剛構(gòu)-連續(xù)組合體系一座大跨度高墩彎梁橋的施工監(jiān)控

1、剛構(gòu)-連續(xù)組合體系一座大跨度高墩彎梁橋的施工監(jiān)控吳雄飛1 向?qū)W建2（1.廣東清連公路發(fā)展有限公司 清遠(yuǎn) 511515 2.交通部公路科學(xué)研究院 北京 100088)摘要： 結(jié)合一座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合體系橋梁,基于有限元分析方法和現(xiàn)代監(jiān)測(cè)手段，對(duì)主墩和箱梁的線形與應(yīng)力等進(jìn)行了施工監(jiān)控，確保大橋在施工過程中的安全性和成橋后的線形及應(yīng)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞： 剛構(gòu)-連續(xù)組合體系；施工監(jiān)控；線形；應(yīng)力0 概述 近年來，隨著我國交通和城市建設(shè)的發(fā)展，彎梁橋在高速公路和城市立交橋的應(yīng)用愈來愈多，跨徑愈來愈大，墩子越來越高，曲率半徑愈來愈小，橋型也愈來愈輕巧、經(jīng)濟(jì)。代表性的大跨度高墩彎橋如

2、表1所示。表1 代表性的大跨度高墩彎橋序號(hào)橋名跨徑/m平曲線半徑/m備注1奴格沙大橋210+150R=2002祥臨高速K194+460大橋55+100+55R=258.53云南阿墨江大橋70+2×130+70磨黑側(cè)R=260 元江側(cè)R=302.579最大墩高103m4元墨高速K306185大橋7714077部分R=260，反向曲線5福建馬宅頂大橋30+2×50+30部分R=350超高7%6大保高速K442+665大橋77+140+77部分R=3887板其二號(hào)彎梁橋44+72+44部分R=450最大墩高53m8九砂希大橋52.5+2×93+52.5部分R=4869陜

3、西長(zhǎng)武亭口黑河大橋60+6×100+60R=582.963矩形空心薄壁單墩57m10劉家溝大橋64+115+64R=60011貴州上瑞線沙銀溝大橋68+120+68R=620墩高80m12廣東清連高速路杜步3號(hào)橋60+4×100+60部分R=635最大墩高81m13灣溝大橋64+115+64部分R=70014北二高碧潭橋主跨160部分R=75015石崆山大橋65+115+155+3×115+65部分R=76216紹興斗門江大橋50+80+50R=80017福建船齡崠大橋85+155+85R=830最大墩高58.4m18廈門海滄大橋西航道輔橋78+140+78R=9

4、00及緩和曲線19廣東清連高速路杜步2號(hào)橋60+7×100+60部分R=1100最大墩高92m20貴州朱昌河大橋106200106部分R=1100最大墩高151m21陶家溝特大橋70+120+120+70部分R=120022太平溝大橋7×50部分R=1381頂推施工23山西陽城2#橋75+135+75部分R=320024廣東清連高速路杜步1號(hào)橋75+6×125+75部分R=3750最大墩高110m25廣東虎門輔航道橋150+270+150R=7000在建時(shí)跨徑居同類橋梁世界第一 剛構(gòu)-連續(xù)組合體系大跨度連續(xù)彎梁橋?qū)俪o定結(jié)構(gòu)，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，它的成橋線形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和

5、施工過程密切相關(guān)，不同的施工方法和施工工序會(huì)導(dǎo)致不同的成橋線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)參數(shù)(如:曲率半徑、混凝土彈性模量、混凝土的收縮、徐變、預(yù)應(yīng)力損失、施工荷載、溫度)往往是根據(jù)規(guī)范或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的，這樣一些參數(shù)的取值難以和實(shí)際情況完全吻合。對(duì)中、小跨度的橋梁，這些偏差上的影響還不大，但對(duì)大跨度連續(xù)彎梁橋(多采用懸臂施工)，由于這些偏差的影響，在施工過程中隨著懸臂長(zhǎng)度的增大主梁的線形有可能會(huì)明顯偏離設(shè)計(jì)值從而造成合龍困難，在合龍后，由于對(duì)混凝土收縮、徐變等因素計(jì)算的不準(zhǔn)確，也會(huì)導(dǎo)致主梁線形偏離設(shè)計(jì)值，同時(shí)還可能導(dǎo)致次內(nèi)力而改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)。當(dāng)上述因素與設(shè)計(jì)不符，在施工中又不能及時(shí)識(shí)別

