石武客运专线跨京珠公路特大桥预应力混凝土连续梁桥施工监控技术

2011-09-03闫林栋

铁道标准设计 2011年9期

闫林栋

(京广铁路客运专线河南有限责任公司，郑州 450003)

施工监控是施工技术的重要组成部分，并始终贯穿于桥梁施工中。桥梁施工监测与控制即是对施工中的重要环节过程进行监测与控制，以保证施工过程中结构处于安全状态［1-2］。根据结构的实际状态，对利用各种测试及监测手段获取的数据进行跟踪修正计算，给出后续各施工阶段的高程及内力反馈数据，用以指导和控制施工，保证桥梁线形和内力符合设计要求［3-6］。

悬臂施工方法在我国预应力连续梁桥中应用广泛，在施工期间不影响桥下通航或行车，而且充分利用了预应力混凝土承受负弯矩能力强的特点，提高了梁桥跨越能力［7-10］。但是悬臂施工属于典型的自架设施工方法，连续箱梁桥在施工过程中的已成结构是无法事后调整的。而且施工过程中存在着温度效应、测量误差等不利因素。这些因素都可能引起施工误差，而这些误差将不同程度地对成桥目标的实现产生干扰。并可能导致桥梁合龙困难、成桥线形及内力与设计要求不符等问题。因此，为确保桥梁施工安全，成桥线形与内力状态必须符合要求，施工中应实施有效的施工监控。

1 工程概况

石武客运专线大寺台跨京珠高速公路连续梁桥位于京广客运专线河南段境内，设计时速350 km，跨径分布为(80.6+128+80.6)m，如图1所示。采用混凝土箱形截面，中支点截面梁高为9.6 m，跨中及边跨直线段梁高为5.6 m;梁部混凝土为C50;采用三向预应力体系。本桥采用菱形挂篮悬臂浇筑法施工，全桥分2个T构对称悬浇，每个T构包括0～20号共21个梁段，2个边跨各有16.45 m的现浇段，边、中跨合龙段均为2 m。

图1 连续梁立面布置(单位:mm)

2 仿真计算

大跨径预应力连续梁桥的施工采用分阶段悬臂施工方法，结构的最终形成必将经历一系列的施工过程，对施工过程中每个阶段进行详细的变形计算和受力分析，是桥梁施工控制最重要的内容之一。为了达到施工控制的目的，必须首先通过仿真计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段受力和变形的理想状态，以此为依据来监测施工过程中每个阶段的结构行为。

石武客运专线跨京珠高速公路连续梁桥的仿真计算是利用桥梁博士3.0软件进行的。计算中考虑了二期恒载、活载效应、混凝土收缩徐变、施工临时荷载、结构体系转换和温度变化等。全桥上部结构共划分成116个单元，主桥仿真计算模型如图2所示。

图2 全桥计算模型

3 线形控制

3.1 立模高程与预拱度

在箱梁悬臂浇筑过程中，节段立模高程的确定，是关系到线形是否平顺、是否符合设计要求的一个重要问题。如果合理确定立模高程时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确控制，则最终成桥线形良好;如果考虑因素和实际不符合，则最终桥面线形将会和设计有较大偏差。

箱梁悬臂浇筑段的各节段立模高程可参考下式［11］计算

式中 Hlmi——节点i(待浇筑段箱梁底板前端点)立模高程;

Hsji——节点 i的设计高程;

∑fdi——节点i在施工过程中由恒载引起的该点向下的累计挠度值，包括箱梁结构自重、预应力及收缩徐变引起的挠度;

fli——节点i由静活载引起的向下的挠度值;

fgl——挂篮弹性变形值，由挂篮预压及高程实测确定。

在建立了正确的模型和性能指标后，将有关参数及桥梁施工工况、施工荷载、二期恒载、活载等，输入施工控制计算分析程序进行理论计算，可以分别求出∑fdi和fli，再通过挂篮预压和对每一施工阶段的高程实测来确定挂篮弹性变形值fgl，经过计算得到石武客运专线大寺台跨京珠高速公路(80.6+128+80.6)m连续梁桥各施工阶段的预拱度，如图3所示。该图仅显示全桥的一半(左T构)，横坐标表示桥梁纵向位置，其中80.6 m的位置代表左侧主墩支点。

图3 预拱度设置(左T构)

3.2 控制流程

以上计算公式中可以看出立模高程计算的关键是确定∑fdi和fgl，但是实际施工状态与理论施工状态是有差别的，也就是说按照理论的预拱度和挂篮变形值施工，最终的成桥状态达不到理论成桥状态。为了保持桥梁的线形达到预期目标，必须通过严格的施工监控流程(图4)对线形进行控制。

