连续刚构桥施工监控分析

于明聪 田 俊 叶兰洲

1 工程概况

仕望河大桥主桥上部为53 m+90m+53 m三跨预应力混凝土变截面连续刚构,由单箱单室箱形截面组成。桥面宽度:0.5 m(防护栏)+11.25 m(行车道)+0.5 m(防护栏)。主桥下部结构:桥墩为薄壁式空心墩,桥墩高度为 78 m;嵌岩桩基础,深20m;柱式桥台。施工方式采用悬臂施工法。

2 施工监控目的、内容及目标

2.1 施工监控的目的及意义

连续刚构桥是一种多次超静定结构体系,在施工过程中会出现各种复杂因素引起结构的几何形状及内力状况的改变。即使设计时考虑了施工中可能出现的各种情况,但是由于施工过程中发生的偶然性难以把握,预先很难精确地估计出结构的实际状态[1]。所以通过在施工过程中对桥梁结构进行全方位实时监测,可以根据监测结果对施工过程中的控制参数给予相应的调整,使其结构的线形符合设计要求,确保桥梁在施工和运营阶段达到安全性、实用性和耐久性的要求。

2.2 施工监控主要内容

1)连续刚构桥施工监控的主要内容是对结构的挠度、应力和温度实施全程监控,修正理论设计参数,确保该桥达到预期的设计目标,采取科学的措施对箱梁挠度实施监控、预测分析、实时调整,以使大桥实际线形尽可能地与设计线形吻合;内力控制主要是在箱梁的关键部位埋设钢筋及应力传感器以监测大桥实际受力及其内部的温度变化状况,确保大桥在施工及运营期间的结构安全。2)连续刚构桥施工监控主要对施工过程的标高、内力实测值与预测值进行比较,对桥梁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,使成桥后线形满足设计要求,提出预防措施,建立安全预警体系[2]。连续刚构桥施工过程的影响参数较多,如:结构刚度、梁段的重量、施工荷载、混凝土的收缩徐变、温度和预应力等。求施工控制参数的理论设计值时,都假定这些参数值为理想值。为了消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性,我们在施工过程中对这些参数进行识别和预测。对于重大的设计参数误差,提请设计方进行理论设计值的修改,对于常规的参数误差,通过优化进行调整,使本梁段与未来梁段的立模标高满足要求,使成桥状态最大限度地接近理想设计成桥状态,并且保证施工过程中受力安全。

2.3 施工监控目标

桥梁设计线形是设计者在理想状态下,桥梁结构完成混凝土收缩、徐变后的设计线形[3]。竣工状态时,结构的收缩与徐变尚未全部完成,施工控制须根据施工具体实际情况计算分析结构的内力和变形,确定竣工状态的线形内力指标。

3 仕望河大桥实例分析

仕望河大桥结构采用Midas通用软件建立空间有限元近似分析计算模型图,见图1。

3.1 位移监测

在每个悬浇箱梁块的端部设3个测量观测点;在梁段的施工过程中,观测挂篮移动前和移动后、混凝土浇筑前和浇筑后以及预应力束张拉前和张拉后6个工况下主梁悬臂节段前端3个测点的标高;通过横向测点的比较,可观测到该节段箱梁有无出现横向扭转;通过几个工况测点的比较,分析挂篮的弹性变形、箱梁节段的下沉量以及预应力张拉的状况;分析数据并与理论计算值进行比较,并进行修正。本文以1号墩0号～10号块箱梁测点理论预拱度值、实测预拱度值及修正预拱度值进行比较(见图2)。

3.2 应力监测

应力传感器的埋设部位根据计算确定,在桥梁的最不利部位进行埋设。根据圣维南原理,主梁应力测试断面通过Midas计算,选择应力变化最大、受力最不利的截面进行埋设,并在每个应力传感器埋设点增设温度传感器(见图3),测试在不同温度下各工况的应力变化。将应力的变化值与理论计算值进行比较,如有异样,找出原因,必要时对施工提出预警。

3.3 数据分析

实测应力是先由光纤应变传感器测量出被测截面各测点的实测应变的大小,再由实验室测出的混凝土弹性模量按照弹性理论推算出来的。但是混凝土的实测应变中,既包括了应力应变,也包括了收缩、徐变等非应力应变。所以实测值与理论值有一定的偏差,施工过程中,影响结构受力的主要参数有材料特性、结构刚度、荷载、温度变化、混凝土收缩徐变、预应力有效值等。温度变化、材料特性对结构刚度和结构受力影响很大,施工过程中应测试箱梁的温度场和有关材料参数,对预应力实际效果、主梁弯曲刚度、混凝土弹性模量、收缩徐变参数、自重及临时荷载、温度等参数的有效模拟,并体现在监控计算中。以1号墩0号～10号块应力为例,实测应力值与理论应力值进行比较见图4。

3.4 误差分析

参数识别桥梁结构的实际状态与理想状态存在一定误差(设计参数误差、施工误差、测量误差等),因此,本桥施工控制先采用卡尔曼滤波法对施工误差的特性进行分析,然后再运用最小二乘法对设计参数进行识别和修正[4],从而确定未浇筑梁段的立模高程,使成桥后的状态最大限度地接近理想状态,并保证施工过程中的受力安全。

4 结语

从整个施工过程及主桥全部施工完成后对受控变量(标高和线形)的实测结果可以看出,青兰高速仕望河大桥主梁应力及主梁线形控制的精度非常高。虽然由于梁上临时施工荷载的存在及其大小和作用位置的随机性,以及各梁段混凝土重量的施工误差、混凝土收缩徐变和温度等因素的影响,使这些受控变量的量值在某一施工阶段可能与理论值不完全一致,但总的来说这种不一致是小的和个别的,最终的控制效果是令人十分满意的。

[1]余天庆,李德寅,熊健民,等.工程材料与桥梁结构的力学性能测试[M].北京:国防工业出版社,1997.

[2]李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4]顾安邦,张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]姚辉光.大跨度连续刚构桥悬臂施工监控方法[J].山西建筑,2008,34(11):327-328.