浅析悬臂施工中桥梁稳定性和可靠性控制

2012-08-15王志强

科技视界 2012年4期

王志强周伟乔亮

（1.山东黄河勘测设计研究院山东济南 250013；2.菏泽黄河工程局第二工程处山东菏泽 274000）

1 施工控制的必要性

设计提供的各节段主梁的施工预拱度是基于规范要求来确定的设计参数,这往往与施工现场实际情况存在一定的误差,这一误差往往导致设计计算与施工实际有出入。同时,连续刚构桥梁通常采用悬臂分节段施工,是一个复杂的施工过程,各施工阶段是一个连续、系统的施工体系,前期工作的成果直接影响后期阶段的结果,且由于连续刚构桥梁自身的特点,特别是施工标高偏低的情况是很难在后续阶段予以弥补的。这就需要在桥梁施工过程中,运用施工控制措施,通过对大跨径连续刚构桥梁进行施工控制,对施工方的可行性做出评价,确定各施工理想状态的线形和位移,对随后施工状态的线形及位移做出预测,提供施工控制参数,保证施工中的安全和结构恒载内力及结构线形符合设计要求,保证施工质量和安全。

2 悬拼桥梁的设计和施工特点

节段桥梁的施工方法很多，但就城市桥梁而言，悬臂拼装法是具竞争力的方案，即主梁在预制场地分段预制，留好预应力孔道，下部结构施工完成后，把梁段运到工地拼装，同时张拉所需的钢束。整个过程的结构体系为先是悬臂结构，合龙后形成连续体系。节段桥梁的分段长度可根据结构的受力要求及施工机具灵活划分。

设计方面，可采用高标号混凝土，预应力体系可多种多样，计算机的使用已使桥梁的结构分析及挠度控制十分简便。与满堂支架法相比，结构由简支到连续，存在结构体系转换问题，预应力及徐变引起的次内力已不容忽视。

施工方面，可以节省大量的支架、型钢和模板，混凝土质量可以得到保证。对城市桥梁而言，不必用挂篮进行张拉钢束等作业，只需简单的移动支架即可。节段的预制可与下部构造同时进行，一方面大大加快了施工进度，另一方面可减少徐变带来的负面影响，充分发挥力筋的高强性能。节段的安装可充分利用机械化设备，安排在车流量较小的时段进行，对交通影响较小。

节段桥梁设计和施工的关键问题:一是桥梁设计和施工的关键因素是次内力、节段间的连接、体系转换及高程控制等。二是预应力钢束布置节段桥梁的配束由悬臂力筋和连续力筋两部分组成，悬臂力筋布置在顶板、腹板及上梗肋内。顶板内钢束常布置成直线形，直接锚固在节段拼装面上，腹板内钢束一般为曲线形状，使钢束承担部分剪力。三是安装定位及挠度控制，节段的拼装常做成企口缝。腹板企口缝用于调整高程，顶板企口缝可控制节段的水平位置，使拼装迅速就位，并能提高结构的抗剪能力。

3 悬拼桥梁墩台和梁部支撑的稳定性和可靠性控制

悬臂施工的桥梁，墩台结构应先施工修建桥墩可用支架现浇，滑模或爬模现浇，也可用预应力混凝土搞预制拼装。当桥墩施工完后，即开始墩顶0号段梁的现浇，然后进行梁的悬臂现浇或悬臂拼装。在此施工过程中，桥墩必须能保证梁部以克服倾覆稳定，使梁段无论在对称平衡状态还是在遇到不对称悬臂或荷载时均能正常施工并保证其处于稳定和可靠状态。因此，当结构的几何特性允许的话，如为中等长度的，柔性高墩时，最合适的办法是将梁和墩间予以固定。其墩截面可以是实体也可以是空心的。但心形截面无论在施工期间和竣工运营后都将是比较有效和经济的。在某些情况下，实体截面可以用矩形、I型、H型截面替代，然而由于这种类型的截面的抗扭刚度低，有必要限制在施工期间，特别在风载下的平衡悬臂挠曲。

4 施工控制方法

结构计算分析是桥梁监控的理论依据,由工程实际建立理论模型,对结构各阶段的内力及挠度进行计算。理论模型中参数的选用准确与否直接关系它与实际构筑物的吻合程度,模型吻合得好,则由此计算的梁体的内力和挠度就比较准确。在桥梁的实际施工中,由理论模型计算的某一施工阶段内力、挠度(标高)等会与实际量测结果存在一定偏差,为确保施工质量,必须将偏差控制在容许范围内,当这些偏差超过一定范围时,就应对理论模型中的参数进行调整。目前高程线形监控的方法一般有两种:纠偏终点控制法,即在施工过程中,对产生主梁线形偏差的因素跟踪控制,随时纠偏,最终达到理想线形。这种方法常用Kalman滤波法。显然,这种方法效果虽然理想但工作量大;自适应控制法,即对施工过程的标高和内力的实测值与预测值进行比较,对结构的主要参数进行识别,找出产生偏差的原因,从而对参数进行修正,达到控制的目的。自适应控制方法易于广大工程技术人员理解和掌握,在多座桥梁的建设中成功应用。其关键技术有:

4.1 箱梁理论标高的计算

在实施监控之前,必须做好箱梁设计线形、目标线形和预拱度线形计算。设计线形由大桥设计单位提供,目标线形则是在设计线形的基础上,计入活载和长期徐变的作用。一般活载效应按设计规范,长期徐变作用则根据计算和国内已建成的同等跨径桥梁设置经验确定。预拱度线形的计算要在大桥施工图中施工阶段的基础上进一步细化,把箱梁一个节段施工过程划分为三个阶段进行,即挂篮移动、浇筑混凝土和张拉预应力筋前后。在标高的控制中,只要理论模型与实际吻合,就可以根据上式得到立模标高,在节段施工时,准确放样立模标高,即可以达到控制目的。当实测变形和理论计算变形不相符时,则应调整计算参数,修正理论模型,消除理论与实际的偏差,从而掌握实际变形的规律,通过调整立模标高对桥梁标高进行控制。

4.2 箱梁挠度测试方法

总共进行3次测量:①挂篮移动后;②张拉预应力筋前;③张拉预应力筋后。这种方法也叫三阶段观测方法。三阶段观测方法的阶段①、②的测量数据差反映箱梁节段自重产生的挠度效应;阶段②、③的测量数据之差反映箱梁节段张拉预应力产生的挠度效应;本阶段③、下阶段①的测量数据之差反映挂篮移动产生的挠度效应。最后一个阶段张拉预应力后要测现浇段和已浇段上的测点,其目的是检查每施工一个箱梁节段后实测线形与理论线形是否吻合。结合云台山大桥等桥梁的施工监控,认为采用三阶段的观测方法是比较合理和优化的,它既抓住了施工控制的关键阶段,体现了施工控制的本质含义,又满足了施工控制的全面要求,而且还极大地简化了劳动强度,值得在施工中推广。