在上述流程中，高程测量是关键。测量过程中个别测量的数据会因为种种偶然因素引起误差，因此必须对测量的数据进行筛选，并取其均值作为实际观测值，得到混凝土浇筑前后、预应力张拉后梁底高程的实测值;误差分析除了需要考虑测量误差外，还需考虑到实际混凝土的容重和弹性模量值与理论值的不同，以及混凝土的收缩徐变等影响因素。然后及时修正模型中的有关参数，并通过计算预告出下一阶段的立模高程。

图4 施工监控流程

3.3 测点布置及测量要求

测量环节中，为了减小测点高程的误差，每个施工节段断面上布置6个测点，梁底和梁面分别布置3个测点，测点布置如图5所示。

图5 测点布置

测点高程在每个施工段的混凝土浇筑前、混凝土浇筑后和预应力束张拉后分别测量。为尽可能地减少温度对挠度的影响，测量尽量安排在每个测试工况结束后的第2 d早晨日出之前进行。由于梁体混凝土温度较气温有滞后效应，日照不会立即使主梁产生挠曲。且早晨阳光不强，因此观测时间可以适当推迟或延长，但必须在日出0.5 h内完成测量。

控制点标志用螺纹钢制作。钢筋露出顶面混凝土2～3 cm，底端应与模板接触。测点离节段前端15 cm。梁面上3个测点既是控制箱梁中线平面位置的测点，又是箱梁高程控制点和挠度变形观测点。埋设的钢筋测点必须与箱梁顶板中上、下层钢筋焊接牢固，其底端要抵紧顶板的底模板上。在混凝土施工过程中严禁踩踏、碰撞。在箱梁整个悬浇施工过程期间，应对所有基准点和测点加以保护，不得损坏和覆盖。

3.4 线形监控成果分析

线形监控的最终目标是要求成桥线形与设计线形吻合，但要达到此目标，必须对施工过程中的一些环节进行控制，包括立模高程、梁段混凝土浇筑后顶面高程、断面尺寸、成桥线形等。通过对石武客专跨京珠高速公路连续梁桥的线形监控，得到立模高程设计值与测量值差值均控制在 ±3 mm以内;梁顶混凝土面的加高平台高程的误差值在-4～+9 mm，小于允许的±10 mm;断面高度误差值在-5～+9 mm，满足-5～+15 mm的规定;全桥合龙后梁顶高程偏差范围为-3～+8 mm，小于允许偏差值±20 mm;相邻节段的高差范围为-4～+7 mm，小于允许偏差值±10 mm。均满足《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》(铁建设［2005］160 号)的控制要求［12］。限于篇幅，本文仅列出全桥成桥线形偏差，见表1。

表1 全桥梁体成桥线形偏差 mm

4 应力监测

4.1 监测传感器及测试原理

本次应力监测采用的是振弦式应变计和配套的读数仪作为应力观测仪器。此仪器采用的是通过测量应变间接测量应力的方法。应力是根据测量所得的应变和实际测量出的混凝土弹性模量计算而得。在浇筑混凝土前，将振弦式应变计预埋在监控截面内，记录下测点的布置位置，待每个节段预应力张拉后，进行一次数据采集。

4.2 测点布置

对于特大跨径的高速铁路连续梁桥，石武客运专线跨京珠高速公路连续梁桥的应力监控布置了8个测试断面，如图6所示，4个0号断面，即746号墩的0号块上的B、C两个截面(离支座中心4.5 m)和747号墩的0号块上的F、G两个截面(离支座中心7 m);4个1/4跨断面，即A、D、E、H的4个截面。每个断面的测点布置如图7所示。每个0号断面布置6个测点，每个1/4跨断面布置4个测点，共计40个应力测点。

图6 应力监控截面示意(单位:mm)

图7 应力测试点布置(单位:cm)

4.3 应力数据分析

由于仪器只能通过应变来求得应力，而不是直接将应力测出，故而实际测量出的应力与实际混凝土应力是不相符合的。通过仪器测量出的应变包含2种:一是由应力产生的应变;另一种是非受力应变，包括混凝土的收缩徐变和温度带来的应变。其中温度对于应变的影响在结构属于静定时为非受力应变，而转换体系成为超静定结构后，温度产生的应变则会带来应力。

通过理论分析和误差分析等手段，对测量结果做出了适当修正。图8和图9分别是746号墩小里程0号和10号上缘在不同工况下实际值与理论值的比较，由图可知实测应力值与理论计算值基本吻合。