大跨度连续梁桥悬臂施工线形与应力测控研究

2018-03-26

四川水利 2018年4期

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 目的及意义

大跨度桥梁的施工能否实现设计师的初衷，不仅关系到桥梁结构的成桥质量，更关系到成桥后结构能否满足安全运营。为保证大跨度结构桥梁施工的安全性、稳定性，为今后同类结构体系桥梁的设计、施工提供进一步优化、改进的数据依据，开展大跨度连续梁施工线形及应力测控研究有着重要的意义。

施工过程中对结构变形、应力及稳定性的控制是施工控制的核心。跟随施工过程，对各关键工况的应力、标高及温度进行监测，以掌握各工况下结构的实际反应，并同理论预测值进行对比，对预测值与实测值之间的误差进行认真分析，找到误差原因，提出处理措施。使以后各节段采用的施工参数更加合理，预测的结构反应更加符合实际情况，最终使预测同实测相一致，从而达到控制的目的。

2 大跨度连续梁桥监控重点

基于目前的技术水平及大跨度连续梁桥工程的具体情况，施工中重点控制混凝土桥梁结构的线形和应力。对挂篮悬臂浇注施工的连续体系混凝土桥梁结构，需要进行以下几个方面的基础性分析计算：

(1)施工过程结构应力验算；

(2)成桥正常使用状态下结构应力及变形验算；

(3)成桥极限承载状态下结构强度验算；

(4)施工过程桥梁变形分析，以确定恒载设计预拱度；

(5)列车活载作用下的挠度，以确定活载设计预拱度。

3 混凝土桥梁线形监控

3.1 预拱度的设置

3.1.1 预拱度的组成

对于挂篮悬浇混凝土主梁预拱度的设置，重点考虑：①设计预拱度；②悬浇挂篮主体结构变形；③悬浇挂篮外模板变形；④悬浇挂篮内模系统变形；⑤温度效应引起的挂篮变形。则：

梁底预拱度=①-②-③-⑤；

梁顶预拱度=①-②-③-④-⑤。

对于设计预拱度，按设计要求取(成桥累计位移+1/2活载挠度)的反值。

3.1.2 预拱度的取值

由于理论分析模型、计算参数取值等与实际情况存在一定差异，因此，挂篮变形的理论计算值存在误差。在实际立模时挂篮变形预拱度需要根据理论计算和静载试验结果综合确定。预拱度的合理取值还须通过多个梁段施工的监测，不断积累数据和经验，才能真正取得。

3.1.3 影响主梁线形的关键因素

从预拱度的组成，就可以看出主梁线形的影响因素。从以往挂篮的分析及试验结果、设计提供桥梁的位移量以及施工监控的目前分析结果来看，在众多的影响因素中，挂篮体系变形是最主要的，尤其是在悬臂长度较小时。因此，要控制好主梁的线形，必须做好两方面工作：

(1)要严格按实际施工情况及实际设计参数，对结构进行施工过程模拟，确保理论计算的准确性；

(2)要通过理论分析和经验积累来取得挂篮结构各部分变形的客观值。对挂篮变形的准确测量将是影响线形控制的关键因素之一。

3.2 线形监控

3.2.1 线形监测项目

为达到上述线形监测的目的，需进行以下项目的监测工作：①挂篮结构；②混凝土主梁标高；③混凝土主梁中线。

3.2.2 线形监测方法

3.2.2.1 悬浇挂篮变形测量

采用几何水准方法(水准仪+水准尺)对悬浇挂篮变形进行测量。但在采用本方法进行挂篮变形测量时，所测得的结果直接反映的是挂篮绝对位置的变化，其中包含有混凝土桥梁结构的变形。为较准确地求得挂篮自身的变形量，需要进行如下项目的测量：

(1)悬浇挂篮底篮悬臂前端的合适位置(靠近前吊杆下锚固点)；

(2)悬浇挂篮主桁前端的合适位置(靠近前吊杆锚固点)；

(3)悬浇挂篮行走滑道的前、中、后位置。

根据上述的测量结果，将混凝土变形量扣除，即可求得挂篮自身的弹性变形。

3.2.2.2 混凝土主梁标高

对混凝土主梁，横向沿桥面两侧和中间、纵向在各施工块的悬臂前端布置系列观测点，用几何水准法进行主梁标高的测量，根据主梁标高的变化情况，求得混凝土主梁的变形。

3.2.2.3 混凝土主梁中线

对于混凝土主梁，横向沿桥面两侧和中间、纵向在各施工块的悬臂前端布置系列观测点，用全站仪对混凝土主梁中线及两侧进行测量。

3.2.3 线形测点布置

3.2.3.1 悬浇挂篮

悬浇挂篮的变形是影响混凝土桥梁线形的最主要因素，对此必须要估计准确。

为了进行悬浇挂篮在混凝土自重作用下的变形测量，需要对主桁、底篮及行走滑道的标高进行测量。在主桁前吊带上锚固位置、底篮前吊带下锚固位置及行走滑道的前、中、后位置布置变形测点，横向与两主桁的位置相对应。

