多跨连续梁桥跨结构的施工监控技术
2012-06-21陈梦成顾章川
陈梦成 顾章川
(华东交通大学土木建筑学院,330013,南昌∥第一作者,教授)
多跨连续梁的施工过程中,由于桥梁结构的自重、施工工法以及材料的弹性模量、混凝土收缩徐变系数、温度等因素的随机影响,成桥的梁部线形和空间位置不断发生变化。此外,某些偏差(如主梁的竖向挠度误差)具有累积的特性,若对偏差不加以及时有效地调整,随着梁悬臂长度的增加,主梁的标高会显著偏离设计值。因此,为了使成桥后桥梁的线形符合设计的目标线形,保证施工质量和桥梁精确合拢,必须对其施工过程中的变形进行控制。
现以沪宁城际铁路五牧河大桥为例,桥孔布置为(48+80+48)m连续梁桥,全长173.2 m(含两侧梁端至边支座中心各0.6 m)。该大桥为变截面,桥梁跨五牧河,采用挂篮施工,对施工质量控制要求很严格,施工中轴线偏差的误差容许值为10 mm,主梁标高的容许误差值为±20 mm。大桥在施工阶段的安全以及成桥后的线型,是关系到沪宁城际铁路完成后是否能正常运营的关键。因此对大桥进行施工阶段的监控与监测是有必要的。
1 施工监控方案
施工监控的目的是要对成桥目标进行有效控制,修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响,确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。因此,连续梁桥施工控制的原则为以主梁线形控制为主,应力控制为辅。这是因为在悬臂施工阶段梁段是静定结构,合拢过程如不施加额外的压重,成桥后内力状态一般不会偏离设计值很远。确保线形满足设计要求是第一位的。施工中以标高控制为主,确保顺利合拢;主梁截面内力的监控放到次要位置,主要是通过对控制截面内力(应力)监测,保证施工过程中内力(应力)偏差在允许范围内,保证施工过程的安全。
1.1 线型监测
桥梁的实时线形测量是施工监控、监测的重要工作之一。线型监测包含对主梁高程和主梁轴线偏位两部分内容。
高程监测是指用精密水准仪对主梁各块件控制点的标高进行测量。如果线型监测控制点设置适当(沿梁端横向三点布置),还可以测出主梁块件的扭曲程度。另外,应使用经纬仪对主梁轴线进行测量。主梁的线型监测以线型通测和局部块件标高测量相结合,在主梁块件浇筑、及支架移动后等施工阶段进行。
特别是在浇筑梁段前后和预应力张拉前后,对梁段块件标高的测量能反映出实际施工时主梁的挠度变化。这些数据是进行施工控制分析的最重要因素之一。
1.2 力学监测
力学监测主要是指主梁及桥墩混凝土应力。力学监测需要在主梁的控制断面处,埋设应力测试元件,以测定各施工阶段主梁的混凝土应力。可采用混凝土应变计或钢筋计等元件来测定主梁的应力状况。把应力监测的结果与施工监控、监测中其它监测结果相结合,能更全面地判断全桥的内力状态,形成一个较好的预警机制,从而更安全可靠地保障桥梁施工。
2 施工监控方案的实施
2.1 主桥挠度变形监测
2.1.1 立模标高的设定
主梁在悬臂浇筑过程中,梁段立模标高的合理确定,是关系到主梁的线型是否平顺,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,则最终桥面线型较好。否则,最终桥面线型会与设计线型有较大的偏差。
立模标高并不等于设计中桥梁建成后的标高,总要设置一定的预拱度,以抵消施工中产生的各种变形(挠度)。其计算公式如下:
式中:
H立模标高——施工j梁段时i梁段的立模标高(梁段最前端某确定位置);
H设计标高——i梁段设计标高;
f预拱度——模拟施工过程的恒载(包括结构自重、预加力、混凝土收缩徐变影响、二期恒载及施工临时荷载等)引起的挠度与0.5静活载引起的挠度反向;
f挂篮变形——施工i梁段挂篮的变形值(修正值是为了保证桥梁的实际标高在设计标高的上下波动,避免出现始终低于或者高于设计标高的值,常常在1号块的时候取0.002,然后随着块数的增加而增加,在跨中合拢时达到最大值)。
2.1.2 测点布置
挠度测量数据是控制成桥线形最主要的依据。在预应力混凝土连续梁桥箱梁悬臂施工中,通过在每个悬浇梁段上布置3个对称的高程观测点,可以同时观测箱梁的竖向挠度及扭转变形情况。观测点为预留露出混凝土(约5cm)的钢筋头,顶板钢筋头布置在中心和翼缘边缘(见图1)。在0#块箱梁顶板处设置临时水准点,测试节段如图2所示。
