高墩大跨连续刚构桥施工控制分析

罗余良

摘要：在现今桥梁建设中，逐渐向着规模更大的方向发展。其中，连续刚构桥具有着行车舒适、温度适应性好、地震影响低、无需转换施工体系以及跨越能力大等特点，非常适合建设在大河以及高山峡谷环境中。在我国交通事业蓬勃发展的情况下，该类型桥梁也在我国的多个地区中成功建设，为当地的发展带来了十分积极的意义。为了能够更好的掌握该类型桥梁建设特点，在本文中，将就高墩大跨连续刚构桥施工控制进行一定的研究与分析。

Abstract： Today's bridge construction is gradually in the direction of the larger development. Among them， the continuous rigid frame bridge has the characteristics of comfortable driving， good temperature adaptability， low earthquake effect， simple construction system and great spanning capacity， it is very suitable for the construction in the river and mountain valley. In the case of the explosion of transport enterprise in China， this type of bridge is successfully constructed in many areas， it brought very positive significance for the local development. In order to be able to better grasp the construction characteristics of this type bridge， this paper researches and analyzes the construction control of the high piers of large-span continuous rigid frame bridge.

关键词：高墩大跨；连续刚构桥；施工控制

Key words： high piers of large-span bridge；continuous rigid frame bridge；construction control

中图分类号：U448.23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）05-0137-03

0 引言

高墩大跨连续刚构桥是将墩身与连续主梁固结而成的一种桥梁，它是在连续梁桥和T型刚构桥的基础上发展起来的大跨径桥梁最常用形式之一，具有跨越能力大、伸缩缝少、平顺度好、行车舒適、施工无体系转换、无需大型支座、顺桥向抗弯、横桥向抗扭刚度大等特点，能充分适应温度、混凝土收缩徐变、地震等运行环境。

高墩大跨连续刚构桥在施工中，受温度荷载影响，桥体的弯矩、预拱度、线形、应力变化等节点不易控制。由于每个工程的特点和施工要求不同，目前这类桥梁的施工控制工作尚且缺少一套统一的、可供参考的方法或技术标准。尤其是在施工控制中的关键节点——预拱度计算，是否应该考虑桩基础，目前也尚无定论。因此，大多数高墩大跨连续刚构桥施工控制都是盲目进行，既浪费工期，还可能增加施工成本。

本文针对这一现状，结合我国南部某高墩大跨连续钢构桥工程施工特点和施工要求，针对温度和在一定条件下梁体的弯矩、预拱度提出考虑桩基础与不考虑桩基础两套施工控制模型，通过对该桥梁预拱度以及内力的分析、比较，总结出一套准确客观的施工控制方案，以填补施工控制这一技术空白。

1 工程概况

我国南部某桥梁，为特大型桥梁。主桥分左右两幅，其上部构造如图1所示。

主梁材料方面，为C55混凝土，跨中梁高3.5m，箱梁根部梁高度为12m。整个桥梁墩身，其使用C50混凝土作为墩身材料，结构类型为双肢变截面矩形空心墩，纵向每墩双肢外侧按照100：1比例进行放坡。横向方面，其根据墩高以分段的方式进行放坡，从下到上分别为40：1、60：1以及100：1的坡率。基桩以及承台方面，使用的材料为C30混凝土，基桩为直径2.4m钻孔灌注桩，最大桩长65m，承台厚度为4m。持力层方面，为弱风化页岩。

2 施工控制原则和技术要求

2.1 控制原则 施工控制的目的是要对成桥目标进行有效控制，修正施工中各种可能影响成桥目标的参数误差，确保成桥后桥面线形、合龙段两悬臂端标高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。

