高墩大跨度铁路桥梁悬臂浇筑施工监控

2013-11-09宁宇吴吉

山西建筑 2013年34期

宁宇吴吉

(1.成都市实验外国语学校，四川成都 610031;2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

近年来，大跨径连续刚构桥梁凭借其外形优美、结构尺寸小、受力明确、桥下净空大等优点，在桥梁建设中得到广泛的应用。尤其是我国西南、西北山区跨越深沟峡谷或大江大河的公路和铁路上往往采用高墩大跨度桥梁跨越。目前已修建了多座高墩大跨度的铁路桥梁。大跨度预应力混凝土连续刚构桥是桥梁设计者提倡和推荐的桥型之一，但其在施工中或成桥后运营阶段也可能会出现一些问题，如虎门大桥在施工过程中将主梁拉裂，黄石长江大桥在运营阶段出现主梁下挠过大等问题，为了确保桥梁能够安全施工和运营，大跨度连续刚构梁桥的施工监控就显得尤为重要［1，2］。事实上，任何桥梁施工特别是大跨径桥梁的施工，都是一个系统工程。为实现设计目标而必须经历的施工过程中，将受到许许多多确定和不确定因素(误差)的影响，包括材料的性能、施工荷载、预应力损失、混凝土收缩徐变、温度等的影响，造成桥梁结构实际状态与理想状态之间存在差异，因此如何从各种失真的结构参数中找出相对真实值，对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测，使施工系统处于控制之中，这对设计目标安全、顺利实现是至关重要的［3，4］。因此在桥梁施工过程中有必要对桥梁的实际反应(高程、线形、应力等)实施严格的全过程施工控制，以保证桥梁建造质量，确保施工过程的安全，以及成桥结构内力和线形等符合规范及设计要求［5］。新建铁路贵阳至开阳南江双线特大桥是一座三跨预应力混凝土连续刚构梁桥，大桥主跨采用挂篮悬浇逐段施工，其施工过程将经历复杂的施工顺序。施工过程中不可避免的各种误差必将干扰成桥目标的实现，导致桥梁合龙困难，使成桥线形和内力状态偏离设计要求。因此，为确保施工安全，成桥线形和内力状态符合最终目标期望值，在施工过程中必须进行有效的施工控制。

1 工程背景及有限元分析计算

该桥位于新建铁路贵阳到开阳线上，是主跨为92 m+176 m+92 m的三跨变截面连续刚构桥。该桥墩号为8号～11号，其中9号墩高81 m，10号墩高83 m，中心里程为DK43+830，本桥为直线桥，纵坡为－3%，按无缝线路设计，桥上为有砟轨道，采用60 kg重型钢轨。梁体为单箱单室直腹板截面，中支点处梁高为12.8 m，边支点及跨中处梁高为6.6 m，边支座中心线至梁端0.95 m。立面布置图如图1所示。主梁采用C55混凝土，三向预应力体系，纵向、横向预应力采用低松弛高强度的钢绞线，竖向预应力采用精轧螺纹钢筋。南江双线特大桥跨南江大峡谷，地震动峰值加速度小于0.05g，采用挂篮悬臂浇筑法施工。

图1 南江特大桥立面布置图（单位：mm）

有限元模型分析。结合该桥施工监控的需要，建立该桥有限元模型，采用通用有限元软件计算分析施工过程。混凝土的收缩、徐变、温度变化等因素的影响，将使桥梁结构的变形、应力状态及其变化规律十分复杂。各施工节段离散为梁单元，2个主墩分别与梁固结，两边跨端视为活动铰支座。其中总节点数为171个，最大钢束号为130，梁单元个数为164个，施工阶段总数为110。主桥合龙前后结构体系将发生转变，即由对称的单“Ⅰ”静定结构转变为对称的超静定结构。

2 施工监控方案及数据分析

在各施工阶段中，根据状态变量(控制点位移、控制截面应力)的实测值与相应理论值的差值对影响参数进行误差识别;根据已施工梁段的影响参数识别结果，对未施工节段的相应参数进行误差预测;计算影响参数的误差对成桥标高的影响，求出各节段标高的调整值。

2.1 应变观测

由于该桥结构复杂，施工过程中不定因素较多，考虑到应变数据测试的长期稳定性，监控组采用振弦式应变计，并使用手持式采集仪读数。主要测试南江特大桥箱梁控制截面的应力。主梁测点布置在悬臂根部和各悬浇节段端截面等关键截面上，测试仪器采用精度较高的、能满足施工监控要求的混凝土应变计、钢筋应变计。其他截面测点布置如图2所示，每个截面布置4个应变计，2个钢筋应变计，共6个测点。总计9个截面，合计54个测点。按照施工监控流程，及时观测了各节段工况下的应变值，并对实测值和理论值进行了比较分析，从目前所采集到的应变数据分析来看，各控制截面有一定的应力储备(理论值与实测值的差别影响因素与多种因素有关:温度、材料特性、张拉工艺、临时荷载堆放位置等)。各节段在不同施工节段的理论计算应力与实测换算得到的应力对比图如图3～图6所示。由图3～图6可知，各控制截面实测应力与理论计算应力比较吻合;全截面受压，远小于施工状态压应力限值，表明施工过程中结构是安全的，满足设计要求。

图2 南江特大桥应变测点纵向布置图

图3 立模后各节段底板应力值对比

图4 立模后各节段顶板应力值对比

图5 浇筑后各节段顶板应力值对比

图6 浇筑后各节段底板应力值对比

2.2 挠度观测

在主梁的悬臂浇筑过程中，梁段立模标高的合理确定，是关系到主梁的线形是否平顺、是否符合设计的一个重要问题。如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终桥面线形较为良好;如果考虑的因素和实际情况不符合，控制不力，则最终桥面线形会与设计线形有较大的偏差。

众所周知，立模标高并不等于设计中桥梁建成后的标高，总要设一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形(挠度)。其计算公式如下:

其中，Hlmi为i节段立模标高(节段上某确定位置);Hsji为i节段设计标高为由各梁段自重在i节段产生的挠度总和;为由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和;f3i为混凝土收缩、徐变在i节段引起的挠度;f4i为施工临时荷载在i节段引起的挠度;f5i为使用荷载在i节段引起的挠度;fgl为挂篮变形值［6，7］。

连续梁桥挂篮悬臂浇筑每一个箱梁节段分三个阶段，在挂篮前移后、浇筑混凝土后和张拉预应力后，均需对已施工箱梁上的监测点进行观测，该观测程序，称为三阶段挠度观测法，截面高程测点布置如图7所示。图8为立模控制测点示意图。按照施工进展情况，根据对该桥的理论分析结果和现场挂篮预压及各节段混凝土浇筑后挂篮变形结果，计算立模标高，同时对混凝土浇筑后和预应力张拉后以及模板的挠度变形进行了观测，并将施工实际状态及结果与理论值进行了对比分析。

图7 南江特大桥高程测点截面布置图

图8 立模控制测点示意图

限于篇幅原因，本文只给出9号墩大里程、小里程的8个节段以及10号墩两个节段在各个施工阶段的实测挠度与理论计算挠度的比较分析，如图9～图11所示。图中“9-2小”表示9号墩2号块小里程;“10-1小”表示10号墩1号块小里程。从图9～图11看出，各梁段高程偏差都控制在15 mm范围内，最大误差为8 mm，说明线形得到了很好的控制。