6、時(shí)，必然導(dǎo)致目標(biāo)的偏離，造成扭曲線形或強(qiáng)行合龍的后果，因此為確保此類橋梁安全施工和實(shí)際線形與目標(biāo)線形吻合良好,進(jìn)行施工監(jiān)控很有必要。施工監(jiān)控目的有兩個(gè)： 采取科學(xué)有效的措施對(duì)箱梁撓度實(shí)施監(jiān)控，預(yù)測(cè)分析、實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到大橋?qū)嶋H線形盡可能地吻合設(shè)計(jì)線形； 通過在箱梁、主墩關(guān)鍵部位埋設(shè)應(yīng)力傳感器進(jìn)行大橋應(yīng)力監(jiān)控，確保大橋的安全施工。1工程概況廣東清連高速路杜步3號(hào)橋(圖4，圖5)是B5標(biāo)合同段上一座大型預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連梁組合橋，跨徑組成為60+4×100+60（m），全長(zhǎng)87446m，上部采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，下部采用空心薄壁橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，懸臂澆筑施工。平面位于R=

7、1100m、Ls=134654m及Ls=140m、R=635m的反向S型緩和曲線及圓曲線內(nèi)，橋梁跨徑按橋梁中心線布置，橋墩、臺(tái)按徑向布設(shè)，引橋采用調(diào)整預(yù)制梁長(zhǎng)的方法適應(yīng)線形變化。該橋集彎橋、坡橋、高墩、大跨徑于一身，是典型的山區(qū)剛構(gòu)-連續(xù)組合體系橋，因此無論從橋梁設(shè)計(jì)、施工還是監(jiān)控都比一般剛構(gòu)橋要難。2 施工監(jiān)控方法及主要內(nèi)容杜步3號(hào)橋施工監(jiān)控應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)控制方法，即對(duì)施工過程的標(biāo)高和內(nèi)力的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，找出產(chǎn)生偏差的原因，從而對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正，達(dá)到監(jiān)控的目的。這種方法的重點(diǎn)在于對(duì)影響結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別上，而一般只要及時(shí)對(duì)產(chǎn)生

8、偏差的主要參數(shù)進(jìn)行修正，施工中,嚴(yán)格按照確定的施工步驟進(jìn)行施工,同時(shí),嚴(yán)密監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的線形和應(yīng)力狀況,一旦出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)值或限值的情況,立即重新進(jìn)行施工步驟調(diào)整,最終使線形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。監(jiān)控的主要內(nèi)容： 線形監(jiān)控 線形包括主墩和箱梁，主墩線形主要指主墩的垂直度；箱梁線形，由于杜步3號(hào)橋是彎橋，上部結(jié)構(gòu)各梁段重心不在一條直線上，使主墩承受偏心壓縮、各梁段自重所形成的扭矩、彎橋的轉(zhuǎn)角較大的增加了預(yù)應(yīng)力的摩阻力使主墩和主梁發(fā)生橫向傾斜，為保證主墩、主梁建成后的空間位置滿足設(shè)計(jì)要求，施工中的主墩、主梁橫向和豎向都應(yīng)監(jiān)控，所以平面和高程線形同樣重要。線形監(jiān)控的目的是通過數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)分析和實(shí)時(shí)

