大跨度PC连续梁桥施工控制方法应用

刘 欣

山东华邦建设集团有限公司,山东 潍坊 262500

0 引言

大跨度PC连续梁桥通常采用分段施工的方案,在悬臂施工、分段合龙、预应力张拉等阶段,受到混凝土自重、挂篮变形等因素的影响,全桥整体线形有可能出现较大偏差,尤其在竖直方向,结构应力分布也会发生变化。为了确保连续梁高程控制精度和结构安全,应采取理论计算与现场监测相结合的方法,达到良好的施工控制效果。

1 工程概况

某大跨度PC连续梁跨河桥梁的总长度为295 m,桥跨设计方案为中跨125 m,2个边跨均为85 m,桥面宽度为32 m,分为A、B两幅。该公路桥为双向6车道的一级公路。箱梁顶板和底板的宽度分别为16、10.6 m,为单箱双室结构。为了便于施工,将PC连续梁划分为若干个梁段,A幅对应梁段的编号为1#～15#,B幅对应梁段的编号为1′#～15′#,主梁为0#块。

2 施工控制仿真计算

施工控制的重点为连续梁的线形和内应力,在工程实践中,需要获得线形和应力的理论值,再与实际监测值进行对比,进而评价施工控制的效果,仿真计算是求得理论值的有效方法,实施过程如下。

2.1 施工控制仿真模型

在仿真计算中采用有限元分析法,利用Midas Civil软件建立桥梁的三维模型,共计形成94个梁单元和95个节点。模型计算阶段需要输入多个参数,包括混凝土强度等级、混凝土容重、钢绞线强度、钢绞线弹性模量等[1]。结合该项目的实际情况,模型计算参数见表1。

表1 有限元分析模型计算参数

2.2 仿真计算结果

仿真计算的结果包括各梁段混凝土块体的理论应力、不同施工阶段的竖直挠度(反映线形控制效果)。应力值包括梁段顶板应力和底板应力,计算部位涵盖悬臂根部截面、1/4截面。线形控制主要针对梁段的标高,而这一参数与竖直挠度密切相关[2]。表2为部份仿真计算的应力值示例,表3为部分挠度计算的结果。

表2 悬臂根部截面应力有限元计算结果示例 单位：MPa

表3 成桥阶段梁段累计竖直挠度有限元计算结果示例

3 施工控制方法及应用效果分析

3.1 线形控制方法及效果分析

3.1.1 大跨度PC连续梁线形控制的内容

线形控制的主要内容包括PC连续梁的纵向轴线、顶面高程(或者底面高程)、梁体断面尺寸、同跨对称点高程以及合龙后悬臂的高差。在轴线、高程、同跨对称点高程控制中,根据PC连续梁的长度设置允许偏差,当连续梁的总长度L不大于100 m时,轴线偏差不得超过10 mm,顶面高程偏差控制在±20 mm内,同跨对称点高程偏差不得超过20 mm[3];当L大于100 m时,轴线偏移量不超过L/10 000,顶面高程偏差和同跨对称点高程偏差不超过L/5 000。在断面尺寸控制中,高度偏差值不超过±30 mm,顶板、底板以及腹板的厚度偏差应控制在-5～10 mm,合龙后悬臂高差不得超过15 mm。

3.1.2 线形控制方法

3.1.2.1 布设高程控制点

高程控制点决定了PC连续梁在竖直方向的线形,在设置监测点时要考虑一系列因素,如测点的可靠性、施工的便捷性。结合该桥梁的特点,将梁体混凝土中的16 mm钢筋头作为控制点。在绑扎钢筋的过程中,控制钢筋头与悬臂梁端的距离(0.2 m),其上端应高于梁顶面,高出部分的长度控制在0.1～0.15 m[4]。针对每个梁段设置4个钢筋头监测点,在桥梁的纵向轴线上,测点形成4条测线,最外侧的2条测线距离A、B两幅的翼缘各1 m,内侧的2条测线分布在中心线两侧,距离中心线的距离均为1 m,将钢筋头刷成红色。

3.1.2.2 挂篮变形量计算方法

该项目采用挂篮悬臂梁施工方法,挂篮用于承载施工载荷,包括混凝土和钢筋的自重,如果挂篮发生变形,将会引起桥梁线形变化。为避免这一情况,必须检验挂篮的载荷能力,检验方法为向挂篮分级施加载荷,并且载荷的质量取最重的桥梁节段。该项目最重梁段的编号为1#,其设计质量为268 t,第1到第4级载荷分别为最重梁段的0%、50%、100%以及120%[5]。测点高程与挂篮载荷的关系显示,载荷级别按照由高到低挂篮变形引起的测点高程累计变形量分别为0、32、40、47 mm,完全卸载后的最终变形量为22 mm。在掌握试验梁段的数据之后,可借助经验公式计算出其他梁段的挂篮变形量,计算方法为：

(1)

式中：梁段n的挂篮弹性变形量记为fn;f1为梁段1的挂篮弹性变形量,其取值从载荷试验中获得;L1、Ln对应梁段1和梁段n的长度;M1、Mn为梁段1、梁段n的载荷质量。

3.1.2.3 立模底部标高计算方法

各梁段底部的立模标高与设计高程密切相关,可通过理论方法计算出各梁段的立模底部标高,计算方法为：

Hlmi=Hsji+Hypgi+fgi+Δf

(2)

