闫翠香

大跨径连续刚构桥的施工与合龙控制应该从高程控制、轴线控制、应力控制以及结构的稳定控制着手,其中最重要的是高程控制和轴线控制。合龙阶段是桥梁建设的关键时期,合龙效果直接影响桥梁建成后的受力性能、外形及使用性能,因而保证结构的受力和变形始终处于安全状态,成桥后的结构内力和线性符合设计要求就显得异常重要。本文通过南河特大桥工程实例,对大跨连续刚构桥合龙的施工监测进行了探讨。

1 工程背景

晋济高速公路上的南河特大桥全桥采用(40+120+3×180+100=800m)六跨一联预应力混凝土连续刚构+连续梁的结构形式。上部结构采用斜腹板的预应力混凝土箱梁,箱梁为单箱单室断面,采用纵向、横向和竖向三向预应力混凝土结构。箱梁顶面横坡与路线横坡一致,为双向2%横坡,箱梁底面水平。箱梁顶宽24.5m,底宽8.656 m～11.408m,悬臂长6.0m。合龙段处箱梁中心高度为4.50m,底板厚0.32m。0号块处箱梁中心高为12.50m,底板厚1.4m,从悬臂端到0号块根部箱梁高度按 H=变化,底板厚按变化(x为计算截面到悬臂端的距离)。

南河特大桥合龙段施工顺序:

第一,中跨(3号 T构与4号T构之间第四跨);第二,次中跨(2号T构与3号T构之间第三跨,4号T构与5号T构之间第五跨),三、五跨混凝土浇筑同时对称进行;第三,左次边跨(1号 T构与2号 T构之间第二跨)、右边跨(5号 T构与6号 T构之间第六跨)。二、六跨混凝土浇筑同时对称进行;第四,左边跨(0号T构与1号T构之间第一跨)的合龙段与现浇段一起施工。

2 施工监控的工作内容

建立施工监控、监测的控制体系,广义地说,施工监控、监测工作是指施工监控、监测体系的建立和正确运作。

桥梁的施工监控、监测与桥梁的设计和施工及监理有着密切的联系。从信息论的观点来看,桥梁的施工监控、监测过程是一个信息采集、信息分析处理和信息反馈的过程。通过实时测量体系和现场测试体系,可以采集桥梁施工过程中各类所关心的数据信息。借助桥梁施工计算分析体系,对采集的数据信息进行分析。尤其是对施工中各类结构响应数据(如变形、应力、应变)的分析,可以对施工偏差做出评价,并根据需要研究制定出精度控制和偏差调整的具体措施。最后以施工控制指令的形式为桥梁的施工提供反馈信息。

3 控制方法

3.1 结构计算方案

根据南河特大桥的具体情况,本文选择最大悬臂状态下各梁段控制截面弯矩和主梁各标高控制点的标高为施工控制目标。

结构总体分析采用非线性计算理论。分析模型采用空间模型,用考虑剪切作用的梁单元模拟主梁和桥墩。用BSAS和ANSYS计算校核。挂篮作为结构单元进行拆装,参与受力计算。整个施工过程按施工循环周期分成若干阶段,每个阶段分3个工况,即:1)空挂篮就位;2)浇筑完毕节段混凝土;3)张拉预应力钢筋。

3.2 结构测试系统

施工控制中监测内容:1)主梁标高测量。用精密水准仪测量,在桥纵向悬臂端往塔根部方向测试3个主梁节段断面标高,每个测量断面布置4个测点,测点均设在主梁上。每阶段每一工况均进行标高测试。测量时间选在一天中温度变化最小的时候,即凌晨0点～6点之间。2)主梁轴线位置及其截面尺寸的测量。3)临时结构的观测,保证施工安全,测量其偏位。

3.3 偏差分析系统

由于施工中情况复杂,各种因素共同影响,偏差分析较困难。分析过程具体如下:1)取影响参数。在施工过程中影响结构受力的参数很多,其中影响较大的有:结构的刚度、梁段自重、施工荷载(临时荷载的增减与移动)、温度(结构温度场)、混凝土的收缩徐变、预应力的有效值等。2)参数敏感性分析。将各参数变化幅度控制在10%附近,选定控制目标(如跨中挠度),利用结构分析系统计算在参数变化时结构成桥状态控制目标的变化幅度,建立各参数敏感性方程(或影响矩阵),并得到影响结构受力的关键参数及次要参数。3)参数识别。识别的方法采用最小二乘法。参数识别的目的是为了准确的预报下一段施工的变形数值。4)误差判断。为了对参数识别的准确性提供参考,实际当中采用如下办法进行误差判断:a.混凝土弹性模量,根据张拉前后主梁标高变化计算结构刚度,反算混凝土弹性模量;b.浇筑混凝土误差,根据测试混凝土浇筑前后主梁标高变化判断混凝土重量;c.挂篮定位误差,根据实测定位标高和理论计算标高的差值判断;d.温度影响,根据24 h观测主梁标高变化判断温度影响;e.预应力束张拉力误差可根据张拉端油表读数和钢绞线伸长量变化判断;f.测量误差根据测量数据的变化趋势判断。

