呼和浩特市三环路特大桥预应力连续梁桥悬臂施工控制研究

(1.呼和浩特职业学院 建筑工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051;2.内蒙古大学 交通学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

1 概述

公路运输在我国国民经济中处于重要地位，目前，随着经济的快速发展，我国公路运力面临一定的压力[1]。桥梁建设在交通基础设施建设中占有较大的比重[2]。为跨越海湾、大河和公路等，大跨度桥梁的修建非常迫切[3]。在桥梁施工过程中，不断提高施工技术发展水平，对施工进行控制日益重要。我们可将每座桥梁的施工看作一个系统工程，对于大跨度预应力混凝土连续梁桥来说是如此，施工控制更是非常重要[4]。在系统中，内外因素的耦合会对悬臂现浇施工过程结构产生干扰，从而造成极大影响，所以需及时有效地对影响误差的系统参数进行监控[5]。本文基于呼和浩特市三环路特大桥，对其预应力连续梁桥悬臂施工控制进行了研究。

2 工程概况

呼和浩特市三环路特大桥全长为885.24 m，起点里程为DK191+455.35 m，终点里程为DK192+355.85 m。大桥主桥为三跨预应力混凝土变截面箱型连续梁，桥宽13.35 m，主跨跨径41.5 m+61.5 m+45.0 m，设计时速85 km/h且双线通车。将单箱单室箱型作为主梁选择对象，同时把单向横坡向外侧倾斜的方式作为顶面翼缘板的应用方式。桥梁桥墩和箱梁连接根部断面有5.25 m的梁高，2.82 m的边跨端部和中跨端部高度。将“T构”挂篮分段对称方法应用在两高墩悬臂浇筑当中进行现浇段浇筑，在开展边跨现浇段及连续悬臂浇筑时，首先将边跨合拢处理，然后进行中跨合拢。

3 施工仿真计算

3.1 预应力体系

将三向预应力体系放在连续桥梁使用当中，严格按照《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224-2014)要求执行横向、纵向预应力钢束，将Φ25 mm高强精轧螺纹钢筋以及金属波纹管成孔分别应用在竖向预应力钢筋以及管道形成当中。

3.2 仿真计算

3.2.1计算模型

结合设计图纸和相关规范，确定公路相关结构的参数取值；展开现场试验等方式识别并调整偏差系数和预应力管道摩组等。正装计算的起点规定为连续梁零号块，对各阶段截面的受力、变形情况进行计算。通过Midas/Civil软件，可使用连续梁模型对分节段悬臂浇筑施工全程进行仿真分析，该有限元模型共划分节点195个，单元170个。图1为桥梁结构建模简图。

图1 结构建模计算简图Figure 1 Structural modeling computation diagram

3.2.2材料物理性质(见表1、2)

表1 C50主梁梁体材料物理性质Table 1 Physical properties of C50 girder materials物理性质抗压弹性模量/MPa泊松比线膨胀系数/(1·[C]-1)容重/(N·m-3)测试值3.66×1040.211.1×10-52.6×104

表2 预应力钢绞线材料物理性质Table 2 Physical properties of prestressed steel strand ma-terials物理性质抗压弹性模量/MPa泊松比线膨胀系数/(1·[C]-1)钢筋松弛系数测试值1.96×1050.311.25×10-50.020钢筋与管道壁摩阻系数管道每米局部偏差的摩擦影响系数锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值/m容重/(N·m-3)0.240.002 60.0067.86×104

4 预应力连续梁桥悬臂施工控制

在悬臂施工各个阶段进行线形监控，悬臂结构的顶板、底板、翼缘板的平顺程度由线性决定[6]。在现场监控的基础上，严格按照规范标准确定桥梁悬臂各部标高误差，以实现安全合拢的目的。