式中：梁段i底板立模标高记为Hlmi;梁段i梁底前端的设计标高记为Hsji;梁段立模的设计标高为Hypgi;梁段i的挂篮变形量记为fgi;Δf为计算时的调整值。

3.1.3 线形控制结果

3.1.3.1 悬臂施工阶段线形控制效果分析

该PC连续梁桥梁的悬臂工况有15个,在悬臂施工阶段,线形控制的技术措施为对称合龙,即先边跨、后中跨,其中小里程边跨梁段的编号为1′#～15′#,大里程中跨梁段的编号为1#～15#。以该项目8号墩悬臂施工过程的竖直挠度变化值为例,对比有限元分析法计算的理论值和施工时的实测值,结果如表4所示。综合所有数据,可得到以下结论。

表4 8号墩悬臂施工阶段各梁段竖直挠度变化量示例 单位：mm

第一,在浇筑悬臂混凝土之后,受到重力作用,各梁段出现下挠,并且理论计算值略小于实际测量值,二者的偏差在-0.21～1.89 mm。理论值和实测值变化趋势高度接近,并且不超过15 mm的规范值。

第二,在预应力张拉阶段,理论值与实测值的偏差范围在-1.40～0.93 mm,数值变化趋势高度接近,并且不超过15 mm的规范值。

在成桥之后,需要对比各梁段设计高程与实测高程之间的差值,其中实测高程通过测量高程控制点获得,测量仪器为高精度的水准仪。梁段设计高程存在差异,范围在76.248～77.042 m,实测高程范围在76.244～77.056 m。高程偏差在-17～16 mm。相比于高程设计值,偏差非常小,满足规范要求。

3.2 应力控制方法及效果分析

3.2.1 应力控制方法

3.2.1.1 应力控制的原理

在大跨度PC连续梁施工中,需要分段浇筑悬臂梁,随着混凝土浇筑量的增加,其产生的载荷分别作用于梁顶板和底板,形成拉力和压力。吊篮移动和预应力张拉也会导致应力分布发生变化。对于分段合龙的桥梁工程,消除应力集中是确保结构安全的重要技术措施。应力控制的原理是在悬臂根部截面、1/4和1/2跨径截面预埋应力传感器,混凝土浇筑之后,由传感器检测梁段内的应力值。对比实测值和有限元分析法计算的理论值,即可评价施工应力控制效果。

3.2.1.2 应力测量仪器

该项目采用埋入式应力传感器,型号为JMZX-215HAT,由国内企业设计和制造。每个传感器都具有独立的电子编号,其芯片具有一定的智能化水平,可同时采集应变和混凝土内部温度数据。传感器采集到的数据同步传输至配套的综合测试仪,进行具体分析。

3.2.1.3 应力测点布置方案

根据PC连续梁的特点,选取11个重要的应力监测截面,2个边跨各3个、中跨为5个,其中有4个截面分布在悬臂梁的根部附近,其他截面位于中跨的中轴线、中跨1/4跨径等位置。每个监测截面的传感器数量为6个,顶板和底板各3个。

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3.2.1.4 应力传感器安装方法

第一,为防止混凝土浇筑影响应力传感器的位置,应使用扎带将传感器固定在箱梁纵筋正下方。

第二,传感器通过数据线传输数据,在设置传感器时,应预留长度足够的数据线,并且将其适当拉紧、拉直,再利用扎带将数据线固定在邻近的钢筋上。

3.2.1.5 误差修正方法

应变传感器在工作过程中有可能受到非力学因素的影响,导致其出现一定程度的测量偏差,常见的影响因素包括混凝土温度、混凝土弹性模量、传感器的安装方式等。例如应变传感器内部设计有钢弦,如果钢弦和钢筋混凝土的线性膨胀系数存在差异,就可能引起测量误差。为了消除温度因素的影响,可对应力计算方法进行修正,新的计算方法为：

ε=(ε1-ε0)+(T1-T0)(Fgx-Fgj)

(3)

式中：将当前的应变测量值、初始状态应变值分别记为ε1、ε0;T1和T0分别为传感器当前温度、初始温度;钢弦和钢筋混凝土的线性膨胀系数分别记为Fgx、Fgj。

环境温度、水泥的水化生热都会影响混凝土的弹性模量,可根据以下经验公式对其进行修正。

(4)

3.2.2 应力控制效果分析

3.2.2.1 悬臂梁应力监测结果分析

应力监测的数据量较大,为便于展示,以下仅列举其8号墩小里程悬臂梁根部的截面应力实测值和理论值的比较,部分数据见表5。综合全部悬臂应力对比数据,理论应力与实测应力的变化趋势高度一致,最大差值仅为1.25 MPa,属于可控范围。

表5 8号墩小里程悬臂梁根部截面应力监测值与理论值对比 单位：MPa

3.2.2.2 合龙段应力监测结果分析

该桥梁的合龙段涵盖3个截面,分别为小里程边跨、中跨以及大里程边跨。预应力张拉后,合龙段应力监测值与有限元计算理论值的对比结果见表6。从中可知,实测值整体略大于理论值,最大偏差为1.11 MPa,最小偏差为0.38 MPa,均在允许范围内。

表6 合龙段截面应力监测值与理论值对比结果 单位：MPa

4 结束语

在大跨度PC连续梁桥施工控制阶段,先通过有限元分析法计算出控制指标的理论值,包括各梁段在不同工况下的应力值以及竖直挠度变形量等,再通过设置高程监测点、预埋应力传感器的方式获取梁段在不同阶段的竖直挠度变化量和应力监测值,对比理论计算结果和实测值的偏差,可判断出施工过程的线形和应力控制效果。