3.4 确定适用的施工偏差容许度指标和应力预警系统

要确定偏差峰值的大小和确定是否进行偏差调整,必须确定一套符合施工实际情况的偏差容许度指标体系。过严的偏差容许度会为施工带来困难,延误施工进度,过松的偏差容许度会为施工留下一定的隐患。偏差容许度的确定还必须满足设计和监理对施工质量的要求。针对南河特大桥工程跨径的具体情况,初步确定施工中轴线的偏差容许值为±10mm;在施工阶段,控制截面的混凝土拉应力不超过2.5 MPa,最大压应力不超过19.6 MPa,具体指标根据施工情况进行调整。

对于主梁的应力指标而言,根据国内目前的使用情况,本工程采用的测试设备其准确度尚不能令人十分满意,并且设计计算和施工监控、监测计算一般只能给出线性平面应力的大小,而施工中存在的箱梁的剪力滞后效应及角域应力的特殊性,因此应力的测试结果通常不用于直接的偏差分析,本文提出利用应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数。监控单位对于测试中出现的应力异常变化及时作出预警报告,实践证明是可靠的。

3.5 利用施工监控实时计算调整控制目标值

在进行参数调整拟合后,利用实际的施工时间参数和实际的施工荷载参数进行施工监控实时计算,产生施工控制实际目标值,用于下一阶段的主梁模板拼装标高确定和偏差分析。

施工监控、监测在实施时第一步的工作是要形成控制目标文件。施工监控、监测的预测计算将采用设计计算参数对施工过程进行分析,计算出控制目标的理论值。理论值由主梁理论挠度、主梁理论轴线和主梁截面理论应力等系列数据组成。在这一计算过程中将与设计计算进行相互校核,以确保控制目标不与设计要求失真。

桥梁施工监控的目的就是使施工与设计尽可能一致。在桥梁的设计计算中通常会采用一些假定的参数用于计算,比如:材料的弹性模量、容重、施工时间等。另外,在设计计算中还有大量的指定计算参数,比如:施工顺序等。在桥梁的施工控制计算中通常会采用尽可能真实的参数用于计算,以反映出设计与施工的差异。

由于桥梁的设计和施工中存在着这两种既不相同又相互联系的计算过程,并且在实际工作中这两类计算可能采用不同的计算模型,由不同的单位来完成,因此,为使施工能与设计结果相一致,首先要校核设计计算与施工监控、监测计算的闭合性。

这一校核过程主要是在施工控制计算初期,根据设计图提供的资料,建立施工控制计算模型,采用设计计算的主要参数和设计计算中假定的施工时间进行计算,利用此过程下的施工控制计算结果与设计计算结果相核对,以校核二者是否在计算模型及施工方法模拟间存在实质性差异。只有在两者计算结论基本一致的前提下,施工监控、监测的开展才有实际的意义。否则,需要与设计人员一起仔细核对两种计算过程,找出并解决存在的问题。

4 结语

南河特大桥施工监控的目标是把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于南河特大桥工程的实际施工过程中,对该桥施工期间的混凝土应力等内容进行有效的控制和调整,即:对该桥施工过程中实际发生的各项影响桥梁内力与变形的参数,结合施工过程中实测的各阶段主梁内力(应力)与变形数据,随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异,并找出原因,提出修正对策,以保证安全、优质、高效地进行施工,并确保在全桥建成以后梁的内力状态和外形曲线与设计基本相同。实践证明此施工监测的技术方案是可行的。

[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]巩春领,肖汝诚.大跨径刚构—连续组合梁桥整体受力分析与探讨[J].结构工程师,2004,20(5):14-15.

[3]徐君兰.大跨径桥梁施工控制[M].北京:人民交通出版社,2002.

[4]任 峤.连续刚构桥施工控制理论及其工程应用[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文,2006.

[5]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]陈 列,徐公望.高墩大跨预应力混凝土桥桥式方案及合龙顺序选择[J].桥梁建设,2005(1):33-35.

[7]吴建中.多跨连续梁的合龙设计[J].桥梁建设,1999(3):30-32.

[8]周翰斌,钱门友.长联多跨预应力混凝土刚构—连续梁桥的合龙施工[J].交通科技,2004(5):57-59.

[9]陈世锋.190m连续刚构悬臂施工及挠度监控[J].中南公路工程,2001,26(3):46-48.

[10]中交第一公路规划设计院.晋济高速公路南河特大桥设计图纸[Z].2004.

[11]JTG 62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[12]朱芳芳.连续刚构桥施工中的结构分析及其控制[D].大连:大连理工大学硕士论文,2003.