4.1 连续梁挂篮验算及优化

4.1.1挂篮结构设计

悬臂施工过程中桥梁的安全性和施工质量都是由挂篮的稳定性和变形来决定的[7]。基于现场挂篮荷载试验方式消除非弹性变形，并结合预压方式增强其安全性和可靠性。将三角形挂篮放置在三环路特大桥连续梁当中，将4.05 m作为最长梁段长度，适用最大梁段重为205 t，每副挂篮自重为48.5 t，适用梁高为4.96～7.96 m。

大桥挂篮的主体结构： ①主桁：为承重结构，其中又分为上中横梁、主梁、立柱、上前横梁、斜拉带等。②悬吊系统：包括后横梁吊杆、前横梁吊带、模板吊杆。③锚固系统：吊带锚固、主桁后锚以及轨道锚固都是其中非常关键的结构。④行走系统：包括行走轨道、四氟滑动支座、后锚行走小车。沿桥纵向，每条轨道设有两排间距为0.26 m的滑动行走轮，设置两根滑轨于桁架下箱梁顶面处，设滑行拖船于滑轨及主桁前后支点处；前移时，将配重在桁架后锚梁上安装好，用5 t的两个导链在前端牵引，挂篮前移。⑤模板系统：槽钢、角钢焊接而成箱梁外模外框架，将槽钢用作模板围带，保持6.05 mm的板面钢厚度。内模组成包括斜支撑、内模桁架、组合钢模等。

4.1.2模拟计算

基于Midas/Civil验算挂篮的强度和变形结构，三角挂篮仿真计算模型如图2所示，其中共有224个单元和195个节点。

支点在挂篮前约束转动，锚点在挂篮后为全约束，可滑动约束在行走轨道中点处。在前下纵梁上，根据20.5 N/mm进行模板、混凝土荷载的加载，在四根吊带上加载翼缘和侧模荷载，每根3.05 t。呼和浩特市三环路特大桥挂篮最大剪力为268.82 kN、最大轴力为625.32 kN、最大弯矩为132.85 kN·m。在工作状态下，挂篮各杆件变形及受力能满足规范、设计要求。

图2 大桥挂篮有限元计算模型Figure 2 Finite element calculation model of hanging basket for super-large bridge

4.1.3挂篮现场预压试验

在完成零号块施工和其余节段施工前，对三角挂篮安全性、可靠性进行检算，对悬臂施工过程进行有效控制，当挂篮安装完以后，需要结合现场预压试验确定最终的受力情况，消除挂篮自身非弹性变形，表3为三环路特大桥20号墩挂篮试压加载测量值。

表3 大桥20号墩挂篮试压加载测量值Table 3 Measurement value of hanging basket pressure test loading for pier 20 of bridge观测点加载卸载弹性变形0%55%105%125%0%55%105%Δh0%Δh55%Δh105%Δh125%10-20-33-34-5-18-230-14-19-3020-25-37-38-6-19-250-14-20-3330-24-35-35-9-20-240-12-16-2740-31-47-51-14-31-360-18-23-3850-36-41-46-14-21-290-8-16-3360-32-38-48-12-29-310-18-20-37Δ—0.0-28-38.5-42-12-23-280.0141933

4.2 线性监控

大跨径连续桥梁未合拢时，一直是悬臂状态，当不断推进施工进程后，将会显著增加悬臂的长度和荷载，由于受到外界温差和风力等因素的干扰，将会出现下挠作用，此时在预应力张拉、自身刚性以及梁端对称平衡施工的基础上能够实现结构的稳定性[8]。当合拢操作完成后，由于二期荷载产生作用，将会持续发生下挠作用。大跨径连续桥梁会在分节段平衡悬臂施工过程中产生下挠变形作用，这个过程中可能产生比较复杂的影响因素，如果没有合理有效的控制，将会出现设计预期与实际施工标高之间存在误差的现象，进而影响线行和合拢等过程。所以需要将线形监控应用在桥梁施工的全部过程，并结合理论设计与实际监测偏差识别并调整敏感参数，不断修正仿真模型。

4.2.1确定立模标高及预拱度

立模标高需进行一定预拱度的设置，涉及到施工过程中预应力张造成的抵消挂篮下降两或上翘位移、二期荷载等[9]。在十年后或更长时间内要满足桥梁轨顶标高，需提供挠度值，将挠度值和设计标高相加可获得立模标高。计算方法见公式(1)：