2.2 受力要求 反映受力的因素是主梁的截面内应力。通常起控制作用的是主梁的上下缘正应力，成桥后截面应力状态应该接近设计值。

2.3 线形要求 线形主要是主梁的标高。成桥后（通常是长期变形稳定后）主梁的标高要满足设计要求。

综合以上控制原则和技术要求，为了优化设计施工参数，笔者建立起两套模型加以对比分析，从中确定最佳控制方案。

3 分析模型建立

在悬浇连续钢构桥施工中，其施工流程为：第一，对桥墩进行施工，进行悬臂浇筑；第二，进行中跨、边中跨以及边跨合龙；第三，对桥面进行施工。根据此流程，则可以逐阶段的对结构不同截面的应力、内力以及位移进行计算，在每个悬臂中，则包括有梁段浇筑、张拉预应力以及移挂篮这几个工序。而在实际对该桥梁不同施工阶段开展仿真计算过程中，则可以将其视为平面结构，按照平面杆有限元程序的方式将其作为两个不同的模型进行计算与分析。

3.1 基桩模拟 由于土与基桩间的相互作用，刚性支撑已经不是桥梁结构模型的边界条件，弹性支撑则成为了新的边界条件。在本文中，以二维梁单元、桩侧设置弹性支撑作为有限元模型，并在桩底进行固结。其中，桩侧水平弹簧刚度的计算公式为：

在上式中，λ为相邻弹簧间距离，khi为第i个弹簧的水平方向刚度，b1为桩基础计算宽度，j为第j个弹簧的对应位置，z为土层厚度，mj地基土比例系数。

在构造方面，地面对于桩的竖向支撑力由桩底阻力以及桩侧摩阻力组成，当桩土间存在相对位移时，则会沿着桩身产生荷载传递，并产生桩侧摩阻力。当两者间相对位置值相对不大时，桩侧摩阻力则能够得到充分的发挥达到极限值。而对于处于一般土层位置的摩擦桩，当土层支撑反力达到一定值之后，在位移方面则需要存在比极限桩侧摩阻力大的多的位移值，并使桩侧摩阻力在得到充分发挥之后使桩底反力得到充分的发挥，进而达到一个极限状态：

在上式中，[pτ]为桩侧在li范围内的摩阻力，li为相邻弹簧间距离，τi为极限摩阻力，U为桩侧周长。而根据地基情况以及桩基实际尺寸，我们在由上式对桩侧在li范围内摩阻力进行获得的基础上可以根据下式对桩侧竖向弹性lvi值進行求出：

在上式中，Δ为i点相对位移，kvi为桩侧i个弹簧在垂直方向上的刚度，在本文中相对位移值取为6mm。

3.2 结构离散图

在图2所示的模型1中，对箱梁、桥墩、桩基础以及桩基等离散单元进行了考虑，在边界条件方面，则为桩底固结以及弹性支撑，在两边端部具有活动铰支座。纵向预应力筋方面，则通过等效荷载法对其进行了模拟。在整个桥梁结构中，一共具有564个节点，包括上、下部结构，结构单元则共有571个，其中，桩侧弹簧支撑数量为128，上部主梁结构为230。

在图3所示的模型2中，没有对墩底固结、桥墩离散两单元、桩基以及箱梁等进行考虑，两边端部为活动铰支座。在纵向预应力筋方面，其按照等效荷载法进行了模拟，在整个桥梁中，其一共具有391个节点，上部主梁单元数量为230个。

在计算参数方面，每个挂篮重量为104t，每个压重水箱为350t，每个合拢吊架为50t。纵向预应力筋以及混凝土的质量密度、摩阻损失、弹性模量等参数都取规范值。

4 计算结果对比

4.1 预拱度计算 在进行预拱度计算时，需要做好恒载作用的考虑，包括施工架设荷载、混凝土收缩徐变、桥面二期恒载、结构自重以及预加力等。在该桥梁中，由于其规模较大，且主桥桥墩高度为178m，在这个高度情况下，如何能够以更为全面、准确的方式对桥梁墩身在具体施工中的竖向徐变位移进行分析则成为了对预拱度进行计算的非常关键的一类问题。通过上述目标的实现，不仅能够帮助我们更为准确的对桥梁结构实际施工的历程进行良好的拟合，且能够较好的获得桥梁在不同施工阶段所具有的受力以及位移状态，且能够更好地对同桥梁结构形成历程有关的因素进行考虑，如混凝土收缩徐变问题。同时，由于该桥梁墩身规模较大，所具有的施工工期较长，在施工过程中，桥梁墩身在自重的影响下就已经对先期徐变进行了完成。而在分析墩身竖向徐变位移时，则需要对桥梁后期加载产生的徐变情况进行考虑，即同时以后期加载以及先期加载的徐变理论进行计算与分析。在两种模型情况下，通过运算，得到桥梁施工预拱度的变化情况（如图4所示）。

