大跨连续刚构桥悬臂施工控制研究

2015-12-04彭立强

河南城建学院学报 2015年1期

彭立强，刘超，王冲

(长安大学公路学院，陕西西安710064)

高墩大跨径桥梁通常采用悬臂施工法施工，分阶段悬臂施工在施工过程中可以减少大型施工支架以及各种临时设备的使用，在施工过程中由于没有大型支架，因此不会对施工桥下的正常通航产生影响，施工工期不受河流水位情况的影响。在节段施工的过程中，每段现浇段在温度、时间以及本身徐变、收缩下的变形又会对其他现浇段的线型和标高产生影响。另外，在悬臂浇筑的过程中还存在结构受力体系的转变，导致支点反力以及结构内力的变化。因此，在施工过程中需要对整个施工过程进行完整的施工监控从而保证桥梁线型与设计的吻合，确保施工质量合格。

1 工程概述

黑城河特大桥为(57.5+95+57.5)m的连续钢构桥，并且主桥的截面采用的是变截面的单箱单室结构，其中每箱的宽度为6.7 m，主桥的桥面全宽为12 m。主桥的桥面选取4%的横坡，主墩墩身为钢筋砼实心双薄壁墩，每片墩宽6.7 m，墩厚度 1.4 m，墩高为 34.58 m。立面布置如图 1所示。

图1 黑城河特大桥立面图

2 施工控制

2.1 施工控制方法

由于桥梁结构的结构形式多变，施工工艺的不同以及对于桥梁施工监控的具体内容有较大的差异性，因此对于桥梁施工控制所采取的方法也不尽相同。在实际桥梁工程中经常采用的施工控制方法主要有事后调整控制法、自适应控制法、预测控制法以及最大宽度容度法等，也有将桥梁施工控制方法以控制论作为基础进行划分，分为反馈控制、自适应控制以及开环控制等。

本文以黑城河特大桥为背景，针对目前大跨径连续刚构桥悬臂施工的实际情况，以确保施工中及成桥后结构线型与理想施工状态线型尽可能一致，结构挠度、内力均在容许范围之内为目的，运用现代预测控制理论，对连续刚构桥的施工控制进行了较为系统的研究。预测控制法是一种对所有桥梁都适用的施工控制方法，这种方法是通过对桥梁施工过程可能存在的所有影响因素以及施工需要达到的目标进行全面的分析，对桥梁的每一个施工阶段完成前后可能出现的状态进行预测，并且按照预测结果进行桥梁施工。

2.2 施工控制流程

在进行桥梁施工监控的过程中，为了确定各个现浇块的立模标高，需要对前一现浇段的主梁挠度进行观测，得到主梁挠度的实际变化情况，从而根据实测的前一现浇段的挠度情况，确定下一现浇段的立模标高。在进行施工控制时，还需要根据实际测得的数据与理论计算数值进行对比，理论计算数值通过MIDAS/CIVIL实体建模进行计算，如果二者存在较大的误差，还需要对其进行误差估算，然后对理论计算数值进行修正，保证与实际工程的吻合。

施工控制的具体工作流程如图2所示。

图2 施工控制流程图

3 有限元分析模型的建立

本文根据桥梁的几何参数、结构参数和初始状态建立监控有限元计算模型。采用大型有限元软件MIDAS/CIVIL中的结构建模助手作全桥施工阶段的仿真分析模拟。在黑城河特大桥模型中，共划分了100个节点，全桥通用梁单元，共建立梁单元87个。其中主梁单元为67个，桥墩各划分为5个单元。其中将各个零号块皆划分为6个单元，每个悬臂段划分为一个单元，合拢段为一个单元。在施工过程中各个“T”构上部同时施工，合拢时采用先边跨后中跨的合拢顺序。

全桥MIDAS/CIVIL模型如图3所示。

图3 全桥MIDAS模型

4 大跨径连续钢构桥施工监控

4.1 预抛高监测

桥梁结构的预拱度是通过建立正确的计算模型，并且设置正确的性能指标之后，经过对参数进行调整，考虑施工过程中的各种荷载，通过分析得到结构在施工阶段中各个阶段的挠度情况，再与实际测得的挠度数值进行对比分析，在进行误差分析与修正之后得到最终的成桥状态下的挠度，用f恒表示。

图4 预抛高监控图

式(1)中分别考虑了大桥通车时的桥面标高与设计标高的吻合及通车1 000 d时桥面标高与设计标高相吻合两种情况。此处只给出部分节段的纯理论预抛高，其值没有包括施工期的误差分析调整。本文提取左幅37号墩的部分预抛高监控结果如表1所示。

表1 预抛高对比值

分析表明:左幅37号墩的1号块到7号块实际预抛高与理论预抛高线型吻合，其最大误差为7 mm，最小误差为0 mm，误差值小于10 mm，均控制在误差范围内，符合相关要求。其误差来源主要是:立模误差、挂篮变形预估误差、仪器误差、人为读数引起的误差。

对预抛高进行监控是全桥施工过程中的关键工作，通过实际测得的预拱度的数值变化与理论计算结果进行对比之后可以知道，各个施工阶段的预抛高误差都较小，平均误差＜10 mm，误差在允许范围之内，符合监控要求。

4.2 高程监测

本文高程的监控也取左幅37号墩部分，高程监控结果见表2，高程控制结果如图5。分析可知，实际成桥标高是在设计标高上、下波动的，两者偏差不大，满足要求。

4.3 应力监测

在黑城河特大桥的悬臂浇筑施工中，由于悬臂施工是其中的关键过程，为了保证桥梁结构的安全性，在整个施工过程中都需要对桥梁结构的应力变化进行监测。对于桥梁应力监测最主要的是对主梁中的应力变化进行监测。本实验在桥梁跨中位置布置六个应力测点，应力数据处理分析流程见图6，其测点位置如图7所示。

应力监测结果中应力负值表示受压，正值表示受拉。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第7.2.8条，按短暂状况施工阶段计算时，C50混凝土需满足:

压应力 σtcc≤0.7，f'ck=22.68 MPa;

拉应力 σtcc≤0.7，f'tk=1.855 MPa。

实测应力满足以上要求。实测选取左幅中跨1/2截面处，应力监测结果如表3所示。

图5 左幅37号墩各节段高程控制结果

表2 左幅37#墩各节段高程 m

图6 应力分析流程图

图7 应力测点的布置图

应力控制反映的是各施工阶段主梁最不利截面应力大小。由控制截面的应力分析可以看出:各截面理论计算应力值与实测值较为接近，说明预应力筋张拉有效;各截面应力实测值均小于其应力限值且有较大余地，说明整个施工过程中结构始终处于安全状态;在各截面上同一高度处测点应力值分布并不一致，而是存在差异，这正是箱梁剪力滞后效应的表现。黑城河特大桥应力监测结果表明:黑城河特大桥的施工安全、可靠，没有出现异常情况。