HL=HS+YY+Δg

(1)

式中:HS表示设计标高；HL表示立模标高；Δg表示挂篮变形值；YY表示计算所得预抛高值。预计标高见公式(2)所示：

HY=HL+x0-Δg

(2)

式中:在浇筑当前，节段混凝土和张拉预应力后总下挠值用x0表示。

4.2.2标高控制方法及实施

标高测点布置图如图3所示，不同梁段前端需要通过高程控制设一测试断面的方式将2个测点预埋在断面的顶板和底板，其中零号块共预埋测点7个。实际结构与理论的尺寸会存在一些差别，通过线性控制方式降低两者间的偏差，并确保该偏差不超过参考规范范围，表4所示内容为其实际情况。

(a) 0号块测点

(b) 其他块横断面测点

表4 连续梁悬臂浇筑梁段的允许偏差和检验方法Table 4 Permissible deviations and test methods for canti-lever cast-in section of continuous beams序号项目允许偏差/mm检验方法1悬臂梁段顶面高程+15.5/-5.5 测量检查2合拢前两悬臂端相对高差 合拢段长的1/100,且≤15.53梁段轴线偏差15.54相邻梁段错台5

4.2.3标高监控结果

以大桥20号、21号墩标高控制作为研究对象展开分析，同时全面计算分析0号块、1号块、4号块、7号块施工阶段的监测数值，图4为测点布置图，表5为20号墩施工四块标高控制结果。

图4 测点布置图Figure 4 Layout of measuring points

表5 20号墩施工四块标高控制结果Table 5 Control results of four elevation blocks in pier 20 construction测点钢筋头/m浇筑前实测值/m浇筑后实测值/m张拉后实测值/m浇筑前后实测值之差 /mm浇筑后理论变形值/mm浇筑前后理论与实测值误差/mm张拉前后实测值之差/mm张拉后理论变形值/mm张拉前后理论与实测值误差/mm1165.879165.878165.879-1-0.0500.92810.000-1.0000号快2165.870165.870165.8700-0.050-0.05000.0000.0003165.720165.719165.720-1-0.0500.92810.000-1.0004165.723165.721165.723-2-0.0501.92820.000-2.0001165.904165.901165.904-3-0.1182.86030.003-2.9961号快2165.902165.900165.902-2-0.1181.86020.003-1.9963165.703165.701165.703-2-0.1181.86020.003-1.9964165.703165.701165.704-2-0.1181.86030.003-2.9961165.935165.935165.9360-0.241-0.24111.0300.0304号快2165.939165.936165.936-3-0.2412.73701.0301.0303165.668165.664165.666-4-0.2413.73721.030-0.9684165.679165.675165.676-4-0.2413.73711.0300.0301165.979165.978165.978-1-0.4310.54702.1282.1287号快2165.964165.964165.9660-0.431-0.43122.1280.1283165.665165.664165.668-1-0.4310.54742.128-1.8704165.654165.655165.6611-0.431-1.43162.128-3.870

由表4、图5知，各标高测点理论值和实测值并不完全一致，变化幅度并不十分显著，没有显著的规律性。理论值和实测值之间保持-4～2 mm范围内的差值变化，当对4号块梁体做完浇筑处理后，会突然降低其中一实测标高，其造成因素主要是浇注4号块砼的挂篮、自重荷载，属于正常变化；当完成7号块张拉后，此时理论值和梁体实测标高值之间并不完全一致，但差值未超过允许范围。在后续监控过程中实时跟踪实际测量值，如果出现整体数值存在差异的情况，需要及时进行调整和分析，对结构变形有效控制。分析0号块、1号块、4号块、7号块施工标高变化情况，可以看出，由于多元化因素耦合的作用而提高其复杂程度；因此，要及时分析原因，对施工中出现偏差要进行控制。

