滇南山区高墩大跨连续刚构桥施工线形控制

滕树元

(中铁十六局集团 第五工程有限公司，河北 唐山 063000)

预应力混凝土连续刚构桥是目前山区桥梁中应用最为广泛的一种桥型[1]，上部结构的施工主要采用对称悬臂浇筑法。对于高墩大跨径连续刚构桥而言，由于在施工过程中受多种因素的影响，施工阶段结构的变形、截面的应力状态不仅关系到施工质量和施工安全，还直接影响到成桥线形与成桥的受力状态，因此，对大桥进行施工控制显得尤为重要[2-6]。

李国平等[7]提出大跨连续梁桥线形最优施工控制的方法和理论，将大跨径连续梁桥施工期结构变形状态和成桥线形作为最优控制的对象，并根据其悬臂施工特点，来控制约束条件、目标函数、状态与变量、以及具体实施方法等，实际应用中取得了较好的效果。马显红等[8]以贵州吴江特大桥为例，分析了混凝土节段重量、收缩徐变、温度荷载等参数对该桥施工控制精度的影响，并建立了考虑收缩徐变影响的线性控制预测模型。庄绪杰[9]采用有限元软件对背景桥梁施工过程进行分析计算，探讨了单边日照、环境温度、薄壁空心墩结构尺寸、风荷载等参数对该桥施工阶段以及成桥阶段稳定性的影响。

本文以云南省麻(柳湾)—昭(通)高速公路牛家沟特大桥为工程背景，对高墩大跨连续刚构桥的线形控制过程和方法进行研究，采取理论分析和现场实测相结合的方式，通过施工控制理论研究，提高高墩大跨连续刚构桥施工线形控制精度，满足成桥线形要求。同时通过施工阶段结构分析，确保施工过程中主体结构和临时结构的安全。

1 工程概况

麻昭高速公路牛家沟特大桥是云南省第一高桥，位于云南昭通市以北200 km处大关县。主桥上部结构采用(95+180+95)m三跨预应力连续刚构，双幅布置，见图1。箱梁采用单箱单室预应力混凝土箱梁，箱梁顶板宽11.8 m，底板宽5.5 m，梁高在根部为11 m，跨中为3.8 m，中跨梁高按1.8次抛物线变化，边跨现浇段梁高4.5 m。主墩高137 m，墩身采用双肢变截面矩形空心墩，顺桥向双肢间距7.0 m，单肢墩顶截面尺寸3.5 m×8.5 m。基础为钻孔桩承台基础，承台长19.2 m，宽15.2 m，厚4.0 m，承台下设20根直径2.0 m 桩基，按端承桩设计。

图1 牛家沟特大桥概貌

主梁上部结构采用挂篮悬臂浇筑法施工。箱梁0号节段长16 m，高11 m，0号梁段采用墩顶托架施工，而后对称向两侧施工至合龙段，采用支架法施工边跨现浇段，先边跨合龙，再中跨合龙。每个悬臂T构顺桥向对称划分为22个节段，悬臂节段最大控制质量250 t，挂篮质量设计值为120 t。

2 有限元模型

采用MIDAS/Civil有限元软件建立牛家沟特大桥三维空间模型。主墩和主梁采用梁单元模拟，计算过程通过时间依存效应考虑收缩徐变对结构的影响。模拟桥梁悬臂施工，T构悬浇至最大悬臂状态，先边跨合龙，再体系转换中跨合龙。全桥共分339个节点，336个单元，其中1～102为主梁单元，103～336为主墩单元。全桥计算模型见图2。

图2 结构有限元计算模型

3 施工控制监测方法

3.1 施工监控内容

施工监控总体内容包括以下3个方面：

1)现场的实时测量体系

测量的内容包括温度、轴线、标高、应力、应变等，测量的频率需根据施工现场实际确定。

2)现场测试体系

在主墩浇筑阶段应做主梁混凝土弹模、重度试验，收集材料特性方面的检测数据。主梁悬浇前应做挂篮静载试验，收集与分析各种荷载等资料。主梁张拉前做管道摩阻试验，为线形控制提供数据支持。