图4为两种模型下预拱度的变化情况，从图中走势可以看出，两种模型预拱度在具体走势方面具有着相同的特点，仅仅在墩顶位置具有着较大的差别。而通过表1中数据的比较，我们可以了解到，两种模型预拱度在墩顶位置具有着较大的差值，其中，左7墩顶所具有的差值最大，其差值为0.36cm。而在跨中方面，其数值同预拱度间则几乎不存在差别。从上述比较情况的分析我们则可以了解到，在该桥梁建设中，桩基础对于整体桥梁的预拱度所具有的影响并不大，该种情况出现的原因，主要是由于桥梁墩高同桩长间的比值较小引起的。

4.2 温度荷载 温度荷载方面，该桥梁箱梁顶板温度提升15℃，顶板降温8℃，合龙温度15℃，体系降温25℃，结构体系升温25℃。其中，桥梁主要节点在温度荷载情况下所具有的弯矩情况如表2所示。

从表2数据中可以了解到，在温度载荷情况下，模型1墩顶以及跨中弯矩值具有降低趋势，箱梁根部弯矩具有增大情况，这部分情况的变化，对于桥梁的整体受力具有着较为积极的影响。而在桥梁整体升温、箱梁整体降温的情况下，桥梁箱梁138单元位置则具有着较大的弯矩变化。同时，由于在该模型建立中对桥梁桩基础的作用进行了考虑，则在增大桥梁墩身柔度的同时，有效减少了桥墩自身弯矩。

5 施工控制效果

在上文中，我们通过对某桥梁实例基础的模拟，分别建立起了不考虑桩基以及考虑桩基这两个控制模型，并通过对该桥梁预拱度以及内力的分析、比较获得了以下结论：第一，对于大跨连续刚构桥而言，温度荷载对其具有着较大的影响。通过两种不同模型在温度荷载情况下弯矩的比较数据可以了解到：桩基础在桥梁纵向柔性方面具有着较强的增加效果，通过对桥梁桩基础的模拟，能够有效降低温度荷载条件下桥梁墩身的弯矩；第二，在桥梁施工中，预拱度计算是非常重要的一项工作，将对实际施工起到非常积极的指导作用。而通过两种模型情况下桥梁预拱度数值的比较，则可以了解到桩基础对桥梁预拱度没有非常大的影响。

5.1 效果

5.1.1 预拱度控制效果 图5是采用模型2进行施工控制后所得到的桥梁线形（预拱度）控制效果。从图中可以看出，成桥后所得到的预拱度线形均已达到目标现行控制标准。

5.1.2 应力控制效果 本文对5号墩（最高墩110m）1～15号块主梁上部进行了监测，得到图6所示监测结果。从图中看出，两应力大小相差不大，说明本工程对应力的控制卓有成效。

5.2 建议 ①建议承建同类工程的施工单位成立施工控制小组，选派专职测量工程师实时跟踪监测施工控制效果，每完成一个阶段的施工内容，应及时整理出预拱度、应力变化等数据，以便根据监测数据及时纠正误差。②应该深入研究施工控制理论，提高监测精度和自动化程度，建立起一套更完善的综合控制系统。这是今后桥梁施工控制需要进一步研究的工作。③研发桥梁工程智能监控系统。高墩大跨连续刚构桥梁构造复杂，工程规模浩大，单凭人力很难对整个桥体的施工进行全面而有效的控制，应该借助智能监测系统辅助监测，不断提高施工控制质量和精度。④通过效果分析，本文关于高墩大跨连续刚构桥梁施工控制方法切实可行，建议在其他桥梁工程中进一步推广应用，以期使之日臻完善。

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