多跨连续-刚构桥梁施工的高程及应力控制——以新疆克其克苏布台大桥为例

周永胜，赵 明

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2.中铁七局集团西安铁路工程公司，陕西西安 710032)

多跨连续-刚构桥梁施工的高程及应力控制
——以新疆克其克苏布台大桥为例

周永胜1，赵 明2

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000；2.中铁七局集团西安铁路工程公司，陕西西安 710032)

为实现桥梁施工精度的准确控制，保证桥梁施工质量符合设计要求，对某多跨连续-刚构桥梁的施工控制进行了计算分析。首先，通过理论计算桥梁的预拱度，并在施工过程中采取相应的高程及应力控制措施；其次，通过现场实测，对施工过程中的高程及应力进行实时监测，将监测值与控制值进行比较，以评价控制效果。实例检验结果表明：在高程控制方面，最终合龙高程误差不超过8 mm，满足了桥梁的线型要求；在应力控制方面，主梁和墩身应力均为压应力，且远小于规范限值，满足设计要求。因此，在桥梁施工过程中，通过理论计算与施工控制相结合的方法，能够实现桥梁高程及应力的有效控制，达到预期效果。桥梁施工控制措施的有效性在研究中得到了验证，可为类似桥梁施工提供参考。

桥涵工程；连续-刚构桥梁；高程；应力；施工控制

在桥梁施工过程中，受混凝土徐变、预应力损失等因素的影响，各施工阶段的标高或内力会出现一定的变化，影响桥梁的施工质量[1]。因此，桥梁施工控制具有必要性，是桥梁施工质量的重要保证。其目的是通过对施工过程中影响桥梁内力与变形的参数进行实时监测，并与理论值进行对比，以实时优化现场施工，保证桥梁施工的准确性。在桥梁施工控制中，许多学者进行了研究，并取得了很好的研究成果。如陈梦成等[2]和王艳军等[3]分析了连续桥梁中的施工控制过程，主要分析了挠度及应力的控制，并根据差异值提出了相应的优化对策，达到了指导施工的目的；赵煜等[4]对自锚式悬索桥在大节段吊装施工法条件下的线性控制提出了相应的控制算法，得出该算法的控制精度较好，保证了施工效果；郝俊芳等[5]对异形斜拉-钢拱桥梁进行了施工控制研究，通过对实例桥梁现行阶段的偏差识别，发现误差诱发因素，对其进行纠偏，且对后续阶段进行了相应的预测，使得成桥质量满足施工要求；张熙胤等[6]则是将最小二乘法用到桥梁的施工控制中，利用该方法对理论值和实测值进行拟合，对比变化规律，调整施工状态，使之符合施工设计要求，并达到了预期的效果；还有许多学者也在桥梁施工控制方面进行了研究[7-16]，为桥梁的施工控制积累了经验。上述研究虽取得了很大的成果，但缺少对新疆地区连续-刚构桥梁的高程及应力方面的研究。因此，本文对新疆地区某特大型多跨连续-刚构桥梁的高程及应力控制进行了分析，以期为类似桥梁的施工控制积累一定的实践经验。

1 工程概况

某桥梁为特大多跨桥(见图1)，位于新疆伊犁地区，主要用于跨越深沟，桥孔布置为简支梁+连续刚构+简支梁的组合形式。桥梁全长584.51 m，梁部结构为48 m+2×80 m+48 m连续刚构箱梁。此桥采用单箱单室、变高度、变截面预应力混凝土箱梁。箱梁底曲线线型按二次抛物线变化，梁顶道碴槽宽3.9 m，人行道每侧宽1.05 m，箱梁顶宽6.2 m，箱梁底宽4.0 m，端支点处箱梁底加宽至5.0 m。主墩支点处梁高5.8 m，跨中及边跨直线段梁高为3.0 m。箱梁中心位置顶板厚0.35 m。跨中底板厚为0.4 m，支点处底板厚0.7 m，跨中腹板厚0.4 m，支点处腹板厚0.7 m。箱内顶板处设0.75 m×0.25 m梗胁，底板处设0.3 m×0.3 m梗胁。全梁在边、中支点处设置1.2 m横隔板。根据梁体受力及钢束张拉锚固布置的要求，梁体内顶、底板相应位置设有锯齿块，箱梁腹板内每隔4.0 m设置Φ10 cm的通风孔，在边跨梁端头设置0.45 m悬臂，便于检修人员进入箱梁内。另外，梁体预应力体系采用纵、竖向预应力体系。

