连续梁—刚构组合梁桥施工监测与仿真分析

2010-05-08姚敏红张俊光

铁道建筑 2010年6期

姚敏红，张俊光

(1.西安公路研究院桥梁所，西安 710054;2.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 710064)

连续梁—刚构组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的结合体，兼顾了两者的诸多优点，如桥面连续、减少了大吨位支座、施工方便、养护费用少、有利于高速行车等;又摒除了两者的不足，既增大联长又突破了矮墩的限制等。［1-2］

本文针对连续梁—刚构组合梁桥的特点，以西部开发省际公路通道银川至武汉线封侯沟特大桥为工程实例，探讨预应力混凝土连续梁—刚构组合梁桥的施工实测监控与仿真分析。通过把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于实际施工过程，为本桥的顺利建成提供了有力的技术支持，且对结构形似桥梁的施工控制有很好的参考价值。

1 施工控制的方法及理论

1.1 前进分析法

前进分析法的目的在于确定成桥结构的受力状态。这种计算的特点是:随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断改变，前期结构发生徐变和几何位置的改变。因而，前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础。将这种按施工阶段进行的结构分析，称为前进分析法。

前进分析按照桥梁结构实际施工加载顺序分析结构的变形和应力，它能较好地拟合桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态。不仅可以用来指导桥梁的设计和施工，而且为桥梁的施工控制提供了依据。

1.2 倒退分析法

倒退分析系统的基本思想是，假定t=t0时刻结构内力分布满足前进分析t0时刻的结果，线形满足设计轴线。在此初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工段对剩余结构的影响。在一个阶段内分析得到的结构位移、内力便是理想施工状态。按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程进行结构分析，通过分析可以得到桥梁结构在各个施工阶段的高程和理想受力状态。

1.3 自适应分析法

根据施工过程中识别出来的设计参数实际值不断地修正计算模型中的相应参数，使计算模型与实际模型磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律。该控制系统中必须具备一个有效的参数识别系统。这些参数主要为:结构几何形态参数、截面特征参数、节段自重、混凝土弹性模量、混凝土收缩徐变参数、温度、混凝土强度、施工临时荷载等。在箱梁的前几个节段施工中，结构刚度较大，变形较小。因此，在控制初期参数误差对箱梁高程的影响较小，这对于自适应控制方法的应用是非常有利的。经过几个梁段的施工后，计算参数已得到修正，为后续变形较大的节段的施工控制创造了良好的条件。

文献［1］表明，单独的正算法无论是理论上还是计算量上都明显优于倒算法。

2 工程实例

封侯沟大桥位于陕西省永寿县城东约2 km处，是西部开发省际公路通道银川至武汉线，陕西境陕甘界至永寿公路上的控制工程之一，桥梁全长570 m，主桥立面见图1。

图1 封侯沟大桥立面布置(单位:cm)

大桥上部结构为预应力混凝土变截面连续梁—刚构组合桥，跨径组成为(75+3×140+75)m。主桥上部采用直腹板的单箱单室结构，箱梁顶面宽度12.75 m，箱体宽度6.5 m，翼缘板悬臂长为3.125 m。跨中箱梁梁高3.0 m，箱梁根部梁高8.0 m，箱梁底曲线按二次抛物线变化。13#、16#桥墩采用薄壁空心桥墩，墩梁分离;14#、15#桥墩采用双薄壁空心桥墩，墩梁固结。主桥两幅连续刚构箱梁均采用挂篮悬臂浇筑法施工，合龙顺序为先边跨，再合龙中孔，最后合龙次中孔。

3 有限元模型

对封侯沟大桥进行分析计算时，将其按照空间实用理论简化为三维空间结构，采用大型桥梁专用程序Madis/Civil进行建模，各悬臂施工梁段用空间梁单元来模拟。将全桥离散为236个单元，其中桥面系190个单元，桥墩、基础46个单元。13#～16#墩为主桥桥墩，12#为过渡墩、17#为桥台。13#、16#墩顶设活动支座，12#、17#直接将活动支座约束加在主梁上，14#、15#桥墩墩梁固结。每个节段的悬浇过程分为:挂篮就位与立模、混凝土浇筑、张拉预应力筋与拆模、挂篮前移四个受力阶段。整个结构形成过程共分为56个施工阶段和1个运营阶段，整个施工过程中出现的荷载、边界条件、计算图式的改变在分析模型中得到准确的体现。