9、調(diào)整，以達(dá)到大橋?qū)嶋H線形盡可能地吻合設(shè)計(jì)； 應(yīng)力監(jiān)控 應(yīng)力同樣包括墩身和箱梁，應(yīng)力監(jiān)控的目的是保證大橋各部分應(yīng)力狀況符合設(shè)計(jì)要求，從而保證大橋安全施工，并為今后運(yùn)營階段的長(zhǎng)期監(jiān)控做準(zhǔn)備； 溫度監(jiān)控監(jiān)測(cè) 溫度監(jiān)控包括兩部分內(nèi)容：箱梁溫度撓度關(guān)系曲線的實(shí)際觀測(cè)和箱梁溫度場(chǎng)觀測(cè)。前者為確定立模標(biāo)高提供溫度修正依據(jù)；后者為合龍?zhí)峁┛煽繙囟龋?三個(gè)試驗(yàn)監(jiān)控： 混凝土材性試驗(yàn)， 管道摩阻系數(shù)試驗(yàn)， 掛籃靜力荷載試驗(yàn)。3 施工監(jiān)控的實(shí)施3.1 主墩線形監(jiān)控杜步3號(hào)橋有5個(gè)橋墩，其中1號(hào)墩高34.0m，2號(hào)墩高73.0m，3號(hào)墩高78.0m，4號(hào)墩高81.0m，5號(hào)墩高52.0m。每個(gè)墩面設(shè)置兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。主墩

10、清遠(yuǎn)側(cè)正墩面用A表示,按順時(shí)針方向其它各墩面分別用B、C、D表示。A1、A2表示一個(gè)墩面上的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn), A1-1、A2-1表示一個(gè)墩面上的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次類推。首次測(cè)量高度為15m，之后每隔5m觀測(cè)一次。主墩線形監(jiān)控方法是使用國產(chǎn)蘇州一光制造的DZJ2激光垂準(zhǔn)儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主墩的垂直度，并作好原始記錄，備查。從垂直度監(jiān)測(cè)結(jié)果來看： 高墩墩身線形垂直度最大偏差19mm，不大于20mm； 隨著施工墩身高度的增加，施工工藝的完善和施工水平的提高，墩身線形趨向好轉(zhuǎn)。3.2 箱梁線形監(jiān)控3.2.1理論線形計(jì)算設(shè)計(jì)線形由大橋設(shè)計(jì)單位提供，目標(biāo)線形（圖1）則是在設(shè)計(jì)線形的基礎(chǔ)上，計(jì)入活載和長(zhǎng)期徐變的作用。一般活

11、載效應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)范，長(zhǎng)期徐變作用則根據(jù)計(jì)算和國內(nèi)已建成的同等跨徑橋梁設(shè)置經(jīng)驗(yàn)確定。本橋長(zhǎng)期徐變效應(yīng)和活載部分預(yù)留預(yù)拱度總和最后確定為中跨跨中10cm，邊跨2cm。預(yù)拱度線形的計(jì)算要在大橋施工圖中施工階段基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，利用有限元模擬分析，單元的劃分依據(jù)圖紙，共劃分了144個(gè)橋面單元，36個(gè)主墩單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為181個(gè)。預(yù)應(yīng)力束全橋共計(jì)151個(gè)類型。把箱梁一個(gè)節(jié)段施工過程劃分為三個(gè)階段進(jìn)行，即掛籃移動(dòng)、澆注混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力。杜步3號(hào)橋上部結(jié)構(gòu)共有12個(gè)節(jié)段箱梁，其預(yù)拱度曲線計(jì)算分50個(gè)階段進(jìn)行。圖1 杜步3號(hào)橋線形監(jiān)控軟件3.2.2 箱梁線形監(jiān)控方法箱梁線形監(jiān)控包括平面和高程線形監(jiān)控。平面線形

