大跨径预应力混凝土悬臂连续箱梁施工监测与分析

■林少英

(莆田市交通投资集团有限公司，莆田 351100)

0 引言

我国建设事业经历了高速发展时期，桥梁建设及施工也得到了快速发展，而桥梁运营安全成为引人关注的重要问题。为确保桥梁结构的可靠性、耐久性及行车舒适性，在大跨度预应力箱梁施工过程中对其进行监测监控，是保证施工质量的重要手段。

桥梁施工监控不仅是施工技术的重要组成部分，而且也是实施难度相对较大的一部分。对不同的体系，不同的施工方法，不同材料等的桥梁，其施工监控技术要求也不同。以本桥为例，为了达到该桥设计要求的最终标高必须先设置预拱度。预应力混凝土结构由于除了混凝土本身材料的非均质和材料特性的不稳定外，它还受环境温度、湿度、时间等因素的影响，加上采用悬臂施工自架设体系施工方法，各节段混凝土或各层混凝土相互影响，这就必然造成各节段或层的应力和位移随着混凝土浇筑或块件的拼装过程的变化而偏离设计值的现象，甚至出现超过设计允许的应力和位移。对这种情况，若不通过有效地施工监控及时地发现和调整，势必造成成桥状态的应力与线形不符合设计要求或在施工过程中出现结构的破坏。

桥梁施工监控是确保桥梁施工宏观质量的关键。对于采用多工序，多阶段施工的桥梁上部结构，要求结构的应力和标高的最终状态符合设计要求，就需要将施工中的实测值与预测值进行比较，及时进行误差调整，直至达到最终的理想状态。

桥梁的施工监控又是桥梁建设的安全保证，为了安全可靠地建设每座桥梁，施工监控将变得非常重要。当发现施工过程中监测得到的实测值与理论值相差过大时，就应及时进行检查和分析原因，从而避免后续施工中工程安全事故的发生。

1 工程概况

某大桥双向六车道，全长320m。桥梁平面位于直线段内。桥型布置为(82+146+82)m变截面连续箱梁，主墩采用实体墩，桥台采用肋式台，基础采用钻孔灌注桩基础。桥型布置图如图1所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 监控目标及方法

2.1 监控目标

由于大桥上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁，结构构造和受力均比较复杂，箱梁施工采用挂篮悬臂灌注施工法进行施工。因此施工监控的工作目标是：把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于本桥架设的实际施工过程，对桥梁施工期间的线形、应力等内容进行有效的控制和合理的调整；根据施工全过程中实际出现的各项影响桥梁应力、变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段应力与变形数据，及时分析各施工阶段中实测值与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，并进行修正，协助施工单位安全、优质、高效地进行施工，并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态、线形与设计的内力状态、线形相符。

2.2 组织体系

施工控制牵涉到业主、设计、施工、监理、监控监测等多家单位，这些单位在施工控制中起到了重要作用。施工控制是靠参建各方协作、共同努力实现的。在本桥架设施工中组织体系如图2所示。

图2 监控组织体系

2.3 监控要点

在施工过程，由于受混凝土浇筑、挂篮移动、施工荷载、预应力张拉、混凝土收缩及徐变、温度、湿度等诸多因素的影响，往往会出现悬浇梁段的合龙误差较大和成桥线形与设计目标不相吻合，这些是施工中必须认真解决的关键技术问题。本桥的施工监控难点和关键点包括以下几个方面。

(1)结构参数的不确定性影响

混凝土梁桥参数不确定性较大，施工中各种参数(如材料的弹性模量、混凝土收缩徐变系数、结构自重、施工荷载)的偏差，以及测量等方面产生的误差，尤其是某些具有累积的特性的偏差 (如主梁的标高误差、轴线误差等)，都对施工监控的准确分析、预测有很大的影响。

(2)温度荷载的影响

温度变化对桥梁结构的受力与变形影响很大，这种影响随温度的改变而改变，结构的温度次内力或温度次应力易导致结构裂缝。

(3)挂篮荷载的影响

本桥采用的是挂篮悬臂浇筑施工，挂篮的刚度和变形(弹性、非弹性)对主梁的线形会有较大的影响。悬臂浇筑施工过程中，必须保证挂篮的安全和稳定，明确挂篮对主梁结构的作用，消除预测中因对施工工艺模拟不客观引起的误差，以确保主梁的线形和内力在控制之中，保障桥梁施工的顺利安全进行。