3)分析判断系统

根据现场实测资料，对结构的状态进行分析，与设计进行对比，给出当前阶段应力、变形、稳定等状态分析报告，对后续施工状态进行预测，提出施工控制措施。

本桥采用悬臂施工，由于连续刚构桥在施工过程中已成梁段的空间位置是无法事后调整的，所以主要采用事前预测和事中控制，以确保成桥线形符合设计要求。

3.2 施工监控方案

3.2.1 结构线形及位移监测

主梁施工过程中，需对箱梁顶面的挠度进行观测，在挂篮就位、立模、混凝土浇筑前后和张拉前后均需观测主梁挠度变化，为控制分析提供实测数据。通过竖直面内与水平面内的线形监测，有效地控制桥梁施工全过程。

1)标高控制点布置

主梁标高测点设置在各梁段上表面的前端，如图3(a)所示,立模标高测点设置在各梁段模板的前端，如图3(b)所示。

图3 标高控制点布置

2)立模标高

在建立了正确的计算模型和确定性能指标之后，依据设计参数和控制参数，结合桥梁状态、施工工况、施工荷载、二期恒载、活载等进行前期数据采集及分析，获得各阶段内力和挠度、成桥状态内力和挠度。设定成桥为理想状态，对桥梁结构进行倒拆分析。利用分析所得数据，获得理想状态下各阶段的计算预拱度值。根据设计标高、现场各项数据，对施工过程中各工况标高及应力测点观测结果进行分析，修定计算预拱度值，提供施工立模标高。从而保证桥跨结构线形符合设计要求并考虑混凝土长期收缩、徐变等不利因素对线形的影响。

提供的施工立模标高用下式计算。

H施=H设+∑f1+∑f2+f3+f4+f5

式中：H施为梁段施工立模标高；H设为箱梁设计标高； ∑f1为自身及后续梁段自重对立模梁段产生的挠度；∑f2为自身及后续梁段张拉预应力对立模梁段产生的挠度；f3为挂篮自重和自身变形产生的挠度；f4为二期恒载对立模梁段产生的挠度；f5为箱梁因混凝土收缩、徐变、长期使用荷载及施工临时荷载对立模梁段产生的挠度。

考虑到挠度f5的影响因素比较复杂，立模标高应综合考虑各项检测数据，确定计算参数，通过施工监测与控制，在施工前确定。

3)观测时间及频率

本桥在监测过程中，将标高基准点布设在墩顶0#段，定期进行校核。将标高观测时间安排在太阳升起之前进行，观测时间可适当延长，但最迟不超过日出后0.5 h，这样可基本排除温度的影响。桥梁施工观测应在各施工工况变化后进行。本桥根据实际情况安排在挂篮前移并立模时、浇筑混凝土前后、预应力张拉前后、二期恒载施工前、二期恒载施工后，测量各梁段控制点标高。

4)主梁预拱度设置

主梁悬臂施工开展之前，对全桥进行了详细的施工过程模拟，并由此确定了本桥的控制目标线形，建立了相应的立模标高控制数据。在悬臂施工过程中以此成果为目标并结合实测误差状态逐段预测并提供梁段立模标高。

3.2.2 墩顶变位及基础沉降的监测

1)墩顶变位监测

利用桥梁两岸控制网点，采用后方交汇法，得出测点的三维坐标。逐墩顶布置水平基准点和轴线基准点，监控单位和施工单位每月进行一次联测。以首次墩顶标高值作为初始值，各工况下实测值与初始值之差即为该工况下的墩顶变位。测点位置选在墩顶、墩底便于观测的可靠位置处，用全站仪测量。每完成5～7个节段后测量1次。

2)基础沉降变形监测

每个主墩承台上布置4个观测点。沉降监测网的建立、精度要求等应符合规范的要求。在承台四角布置测点便于观测，用全站仪测量测点标高。每完成5～7个节段后测量1次。

4 施工监控过程与结果

4.1 立模标高控制

施工监测过程中对每一个节段施工循环进行了跟踪测量，及时掌握了结构在每个施工工况下的实际变形行为，与理论数值进行对比，以便对误差进行调整。

4.2 合龙顶推控制结果

刚构桥为平衡运营过程中混凝土主梁的徐变效应，使桥墩受力更加合理，在中跨合龙过程中需进行顶推。本桥顶推力根据现场实际情况计算，千斤顶顶推量为120 t，合龙口理论顶开位移为29.6 mm，实测顶开位移为16.1 mm，顶开位移较理想。