12、監(jiān)控主要是監(jiān)控每施工一個(gè)箱梁節(jié)段，橋軸線實(shí)際平面坐標(biāo)是否與設(shè)計(jì)平面坐標(biāo)吻合。高程監(jiān)控是重點(diǎn)，高程監(jiān)控的最終目的是使箱梁實(shí)際施工線形盡可能地吻合目標(biāo)線形。高程測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在各主墩墩頂0號(hào)塊，懸臂箱梁上的測(cè)點(diǎn)布置在頂板（圖2）。測(cè)點(diǎn)縱向位置：距現(xiàn)澆段前端10cm，橫向位置：截面由箱中間向兩邊3.5m。測(cè)點(diǎn)樁由20鋼筋制作。測(cè)量時(shí)采用精密水準(zhǔn)儀（DS1）和因瓦鋼精密水準(zhǔn)尺。圖2 箱梁高程測(cè)點(diǎn)布置示意箱梁懸臂施工的撓度觀測(cè)分為三個(gè)階段（如圖3 ）：掛籃移動(dòng)后；張拉預(yù)應(yīng)力前；張拉預(yù)應(yīng)力后。階段、的測(cè)量數(shù)據(jù)之差反映箱梁節(jié)段自重產(chǎn)生的撓度效應(yīng)；階段、的測(cè)量數(shù)據(jù)之差反映箱梁節(jié)段張拉預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的撓度效應(yīng)；階段

13、、的測(cè)量數(shù)據(jù)之差反映掛籃移動(dòng)產(chǎn)生的撓度效應(yīng)。通過三個(gè)階段單項(xiàng)實(shí)測(cè)值與理論數(shù)值的比較可以看到問題出現(xiàn)在哪里，哪個(gè)階段吻合，哪個(gè)階段偏差大一些。若有問題根據(jù)問題的大小，查找原因。圖3 箱梁懸臂澆筑三階段測(cè)量的位置和內(nèi)容 溫度對(duì)線形監(jiān)控的影響溫度對(duì)箱梁撓度的影響不可忽視，這已成為共識(shí)。有資料表明，在長(zhǎng)懸臂施工階段，由于溫度變化產(chǎn)生的懸臂撓度往往超過40mm，40mm的影響量對(duì)撓度觀測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大干擾，因此施工監(jiān)控中必須重視溫度對(duì)箱梁撓度的影響。表2 杜步3號(hào)橋箱梁溫度撓度隨氣溫變化觀測(cè)結(jié)果測(cè)試時(shí)間溫度測(cè)量標(biāo)高測(cè)量墩左箱梁/墩右箱梁/大氣溫度/墩左標(biāo)高/m28293031GDGDGDGD6:0021

14、.821.921.7281.735281.749281.789281.763281.842281.816281.896281.8708:0023.123.225.1281.732281.747281.785281.761281.839281.813281.894281.86510:0024.925.128.2281.729281.745281.781281.759281.836281.810281.892281.86012:0027.627.830.8281.726281.743281.777281.757281.832281.807281.89281.85814:0031.531.735.3

15、281.723281.741281.775281.753281.828281.804281.888281.85616:0034.134.337.0281.720281.739281.773281.749281.827281.803281.884281.85418:0034.534.735.7281.721281.737281.773281.750281.829281.803281.882281.853最大撓度/mm1512161415131417墩右標(biāo)高/m49505152GDGDGDGD6:0021.821.921.7282.921282.68282.979282.733283.038282

16、.785283.093282.8398:0023.123.225.1282.92282.676282.977282.729283.036282.783283.091282.83610:0024.925.128.2282.916282.672282.975282.727283.032282.78283.089282.83312:0027.627.830.8282.912282.668282.973282.725283.028282.777283.087282.8314:0031.531.735.3282.908282.664282.971282.723283.024282.774283.0852

17、82.82716:0034.134.337.0282.904282.661282.969282.721283.02282.771283.081282.82418:0034.534.735.7282.905282.662282.967282.72283.022282.772283.081282.825最大撓度/mm1719121318141215備注1.測(cè)量時(shí)間：2008年10月5日；2.本計(jì)算未考慮收縮徐變的影響。從表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：溫度變化，箱梁撓度不是馬上跟著變化，具有滯后的現(xiàn)象，即當(dāng)溫度升高了，箱梁不是立即跟著下?lián)?；左右兩?cè)在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的最大撓度有一定差別，這有可能與薄壁墩