(4)预应力的影响

预加应力是预应力混凝土结构内力和变形控制考虑的重要结构参数，但预应力值的大小受很多因素的影响，包括张拉设备、管道摩阻、预应力钢筋断面尺寸、弹性模量等，施工控制中要对其取值误差做出合理估计。

(5)混凝土的收缩徐变

对于混凝土桥梁结构而言，材料收缩、徐变对结构内力和变形有较大的影响，这主要是由于桥梁结构施工过程中混凝土普遍存在加载龄期短和各个阶段龄期相差较大等引起的，施工监控中予以认真研究，以采用合理的符合实际的徐变参数和计算模型。

针对上述施工控制的难点和关键点，在本桥的施工监控中，我们采用自校正调节适应法+来解决上述问题，以保证每一施工阶段结构的内力和线形都处于预测和控制范围之内，使桥梁施工最终状态达到设计目标。

2.4 施工监测方法

2.4.1 结构变形监测

借助施工建立的平面及高程控制网，应用三角及精密水准法对桥梁进行线型监测。

(1)线型监测

线型监测是连续梁施工控制的核心之一，确定好线型测点非常重要。为确保测试结果的准确、可靠，每个施工块件两腹板外缘及中线前端顶部各布置3个对称的高程观测点，以利于在观测箱梁挠度，同时观察箱梁是否发生扭转变形。0#块的中心高程观测点不但是本块件箱梁顶板设计标高的控制点，同时也是后续各悬浇节段高程观测的基准点，因此每个主墩箱梁顶部中心点应加固处理。块件的挠度测点位置设在距块件前端15cm处，测点采用Φ16钢筋制作，钢筋长度约25cm，在垂直方向上与箱梁顶板的上下层钢筋点焊牢固，并保持垂直，顶端打磨平整，侧缘倒角并露出砼面2cm，用红油漆标识。

0号块高程测点布置：布置0号块高程测点目的在于控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬浇阶段高程观测的基准点。每个0号块的顶板各布置11个高程观测点，测点布置如图3所示。

图30 号块截面尺寸图和高程测点布置示意图

各悬浇节段的高程观测点布置：每个节段各布置两个高程观测点，对称布置在悬臂板与承托的交接处，与块件前端相距10cm，如图4所示。

图4 0号块悬臂节段高程测点布置示意图(单位：cm)

各主墩零号块施工完成后，监控单位配合施工单位利用已经建立的三维导线控制点设立零号块上的箱梁悬壁浇筑施工的高程控制点 (后续各悬浇节段高程观测的基准点)，在箱梁悬臂施工中，对于高程控制的基准点，在下述情况下应进行复测：

①结构受力体系转换后；

②墩基础发生较大沉降变化时；

③施工控制组经分析后认为有必要进行复测时。

为了给线性控制提供理论依据，施工单位按照监控单位要求现场取样，制成弹模测试试块。

(2)主梁轴线偏位测量

主梁轴线偏位测点布置见图5，采用视准法直接测量。将全站仪或经纬仪架设在墩顶梁面中心，后视另一墩顶梁面中心，视线为基准线，在梁前端中心标记处放置小钢尺，钢尺基准点与梁端中心点重合，用仪器直接读取钢尺读数，即为轴线偏移值。测试箱梁纵向预应力钢束张拉后轴线偏位由施工单位配合进行。

图5 0号块测点布置示意图(CP为轴线偏位测点)

(3)线型测量仪器设备

全站仪精度为 ±2″；WildNA2自动安平水准仪精度为±0.7mm/100km。

(4)线型测量注意事项

①线型测量过程中，当各墩之间及各墩与施工控制网之间可以联测时，应进行联测，以确保测量数据的可靠、准确。

②施工监控过程中应注意因暂时不平衡力而引起的主梁和墩身线型的变化。

③箱梁每一节段悬臂施工过程中，测量小组和施工单位应进行至少以下三个工况的挠度测量和高程控制测量：挂篮移位、浇筑箱梁混凝土前；浇筑箱梁混凝土后及纵向预应力钢束张拉前；箱梁纵向预应力钢束张拉后。

同时，应进行至少以下两个工况的箱梁平面中线位置控制测量，即：挂篮移位及浇注混凝土前；箱梁纵向预应力钢束张拉后。

以上测量工况，除对当前施工梁进行外，同时对己施工所有节段测量，以得到箱梁节段累计实际变形。为了保证成桥桥面标高和监控线形的吻合，监控单位平时应当经常性抽测桥面实际标高，并跟钢筋头标高推论出的桥面线形进行比较，超出范围及时汇报。