图1 测点布置
图2 (48+80+48)m连续梁高程测点纵向布置图
2.1.3 测试方法
为了减小温度的影响,挠度的观测安排在清晨进行。测量工况包括立模、浇筑混凝土后、张拉预应力筋前后、移挂篮后。通过这些挠度观测资料对施工进行有效控制。对每一工况,用精密水准仪测定测点标高;立模时,测定底模板最前端高程,并在必要时作出调整(达到立模标高允许误差范围)。
2.2 控制界面混凝土应变观测
在施工箱梁的过程中在0号块、5号块(四分之一截面)以及主跨跨中(合龙段)埋应变计,温度是影响主梁挠度的主要因素之一。埋设截面与混凝土应变计埋设截面相同,如图3。
图3 混凝土应变和温度测点布置示意图
2.3 应力的计算
(1)混凝土弹性模量的计算公式如下:
式中:
Ec——某阶段混凝土弹性模量;
fcu——混凝土立方体抗压试验强度。
(2)温度修正应变计算公式如下:
式中:
ε——测量的应变值;
T——测量温度,℃;
T0——初读数时温度,℃;
F——一般情况下钢筋混凝土的线膨胀系数;
F0——钢弦的线膨胀系数。
(3)应力的计算公式如下:
式中:
ε修——温度修正应变;
ε初——浇混凝土前的初始应变;
Ec——混凝土的弹性模量。
下面以94号墩C截面为例,每个阶段的应力计算结果见表1。
表1 (48+80+48)m连续梁桥94#墩C截面各测点混凝土应力对比表 MPa
从该桥控制截面应力测试结果看,在支架浇注施工阶段,箱梁截面上下缘应力基本上处于全截面受压状态,各工况下理论设计值和实测值变化趋势基本吻合,都在设计规范允许范围之内,施工误差较小。施工各阶段应力增量的数据和变化规律基本相符,实测值在控制范围内。施工中顶板和底板应力的演变过程均比较正常,没有出现产生危险状态的应力异常现象。
3 实测挠度分析
3.1 实测挠度分析
分析沪宁城际铁路工程连续梁桥施工阶段的实测挠度资料,可以发现其挠度变化具有很强的规律性,这些规律可以概括为以下几点:
(1)挠度变化规律。浇筑混凝土之后,悬臂梁呈下挠变形;张拉预应力后,悬臂梁呈上挠变形;挂篮前移后,悬臂梁呈下挠变形。上述各工况中挠度变形均随着悬臂长度的增加而增大。
(2)对称性。各种工况下,所监测的连续梁桥桥墩两侧的悬臂端的挠度变化基本对称。
(3)无横向扭转现象。各工况下,同一梁段上的3个挠度监测点实测挠度变化几乎相等,说明在各工况下,箱梁没有出现横向扭转现象。
(4)实测挠度与设计计算挠度比较。所监测连续梁桥各节段在混凝土浇筑、预应力张拉及挂篮移动三阶段挠度值观测值与理论值吻合较好,除个别点因顶板混凝土面不平造成差值较大外,其余点差值均介于10~15mm之间。
3.2 实测应变分析
(1)从混凝土浇筑到混凝土初凝这个过程中,由于温度、收缩徐变等因素的影响,混凝土内测点的应变均无规律;
(2)在施工过程中,由于剪力滞效应的影响,腹板与顶底板相交处测点的应变变化较大,顶板中心线处测点应变次之,翼缘处测点应变变化最小;
(3)浇注混凝土使已有梁段顶面受拉,底面受压,边跨合拢前张拉预应力使已有梁段顶面受压,底面受拉,浇注和张拉预应力筋共同作用下箱梁全截面受压。
总之,梁底线形平顺,标高合理,符合设计要求;主梁结构受力状况良好,符合设计规范要求,主梁结构安全可靠。
4 结语
(1)桥梁施工中的主梁应力观测是一项长期、烦琐的现场监测工作,现场监测数据的准确性对整座桥的线形和应力的控制至关重要。
(2)在挂篮变形的观测过程中,通过模板观测由于浇注混凝土产生的挂篮变形,而通过钢筋头来观测由于张拉产生的高程变化,达到了较为精确的测量结果。
(3)计算应力时,必须考虑温度的影响,温度修正应变的计算必不可少。
(4)施工监控理论分析表明,沪宁城际铁路工程连续梁桥体预应力张拉完毕后,混凝土的收缩徐变将会引起主跨标高向下回落,向设计标高靠拢。因此,建议在沪宁城际铁路工程连续梁桥的营运阶段,加强对大桥的长期监测,密切关注连续混凝土梁桥的各项参数变化,定期检测,确保沪宁城际铁路工程连续梁桥在设计使用年限内,始终处于良好的工作状态。
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