18、由于溫差的變化產(chǎn)生的彎曲變形有關(guān)；從表4-10實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，溫度每升高1，懸臂的撓度約1mm；由于溫度的升高，箱梁有普遍下?lián)系囊?guī)律，因而對(duì)施工階段撓度觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。為此，施工控制觀測(cè)應(yīng)在氣溫基本相同的情況下進(jìn)行。根據(jù)上述溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)并應(yīng)用上述溫度撓度變形測(cè)量成果，對(duì)立模標(biāo)高的確定進(jìn)行修正，取得較好的效果。 合龍高差 2008年10月3號(hào)最后一個(gè)懸澆段的標(biāo)高提供完，18號(hào)開始合龍（圖4）。表3 合龍階段主要結(jié)果合龍段合龍時(shí)間合龍溫度/設(shè)計(jì)合龍高差/cm實(shí)際合龍高差/cm合龍精度/cm12008.10.18214.46.01.622088.10.31202.54.52.032008.10

19、.23212.53.10.642008.10.23212.11.01.152008.10.31203.11.12.062008.10.21214.75.60.9圖4 杜步3號(hào)橋箱梁合龍后英姿3.3 主橋應(yīng)力監(jiān)控應(yīng)力監(jiān)控的目的是保證大橋安全施工，通過對(duì)箱梁頂、底板以及主墩應(yīng)力的監(jiān)測(cè)來了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，那么箱梁和薄壁墩的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)本著“少而精”的原則布置在結(jié)構(gòu)最不利位置上。箱梁和薄壁墩應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖5。全橋共有15個(gè)斷面，其中上部10個(gè)斷面，下部5個(gè)斷面，斷面的應(yīng)力傳感器布置見圖6，總共100個(gè)測(cè)點(diǎn)。主墩的1-15-1測(cè)試斷面是墩底離承臺(tái)2.0m，箱梁頂板上的測(cè)點(diǎn)、箱梁底板上的測(cè)點(diǎn)均順橋向

20、水平布置，腹板上的測(cè)點(diǎn)縱向按45度方向布置；墩底、墩頂斷面測(cè)點(diǎn)均按豎向布置。圖5 應(yīng)力監(jiān)控?cái)嗝娌贾?m圖6應(yīng)力監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置/m應(yīng)力計(jì)隨混凝土澆注埋于結(jié)構(gòu)內(nèi)，對(duì)要使用的應(yīng)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，篩選出質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定的。對(duì)埋入的應(yīng)力傳感器應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：應(yīng)力計(jì)應(yīng)與主筋同一位置深度、同一走向，且盡量放置于主筋下方以防震搗時(shí)損壞；應(yīng)力計(jì)埋設(shè)時(shí)選擇好合適的初頻；應(yīng)力計(jì)在與主筋焊接時(shí)要注意灑水冷卻，防止高溫傳導(dǎo)損壞應(yīng)力計(jì)；溫度傳感器應(yīng)與應(yīng)力計(jì)置于同一位置深度，真實(shí)反映應(yīng)力計(jì)埋設(shè)位置的混凝土即時(shí)溫度；應(yīng)力計(jì)引出導(dǎo)線都應(yīng)編號(hào)并制作專門的硬套管與保護(hù)盒。通過施工階段的應(yīng)力監(jiān)控，可以得到如下結(jié)論：底板、腹板位置的主拉應(yīng)力、頂板實(shí)測(cè)數(shù)值與理論值相比，基本吻合，變化規(guī)律正確；后期偏大，規(guī)律性基本一致。這在其他它橋上也有類似情況，分析原因：空間分析與平面分析的差異；局部應(yīng)力影響，比如測(cè)點(diǎn)正好靠近某根預(yù)應(yīng)力束；扭矩的影響，彎橋外邊緣彎曲應(yīng)力大于內(nèi)邊緣，受力不均勻；薄壁墩的應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)值與理論數(shù)值