4.3 应力监控

在施工过程中，当连续梁桥出现安全、质量隐患时，应停工分析问题并进行调整[10]。需要永久性保留桥梁结构内部的钢筋应力计，并在检测运行桥梁安全状态的过程中发挥作用。

4.3.1监控截面、监测点布置及测试时间

通常情况下，在悬臂跨中、根部等应力关键控制截面，布置连续梁桥主梁钢筋应力监测测点，确保及时监测连续梁各阶段实际应力分布情况。本桥在中跨3L/8、L/4、L/8，边跨的L/4、L/2、3L/4，中支点悬臂根部截面处进行测点的设置，每个断面布置测点6个，底板、顶板各3个。图5为大桥连续梁钢筋应力计布置图，图6为埋设钢筋应力计。

图5 大桥连续梁钢筋应力计布置图Figure 5 Layout of reinforcement stress meter for continuous girder of extra large bridge

图6 埋设钢筋应力计Figure 6 Embedded steel bar stress gauge

4.3.2应力测试数据分析及结果

在现场预埋的基础上，全面且及时的监测施工全过程以及实际应力情况，对其受力情况有效把控，通过实际应力监控可以看出，不同阶段具有相似的顶板应力和控制截面底板变化规律，没有出现超出规范规定的情况。大桥连续梁共有8个梁应力测试断面，本研究的详细情况见表6。

表6 20号墩4-4断面应力实测值与计算值比较表Table 6 Comparisons between measured and calculated stresses of section 4-4 of pier 20MPa 施工阶段顶板测点123456理论值0号浇注后-0.450.01-0.120.070.730.480.120号张拉后-1.50-1.36-1.560.43-0.03-0.090.031号浇注后-2.53-1.90-1.81-0.03-0.21-0.120.101号张拉后-3.41-3.32-2.67-0.53-0.30-0.31-0.242号浇注后-3.64-4.16-3.45-0.57-0.30-0.30-0.262号张拉后-5.43-5.02-4.24-0.74-0.56-0.30-0.363号浇注后-5.44-5.26-4.77-0.65-0.43-0.36-0.273号张拉后-5.54-5.42-5.04-0.36-0.66-0.50-0.44边跨合拢后-8.15-7.55-8.05-5.77-5.32-4.90-4.64边跨合拢张拉后-7.24-7.22-6.76-4.68-4.42-4.21-3.88边跨合拢后-8.50-8.61-8.10-3.40-3.22-2.82-2.90边跨合拢张拉后-8.07-7.02-8.11-3.63-3.70-2.92-3.03

由表6可知，5.54 MPa是主要测点在中跨1/4截面和主梁悬臂根部受压应力的最大值，0.43 MPa是其最大拉应力值。C50砼[σc]=13.2 MPa，[σtp-1]=2.77 MPa，与轴心抗压、允许抗拉强度的设计值相比，实际测量值显然更小，也就是说该结构安全性较强。现场实际监测理论值与实际值之间并不完全一致，但具有较为相似的变化规律，这说明在施工控制中，使用的理论方法所建模型能客观、准确对实际施工进行反映，监测控制点切实可靠。

5 结论

基于呼和浩特市三环路特大桥，对其预应力连续梁桥悬臂施工控制进行了研究，得出结论如下：

a.呼和浩特市三环路特大桥挂篮最大剪力为268.82 kN、最大轴力为625.32 kN、最大弯矩为132.85 kN·m。在工作状态下，挂篮各杆件变形及受力能满足规范、设计要求。

b.通过分析仿真模型的建立及控制参数具体取值，各标高测点理论值和实测值并不完全一致，变化幅度亦不十分显著，没有显著的规律性。理论值和实测值之间保持-4～2 mm范围内的差值变化。

c.5.54 MPa是主要测点在中跨1/4截面和主梁悬臂根部受压应力的最大值，0.43 MPa是其最大拉应力值。现场实际监测的连续梁值和理论值具有较小偏差、变化规律比较类似，在施工控制中，所建模型能客观、准确地对实际施工进行反映，监测控制点切实可靠。