图1 大桥立面图Fig.1 Elevation of the bridge

2 基本原理

2.1桥梁的预拱度计算

桥梁施工过程中的挠度受多种因素的影响，如自重、混凝土徐变、预应力等，因此，精确计算桥梁施工过程中的挠度具有一定的困难。在桥梁的监控过程中，本文主要以悬臂梁为例简化计算桥梁的挠度。

由于该桥梁的截面尺寸是变化的，其变形的计算采用共轭梁法。任意截面xj处的挠度fj表达式为

(1)

式中：Mi为弯矩值(由于不同界面的弯矩值具有差异，取始、末截面的弯矩进行平均取值)；Ii为截面惯矩(由于惯矩随截面变化而变化，也采取始、末截面的平均值进行求解)。

通过式(1)可以分别求解各段对应的挠度贡献值，但随着施工的进行，弯矩值会发生变化。为综合求解挠度值，需对施工阶段的影响进行考虑。

由于混凝土徐变特性的存在，随着加载时间的进行，将第1段在时间t时刻的挠度表示为

(2)

式中：E1为弹性模量；φ(t,τ)为徐变系数。

类似的，将其余段随施工时间变化的挠度值表示为

(3)

通过式(2)、式(3)可以求各段在不同施工阶段的挠度贡献值，将其累加即能得到总扰度值。总扰度值表示为

(4)

2.2桥梁的应力监测原理

桥梁的应力监测是施工监测的主要内容之一，是构建安全预警系统的重要组成部分。同时，桥梁结构上某点应力随着施工的推进会有一定的变化，测试的目的是为防止其应力水平超限，威胁施工安全。

考虑应力监测的现场复杂情况，以及连续时间较长且量测过程始终要以零点为起点，因此，采用钢弦式传感器作为应力监测仪器。该仪器具有稳定性好，操作简单易行等优点。

将该仪器监测所得应力关系表示为

(5)

式中：f为钢弦自振频率；σ为钢弦内应力；L为钢弦长度；ρ为钢弦材料密度。

监测所采用的仪器指标控制如下：

不重复度≤0.5% F·S；

工作温度为-20～50 ℃；

分辨率≤0.2% F·S；

非直线度<2% F·S；

综合误差<2.5% F·S；

零点飘移3～4 Hz/10 ℃。

在应力监测过程中，需要将仪器安置在敏感性较强的位置，如受力主筋附近等，且安装位置还应便于后期观测。根据仪器的应力监测结果，再进一步考虑混凝土的徐变、收缩等问题，即可得到混凝土的应力值。

3 分析计算

3.1桥梁的高程控制

高程控制是桥梁建设中的关键步骤，直接关系到后期桥梁的合龙，为保证成桥线形的预定目标，在主梁的施工过程中需设置预拱度。首先对预拱度的理论值进行计算，从理论的角度对桥梁设计进行控制，并在施工过程中以现场监测为基础，对桥梁的高程进行实时监测，动态掌握桥梁的高程变化；同时，与理论值进行对比分析，综合多种环境因素，经多方面考虑设置预拱度。

该桥梁的理论挠度值由理论公式求解得到，限于文章篇幅，本文不对理论计算过程进行详述。

以8号—10号墩为例，对该区段的位移节点进行划分，如图2所示。

图2 位移节点划分位置图Fig.2 Division of displacement nodes

为充分分析桥梁各节点挠度特点，对其二期恒载上桥及上桥2年后的挠度值均进行了计算，得到各节点理论挠度值如图3所示。不同时期的计算挠度值随位置的变化趋势相当，其变化趋势与桥梁的结构相关，表现为“驼峰”曲线，但在对应节点，不同时期的挠度值具有一定的差异，即在相同位移节点处的不同时期挠度值具有一定的差异，特别是在跨中部分，其变形差值最大可达17 mm，整体表现为二期恒载上桥后的挠度大于二期恒载上桥2年后的挠度值。

图3 不同阶段预拱度理论值Fig.3 Theoretical value of camber at different stages

由于此桥桥面较宽，施工荷载较大，梁体截面很容易发生扭曲现象，进而影响标高控制，为防止桥截面扭曲，采取的措施如下：1)在立模过程中，对每块模都进行反复的调试，以保证立模精度符合设计要求；2)考虑到不合理浇筑会影响桥梁后期的平稳性，增加不合理的应力分布，因此应采取先中间后两边的平稳浇筑方式；3)由于桥梁施工过程中所需的施工机械及施工材料等均较多，为避免临时荷载对桥梁变形的影响，应尽量采用对称堆放，避免不对称堆放带来的应力分布不均。