④0号块施工完毕后，基础沉降观测点设在各墩的墩身或承台上，每个桥墩或承台上设2～4个测点(最高墩尤其要注意)，测点采用固定在墩身表面的水准尺或承台埋置式测点。在特定情况或者根据业主监理要求复合墩身沉降。

⑤合拢之前的长悬臂阶段必须观测标高随日照的变化；合拢段要详细跟踪底模板的标高变化；边跨和中跨合拢监控单位都必须提供合拢精度报告；对于施工单位的合拢配重方案，监控单位进行复核并提出建议；中跨预应力张拉后监控单位要进行全桥桥面标高复测。

2.4.2 结构应力监测

对大跨度预应力混凝土桥梁而言，由于混凝土材料的非均匀性和不稳定性，受设计参数(如材料特性、密度、截面特性等参数)、施工状况(施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数)和结构分析模型等诸多因素的影响，结构的实际应力与设计应力很难完全吻合，即计算应力不可能准确反映结构的实际应力状态。只有通过理论分析、误差分析等手段，使测试应力结果尽可能地接近于结构实际，才能较准确地掌握结构的真实应力状态。由于混凝土材料的特殊性，测量应力的误差主要来源于混凝土的实际弹性模量的差异和混凝土的收缩徐变的影响。为了排除非受力应变，在埋入工作应力计的同时，也埋设无应力计，测试混凝土的非应力应变。从实测的总应变中减去无应力计测试的无应力应变，即可得到由应力引起的混凝土应变，再根据混凝土的应力应变关系，可以推算混凝土在不同应力状态下的单轴应变计算公式，从而计算出混凝土的应力。

(1)传感器选择

基于大桥施工工期长、工作量大(测量频繁且须多点同时读数)、现场测试环境差(边施工，边测量)，密封、绝缘要求高，温度变化难于预测，因撞击、振捣损坏传感器器件的情况不可避免。同时，还必须设法排除混凝土收缩徐变对测试结果的影响。在整个监测监控期间，为了不影响桥梁现场施工进度，鉴于同类桥梁施工监控的经验，拟选用内埋式钢弦应变传感器。目前，工程界普遍认为，钢弦式内埋应变传感器量程大、精度高、零漂和温漂小，且自身防护破损的能力好，便于长期观测，是混凝土应变测量较理想的传感元件。

(2)测试断面及测点布置方案

实践表明：箱型截面整体性好，结构刚度大，承受正、负弯矩及抗扭能力强，是一种经济合理的截面形式。单箱单室薄壁截面，可提高单位面积的惯性矩，可采用箱梁顶板横向预应力与腹板内竖向预应力配筋来解决长悬臂箱梁的受力问题。对于大跨度三向预应力混凝土连续桥，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，起控制作用的因素是主梁的自重、挂篮和预应力，因此监测主梁的上下缘正应力就显得尤为重要。

应力测试断面的选择主要考虑以下因素：①结构受力的关键截面；②施工流程；③本桥自身特点；④结构的对称性；⑤结构或构件的受力特点。梁体应力监测断面见图6，各断面应力监测点布置见图7。主桥上部结构箱梁中共布置7个测试断面，其中支点附近截面每个断面内布置6个应变传感器，跨中位置截面(A、D、G)每个断面内布置4个应变传感器，传感器在各个断面内均为顺桥向布置；此外，结合以往的连续梁桥施工过程中常常遇到的一些问题，在主跨1/4断面位置处增设一个观测断面(H-H断面)，断面内共布置4个应变传感器。断面选择在最早施工的主跨梁段内。断面内各个传感器的测试导线端头统一引到桥面上，并采取相应的保护措施防止导线受到损坏。

图6 主桥施工监测断面布置示意图

图7 主桥施工监测断面测点布置示意图(单位：cm)

(3)应变计埋设

为保证埋设的钢弦应变计有较高的成活率，需对埋设的应变计特殊处理和进行多项检查。在操作中尽可能准确地使钢弦应变计与纵向应力方向保持一致。为防止混凝土浇筑过程中传感器的窜位和角度改变，埋设时用扎丝将传感器较牢捆扎在钢筋上。