对于大跨度连续梁—刚构桥，施工时结构的弹性模量、自重、预应力、挂篮变形、混凝土收缩徐变、施工临时荷载、温度等对结构的内力和变形存在随机影响，桥梁的线形、应力测量也存在误差。一般情况下，采用规范设计参数计算的结构内力和位移均较实测值大，这对设计来讲是偏于安全的。但对于施工控制来说，这可能会导致不容忽视的误差，它将直接影响到桥梁的成桥线形及结构内力是否满足设计要求。因此，在对结构进行施工控制分析研究时，需要对结构设计参数的取值进行修正。本文采用前进分析和自适应分析相结合的方法对有限元模型进行修正。首先在前进分析中，对应于每个施工阶段修改相应的参数值，计算出该参数对状态变量的影响矩阵。再将各个施工状况下变量理论值与实际值进行对比分析，采用带权值的最小二乘法来识别各参数的误差值。以此为依据预测下一施工阶段相应状态变量参数的理论值。由以上两种分析方法可以得到各个施工状态下，以及成桥后状态变量的理论数据，包括主梁的高程、控制截面应力。除此之外，还有施工控制数据的理论值和立模高程值。

4 主桥施工监控

4.1 高程测点的布置

连续梁桥在悬臂浇筑时，首先将梁与墩临时固结，而对于连续刚构桥则不需要临时固结措施。在主梁0#块浇筑完之后，即在顶面上设置5个基准点(见图2)。主梁其它节段开始浇筑后，在主梁腹板外侧及中点布置高程观测点，主梁梁顶设3个高程观测点。

图2 0#块变形及高程测点布置(单位:cm)

4.2 立模高程的确定

对于悬臂施工的桥梁结构来说，施工控制的主要任务之一就是根据施工监测所得的结构参数真实值，进行施工阶段的仿真分析，确定出每个悬臂浇筑阶段的立模高程。并在施工过程中根据施工监测的成果，对误差进行分析、预测，对下一立模高程进行调整。以此来保证成桥后桥面线形、合龙段两悬臂端高程的相对偏差不大于规定值，以及结构内力状态符合设计要求。

立模高程H=设计高程H1-铺装层厚h1-截面高h2+挂蓝变形h3+活载预拱度h4/2+恒载预拱度h5。

4.3 应力测点的布置

施工监控中主要是监测箱梁的纵桥向正应力，因此应力计在箱梁上都是沿纵桥向布置在底、顶板内。梁段的应力监测通常需要在主梁控制断面处埋设应力测试元件，用以测定各施工阶段主梁混凝土的应力。将梁段应力监测的结果与施工控制中其他监测结果相结合，能全面地判断施工过程中的全桥内力状态，从而安全可靠地保障桥梁施工。

为了对施工过程中梁段的应力进行监测，在主梁的悬臂根部(1#块内)，L/4截面以及 L/2截面等梁部关键截面处埋设弦式应变计。将应变计顺桥向固定在主筋上，其中应变测点的横截面布置如图3所示。

图3 应变测点布置(单位:cm)

4.4 主梁线形监测

由于理论分析中混凝土弹性模量取值与实际值存在差异，以及测量误差、温度等影响，导致梁段悬浇施工4个受力阶段悬臂梁段产生变形的理论值和实测值存在一定差异。本文对这些差异进行了分析比较，其中挂篮前移使得梁段产生的变形很小。梁段浇筑前后、预应力钢束张拉前后产生的变形能反映出施工过程中主梁挠度的变化，这些数据是进行施工控制分析的重要因素之一。通过对现场测量数据与理论计算数据进行分析比较发现，梁段浇筑前后的变形实测值与理论值相差不大，除个别数据外，差值均在15 cm之内，达到了《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041—2000)［3］中允许的主梁控制误差精度(±20 mm)，线形控制得到了比较满意的结果。

4.5 应力监测

该桥应力监控采用阶段应力分析方法，其优点是可充分反应梁体在各个施工阶段所产生的应力变化情况，以便对每个阶段的数据变化进行分析和处理。由于数据较多和限于篇幅，现仅取最具有代表性的支点控制截面实测值与理论值进行对比分析，见表1。

由表1可知施工阶段截面上、下缘均为压应力，箱梁基本上处于全截面受压状态，箱梁的应力满足规范要求。从实测值与理论值的分析比较可知，悬臂根部截面实测值与仿真分析得到的理论值总体吻合良好。在施工过程中的实测应力大部分大于理论值，但两者相差不大，实测值与理论值的差值小于4 MPa。这是由于箱梁剪力滞效应的存在，导致箱梁顶、底板在靠近腹板处的正应力往往比初等梁理论计算值大。