同时，为达到充分的高程控制的目的，在此桥施工过程中，根据桥梁在每一施工阶段的实际受力预先算出悬臂挠度值，以便在施工过程中控制挂篮底模的高程，即在施工过程中，对桥梁的挠度进行动态控制。在实时挠度计算过程中，应考虑如下几点引起的挠度值：1)由于受混凝土质量的影响，难以通过理论计算准确地确定挂篮时的挠度值，现场一般以计算值为基础，根据现场实测结果及时校核挠度值，因此不可忽略混凝土自重引起的挠度；2)挂篮是一个阶段性过程，需要一定的时间，进而施工时间对挠度值也具有一定的影响，应予以足够的重视；3)在施工后移去挂篮和施工设备引起的挠度；4)混凝土收缩、徐变引起的挠度；5)二期恒载引起的挠度；6)桥墩压缩和基础沉降等引起的挠度；7)由于混凝土具有热胀冷缩的现象，使得在不同时刻的变形测量也受温差的影响，如9号墩4#块浇筑完成后，早晨与下午的测量差值达0.5 cm。

针对温差对高程的影响采取了如下措施：时间尽量控制在早上5：00～7：00；调模时间尽量放在早上等。

结合实际的施工过程，对节点预拱度的设置如图4所示。

图4 实际预拱度调整值Fig.4 Actual camber adjustment value

通过对预拱度的理论计算，再结合实际施工过程对预拱度的调整，综合设立了合理的预拱度，得到最终的合龙误差最大为8 mm，误差精度满足了桥梁的线型要求，保证了桥梁的顺利合龙，达到了设计的目的及应用要求。

但在桥梁合龙过程中，仍出现了不同程度的高程误差，其原因可能如下。

1)结构计算参数与实际情况的差异。桥梁是钢筋混凝土结构，相对较均质，但也并非绝对均质，使得高程控制中的理论计算参数并不能完全与实际参数相符，两者之间存在一定的差异。

2)施工误差。桥梁施工过程并非是一个绝对理想化的过程，也包含了一些不可避免的误差因素，如受振捣的影响，桥梁的模板会在一定程度上出现负变形，造成浇筑体较设计的偏大。

3)测量误差。在现场测量过程中，受环境条件变化、仪器精度误差等因素的综合影响，导致测量数据含有一定的随机信息，不能保证现场实测线型与设计线型完全相符。

4)计算模型与实际存在差异。目前的理论计算模型多是建立在一定的假设基础之上，不能完全反映实际的情况，存在一定的模型误差。

总之，造成桥梁最终高程误差的原因是多方面的，需要综合考虑，采取全面有效的措施才能达到误差的有效控制。

3.2桥梁的应力控制

实例桥梁为连续-刚构桥梁，其施工工期较长。为准确掌握桥梁的应力变化规律，对桥梁的应力监测就显得十分必要。同时，为保证监测结果的可信度，监测仪器必须具有较高的监测精度及稳定性。综合考虑，决定采用绝对应力法(即测试其结构的永久积累应力)。该方法具有简洁、快速、准确的优点。

在实际的应力监测过程中，主要是对主跨段的主梁进行监测，共布设12个监测断面，其中主测断面有8个(即1-1面—8-8面)，验证断面4个(即9-9—12-12面)，各断面的布置位置如图5所示。

图5 应力监测断面图Fig.5 Stress monitoring section

限于篇幅，本文未对所有断面的监测结果进行分析，仅以8-8断面和9-9断面进行分析。其中，8-8为主测断面，共布置9个监测点，上部6个，下部3个；9-9断面为验证断面，共布置3个监测点，上部2个，下部1个。两断面分别位于9号墩两侧。两断面的监测点布置如图6所示，各监测点的基本参数如表1所示。

图6 监测点断面布置图Fig.6 Layout of monitoring points

断面上(Φ=16mm)点号长度(m)×数量×断面数下(Φ=16mm)点号长度(m)×数量×断面数A,F0.5×2×3H8.8×1×38-8B,E1.3×2×3G,I7.0×2×3C,D3.4×2×39-9B1.3×1×2G7.0×1×2C3.4×1×1

桥梁施工是一个持续过程，为充分研究不同施工过程对桥梁应力变化的影响，结合8-8断面与9-9断面所处的位置，对7号块浇筑完成到边跨合龙的8个过程进行统计分析，两断面在不同过程的应力值如表2、表3所示。

在8-8断面中，随施工过程的进行，监测断面上部应力逐步增加，而下部应力先增加后减小；同时，9号块在施工过程中的应力最大，且在施工前期，理论应力值均不同程度的大于实测应力值，而在后期则是实测应力值一定程度的大于理论应力值。