(4)箱梁应力测量工况

混凝土箱梁的悬浇过程大致可分为三个工序：①挂篮前移、立模；②混凝土浇筑；③预应力张拉。则应力测量工况为：悬臂施工的前1-2个阶段，在混凝土浇筑后和预应力张拉后测量；后续节段正常施工，在预应力张拉后测量，合拢前适当加密；然后对体系转换后箱梁结构各工况改变后的应力进行监测，直至箱梁竣工。特殊情况下可适当加密箱梁应力的监测频次。测量时间选定在每一工况结束后3-6小时为宜，同时，在每一施工阶段，各工况测量时的温度变化不能太大。

2.4.3 结构温度监测

温度是影响主梁变形的最主要因素之一，温度变化包括日温度变化和季节温度变化两部分。日温度变化比较复杂，尤其是日照作用，会引起箱梁顶底板的温差，使主梁发生挠曲，同时也会引起墩身的偏移。季节温差对主梁挠度的影响比较简单，其变化是均匀的，可通过采集各节段在各个施工阶段的温度，输入计算机进行处理。因此，为了摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况，在梁体上布置温度观测点进行观测，以获得准确的温度变化规律。监测控制截面的温度和温度应力，可以在分析时消除温度产生的附加应力，准确地监控截面的真实应力情况。

考虑到各个“T”的温度分布大致相同，故选取其中一个“T”的一侧悬臂作为温度测试对象。共设置2个温度观测断面，每个断面各布置4个温度观测点。长沙翔昊记忆智能型应变计带有温度应变功能，则温度传感器可选用此型号。C-C断面和H-H断面选为温度观测断面。

当箱梁悬浇施工至长悬臂状态时，大气温度变化、日照温差等对长悬臂箱梁变形影响显著，为了保证各跨箱梁顺利合拢和线形控制要求，必须进行悬臂标高的24小时跟踪测量，同时量测相应的气温变化值。

2.4.4 施工线型控制目标

合拢两侧主梁悬臂端高差小于10mm，要求结构的线形平顺最大误差与理论线形比较小于30mm，桥面线型符合设计要求，力求做到自然合拢。桥墩允许偏差为不大于0.3%h(墩高)且不大于20mm。悬臂合拢的中轴线位置误差不大于10mm，立模精度在±10mm范围。

3 监测结果分析

(1)理论立模标高

理论立模标高根据模型计算的预拱度和梁底设计标高进行设置，按照规范要求，桥梁预拱度考虑桥梁合龙1000天后的收缩和徐变与1/2活载下的挠度。理论模拟标高见图8。

理论立模标高：Hlm=Hd+Hypg+fgl(1)

式中，Hlm为梁体立模标高；Hd为设计标高；Hypg为计算所得的预抛高值；fgl为挂篮变形值。

(2)成桥线型

桥梁成桥后桥面线形与设计高差在-0.006m～0.019m之间，理论值和实测值基本吻合；桥面线形光顺，成桥线形达到线形预定施工控制目标。成桥后桥梁理论线型和实测线型如图9所示。

图8 理论立模标高(单位：m)

图9 成桥理论线型和实测线型对比分析图(单位：m)

(3)应力监测

施工过程重梁体的应力随着施工进度不断变化，在施工过程中，梁体应力值受到各种因素影响可能会偏离计算值，严重时梁体实际应力超过混凝土的允许值。因此，有必要在施工阶段对梁体控制截面进行施工应力监控测试，为设计、施工控制提供实测应力值作为参考数据，以确保大桥安全、优质建成。本桥应变测试主要测试主梁沿桥纵向的正应变，因此，在测试截面的梁顶、底板布置应力测点。

从测量结果可知：①施工过程中测量应力与理论应力的差值在1.5MPa以内；测量的施工过程中最大压应力为 13.9MPa， 满 足 规 范 要 求 σtcc≤0.70f′ck=0.7×35.5=24.85MPa；施工阶段未出现拉应力；②成桥后梁体应力在-5.1～-12.3MPa之内，测量应力与理论计算的成桥应力差值在0.8MPa以内，测量应力接近理论计算应力。

测量各个施工阶段和成桥状态下应力测试数据表明，左幅桥施工阶段和成桥状态下梁体应力与计算应力接近，且满足规范要求，成桥状态左幅桥内力内处于安全、合理状态。

4 结论

对本桥桥梁结构进行正常极限状态验算表明结构在正常使用极限状态下结构应力和挠度均满足规范要求；施工阶段计算表明施工过程结构安全，线形和应力达到施工控制要求；各项测试数据表明本桥施工和成桥状态结构线形和应力状态始终在控制范围内，最终施工的成桥状态结构线形和应力达到设计的目标状态。