施，消除因混凝土收缩和徐变对桥梁结构变形产生的影响。一般通过设置成桥预拱度，用于抵消因收缩和徐变产生的不利变形，建西大桥主跨成桥预拱度采用3年收缩徐变挠度值和1/2活载挠度值之和，按余弦曲线分配在各悬臂端；边跨最大挠度根据模型计算和实践经验，一般发生在3L/8位置，挠度值约为主跨最大挠度值的1/4，因此边跨成桥预拱度可在3L/8处设置大小为1/4主跨成桥预拱度值，同样按余弦曲线分配在各悬臂端。

4.5 墩顶偏角

直线桥理论上不会产生转角，只在施工荷载等作用下，可能会对墩产生变形影响，变形大小取决于墩高、墩的抗弯刚度及施工荷载大小和偏心量。建西大桥桥线形位于半径600m的平曲线上，根据计算，第12号悬浇块重心偏心量为9.37m，按最不利荷载组合作用下，墩的侧倾变形计算值为0.86cm，墩顶偏角计算值不足0.01°，为了抵消偏心荷载等对墩的变形影响，在桥墩施工时采用预留侧倾值予以纠正，随着悬臂展开，逐步抵消梁体重心偏移对墩产生的侧倾变形。根据成桥坐标测量值，成桥墩顶坐标偏离设计值约0.1cm，实践证明墩顶变形控制效果良好。

4.6 施工因素

在施工过程中，通过科学严谨的项目管理，可有效控制人为因素或设备因素对结构变形形成的影响。如严格控制混凝土配合比和箱梁截面形状，从而控制混凝土弹性模量和抗弯惯性矩，尽可能与设计混凝土强度对应的弹性模量和设计截面接近，使其对结构变形的影响趋于最小；通过采用先进的张拉设备和工艺，确保预应力钢绞线在张拉过程中的断丝率，确保锚垫板下张拉应力符合设计值要求；加强桥面施工荷载管理，在控制桥面施工荷载量同时，应制定严格的挂篮和钢模板移动工序，确保缓慢移动平稳，避免移动速度过快而产生冲击荷载，对结构内力产生不利影响。

5 结语

(1)通过建西大桥工程施工经验，结合力学模型计算对影响连续刚构桥梁施工过程中挠度变形的主要影响要素进行了分析和总结。实践证明，影响梁体变形的要素主要包括挂篮、桥墩结构、墩顶偏角、混凝土的收缩和徐变、箱梁截面形状、预应力钢绞线、温度、施工荷载和混凝土配合比等。

(2)影响要素中主要分为可控要素和不可控要素。不可控要素主要为温度、混凝土收缩和徐变，可以通过结构设计和适当的施工措施予以控制；其他为可控要素，可从设计方面和科学化施工各环节加以控制，即可依据桥梁计算模型准确计算得出施工过程中结构的变形规律，在施工过程中采取措施并加以控制。

(3)本文以力学模型为基础，结合工程实例，对影响连续刚构箱梁变形的要素逐一进行了分析，并从设计和施工方面提出相应的处置措施，实践证明，分析结论在桥梁施工过程中证明是正确的，对应的处置措施也是合理有效的，可以用于指导其他同类型桥梁的施工。