在9-9断面中，总体也表现出与主测断面相似的变化性质。总之，理论计算不能完全代表实际情况，两者之间还是存在一定的差异，故现场应力实测非常必要。

同时，为验证监测结果的准确性，对两断面共同的B，C和G节点的测量值进行对比作图，即图7—图9。对比可知，两断面对应的测点在不同施工阶段的应力变化趋势大致相同。其中，两断面在监测点B处的应力变化趋势是随施工阶段的进行，应力值的绝对值均呈持续增加的趋势，只是在中跨合龙时9-9断面的应力值相对更大；测点C处的应力也同样随施工阶段的进行呈持续增加的特征，两断面的应力值差异不大；随施工阶段的进行，测点G处应力值表现为先增加后减小，且在施工后期，两断面的差值逐步变大，最大差值为0.48 MPa。

综合对比两断面在各对应点的应力值，得出两者具有一定的差异，但差异不明显，证明桥梁应力测值较为准确可靠。根据实测结果统计，得出主梁与墩身的应力值均较小，均小于规范限值22.4 MPa，且均为压应力，说明该桥梁在施工过程中的应力控制符合规范标准，达到了设计要求。

表2 8-8断面各阶段理论及实测应力

表3 9-9断面各阶段理论及实测应力

图7 测点B的应力对比Fig.7 Stress comparison of the measured point B

图8 测点C的应力对比Fig.8 Stress comparison of the measured point C

图9 测点G的应力对比Fig.9 Stress comparison of the measured point G

4 结 论

1)桥梁施工是一个复杂且持续的过程，对其高程控制能有效保证桥梁的顺利合龙。在桥梁的高程控制过程中，理论值与实测值间的差异较小，均在规范误差允许范围内，达到了设计要求，证明通过预拱度的计算控制立模标高具有合理性和有效性。

2)通过对比各断面应力的实测值和理论值，得出两者之间具有一定的误差，但均在合理范围内，说明该桥梁的应力计算过程与实际相符，结果准确可靠。同时，对8-8和9-9断面的应力监测结果的相互校验表明，各对应节点的应力值均较为接近，差异较小，也证明了该桥梁现场应力测值具有较高的准确性。

3)通过对该桥梁高程及应力控制的分析，得出其控制效果均较好，证明本文的理论计算过程及实测方案均具有较大的合理性。

4)本文研究仅限于对已监测得到的数据进行分析，缺少对后期变化的预测研究，未来尚需在这方面进行深入的探讨。

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Elevation and stress control of multi span continuous rigid frame bridge construction: Taking Xinjiang Keqike Subu bridge as example

ZHOU Yongsheng1， ZHAO Ming2

(1.Shaanxi Railway Institute, Weinan, Shaanxi 714000, China；2.Xi’an Railway Engineering Company of China Railway Seventh Group, Xi’an, Shaanxi 710032, China)

In order to realize the accurate control of bridge construction accuracy and ensure the quality of bridge construction complying with the design requirements, the construction control of a multi span continuous rigid frame bridge is calculated and analyzed. First of all, the bridge camber is calculated through theoretical calculation, and corresponding control measures for elevation and stress in construction process is adopted; secondly, through field test, real-time monitoring of the elevation and stress is conducted in the construction process, and the monitoring value and control value are compared, so as to evaluate the control effect. The results show that, in the elevation control, final closure height error is less than 8 mm, which meets the linetype requirements of the bridge; in stress control, the main girder stress and the pier stress are all compressive stress, which are far less than the specification limits and meet the design requirements. So in the process of bridge construction, by combining the theoretical calculation and the construction control, effective control of stress and the elevation of the bridge can be achieved, namely the desired effect can be achieved. The effectiveness of the suggested bridge construction control measures is verified which provides a reference for the construction of similar bridges.

bridge and culvert engineering; continuous rigid frame bridge; elevation; stress; construction control

1008-1534(2017)05-0374-07

2017-03-05;

2017-05-27；责任编辑：冯 民

周永胜(1977—)，男，甘肃天水人，讲师，硕士，主要从事铁道工程方面的教学和研究。

E-mail:18437224@qq.com

U441+.5

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05011

周永胜，赵 明.多跨连续-刚构桥梁施工的高程及应力控制——以新疆克其克苏布台大桥为例[J].河北工业科技,2017,34(5):374-380. ZHOU Yongsheng，ZHAO Ming.Elevation and stress control of multi span continuous rigid frame bridge construction: Taking Xinjiang Keqike Subu bridge as example[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):374-380.