4.3 合龙精度控制成果

本桥2015年10月合龙作业全部顺利完成，这也是本桥的关键施工阶段之一。牛家沟特大桥的合龙锁定劲性骨架及合龙临时钢束构造均符合设计要求。

全桥各个合龙段施工作业前均对合龙口两悬臂端的标高值进行了观测。表1给出合龙口标高及合龙误差。从表中实测数据看出，桥跨合龙精度得到了很好的控制，6个合龙段扣除桥面纵向坡度影响后的合龙误差均在2.0 cm以内。轴线误差1.5 cm。成桥后主梁线形良好，为铺装线形控制创造了有利条件。

表1 合龙口标高及合龙误差 m

4.4 合龙后桥面标高及桥面铺装控制成果

分析标高通测结果可以看出：控制断面主梁标高测点实测平均值与理论值偏差绝大部分在-3.6～3.6 cm 之间，满足控制精度±3.6 cm(±L/5 000,L为桥梁跨度)的限值。合龙成桥状态桥面标高总体控制情况较好，线形较为顺畅，但由于测点位置偏差以及相应块段的横向坡度控制水平，部分实测标高与理论值有一定差异。针对这一情况，对桥面铺装厚度进行了曲线拟合，供铺装施工时参考。

图4为左幅上游侧桥面实测标高与设计标高差值分布。

图4 左幅上游侧桥面实测标高与设计标高差值分布

分析图4可知：左幅桥面线形总体顺畅，无明显变异点。其中上游侧桥面实测标高与设计标高之差处于-5.9～17.3 cm；下游侧桥面实测标高与设计标高之差处于-2.5～21.8 cm。3#—4#墩中跨跨中上游侧实测竖向标高值比设计值高10.4 cm，下游侧实测竖向标高值比设计值高16.9 cm。由于成桥后结构内混凝土存在收缩徐变，预应力筋存在松弛等原因，主跨将会出现一定的下挠。成桥实测线形优于设计线形，符合成桥预拱度的设置，对桥梁整体受力及结构的耐久性有利。

5 结语

1)牛家沟特大桥主桥在整个施工过程中预拱度计算及挂篮变形值的预测是精确的，实测桥梁变形值与理论值吻合良好。主梁控制断面上下游标高测点实测平均值与理论计算值偏差在控制目标范围内。

2)牛家沟特大桥主桥各跨合龙施工过程体系转换顺利，桥跨合龙精度较好，最大合龙误差满足控制目标要求，且主梁轴线基本无偏差。顶推合龙过程中，左右幅桥实测顶开位移量及所需顶推力值与理论计算结果基本相符，整体顶推效果良好，达到了墩身垂直度线形控制的目标值。

3)合龙成桥状态桥面标高总体控制情况较好，合龙后主梁线形良好，铺装厚度满足设计要求，为铺装线形控制创造了有利条件。

4)牛家沟特大桥主桥的施工控制工作，为实际了解大跨预应力混凝土刚构桥的结构行为提供了施工全过程信息，对该类桥型今后的设计、施工及进一步发展积累了宝贵经验。

[1]谭冠生.罕遇地震作用下高墩大跨连续刚构桥地震响应分析[J].铁道建筑，2016,56(6):27-30.

[2]董爱平.高墩大跨连续刚构桥施工控制研究及其温度效应分析[D].成都：西南交通大学，2004.

[3]白午龙，张煜，石雪飞，等.山区高墩大跨连续刚构桥施工阶段稳定性影响参数分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(1):839-844.

[4]杨立财.葫芦河特大桥连续刚构施工线形控制技术[J].铁道建筑,2012,52(3):14-16.

[5]周党伟.大跨度变截面悬臂箱梁施工线形控制技术[J].铁道建筑,2012,52(6):16-18.

[6]徐斌.高墩大跨连续刚构桥的设计及关键技术研究[J].铁道建筑，2015,55(6):10-13.

[7]李国平.桥梁成型状态的施工期优化[J].同济大学学报(自然科学版)，1999，27(1):20-24.

[8]马显红，余毅.高墩大跨连续刚构桥施工控制参数敏感性分析[J].桥梁建设，2012，42(3)：57-62.

[9]庄绪杰.薄壁高墩大跨连续刚构桥施工监控及稳定性分析[D].长沙：中南大学，2013.