3.2.3.2 混凝土主梁线形

对混凝土主梁线形进行测量的目的一方面在于检查梁的实际标高是否同设计的预期目标相一致；另一方面还在于通过不同测量工况下主梁标高的变化量来分析主梁的变形情况，以评价理论分析与预测结果的准确性，为后续主梁线形的施工监控工作积累经验。

沿纵向，在主梁的各施工节段悬臂前端及0号块中间、前端设置测点；沿横向，在腹板顶板相交处、顶板中部设置测点。各测点采用约30cm长的短钢筋，要求钢筋头露出浇注好的桥面约3cm～4cm，并要求将露出桥面的部分均用油漆涂成红色。测试截面包含每一个梁段的前端，并且进行一定数量的线形截面测试，绘制梁体标高及中线曲线。

3.3 线形监控注意要点

在线形监控过程中，要特别注意做到以下几点：

(1)在施工监控中，对混凝土浇注前后挂篮主梁、底模以及混凝土桥面等关键位置标高的测量属于控制性测量，该项工作宜在早晨气温恒定时完成；

(2)主梁底面标高直接由立模标高决定，而主梁顶面标高除受立模的影响外，还受内模变形、主梁高度误差、顶板厚度误差等因素的影响，因此严格控制截面几何尺寸误差是保证主梁线形良好的又一个关键之处；

(3)为确保主梁线形良好，必须对底模与顶模的标高同时进行控制；

(4)施工测量人员与监控人员应多交流，共同分析线形误差原因，为下一步工作积累数据和经验。

4 混凝土桥梁应力监测

为了掌握挂篮悬浇施工混凝土箱梁的应力及系杆拱桥结构应力随施工过程的变化情况，确保混凝土箱梁和拱肋受力的安全性和合理性，有必要对挂篮悬浇施工混凝土箱梁的应力和系杆拱桥吊杆张拉力进行监测与控制。

4.1 应力监测内容

对于挂篮悬臂浇注的大跨度连续梁桥梁结构的应力监测内容主要是施工过程中受力不利截面应力监测。

4.2 应力监测方法

采用钢弦式应力计对混凝土桥梁结构的应力进行测试，通过测量测点应变换算应力值。对于钢弦式应力计，是利用传感器内腔中钢弦频率的变化来反映被测物体的应变。钢弦式应力计的输出信号为钢弦的振动频率，其与应变的关系如式(1)。

(1)

对于混凝土结构，采用钢弦式应力计测得的是总应变，其包括了非应力应变成分，要得到被测位置的真实应力，必须准确扣除非应力应变。而非应力应变又因测量对象及测量位置的不同而异。其应力测量的计算公式如(2)：

σ=E·(εT-εu)

(2)

式中：σ——荷载作用下被测结构测点的应力；

E——被测结构材料的弹性模量；

εT——应力计直接测得的应变；

εu——各非应力应变成分的总和。

对于埋入混凝土中与粘贴在混凝土表面的应力计而言，εu的组成可分别由表达式(3)、(4)给出：

εu=εc+εs+εt=εc+εs+α·△t

(3)

εu=εtα·△t

(4)

式中：εt——温度变化引起的材料变形量；

α——钢材的线膨胀系数；

△t——温度变化量；

εc、εs——分别为混凝土徐变和收缩引起的非应力应变成分。

在采用弦式仪器进行结构的应力测试中，需要特别注意的是温度对测试结果的影响，主要体现在两个方面：一是对传感器而言的，温度变化会引起弦振频率改变，在进行频率应变换算时须考虑对温度进行修正；二是对结构的影响，由于材料的热胀冷缩效应，温度变化引起结构自由伸长和缩短，当这种自由变化受限制时，便会产生应力，在应力计算时须将温变引起的自由应变予以扣除。因此，从温度对弦式仪器进行应力测试影响的角度考虑，每个弦式应力计都必须配置一个温度传感器，同时，对于表面粘贴式的，还应加盖白色的防护罩，在保护传感器的同时，还尽量使得温度传感器的测试温度同被测结构的温度一致。

对于采用埋入弦式应力计进行混凝土结构应力测量，其测量精度还受到混凝土徐变和收缩引起的非应力应变成分等的影响，须采取相应措施对该非应力应变成分进行剔除，目前通常是在应力计附近埋置无应力计进行应力补偿。本应力监测将在目前测试技术基础上，通过增加测量次数，即在各关键工况前后分别测量应变值，通过计算增量的方法减少混凝土收缩、徐变对应力测试真值的影响。在现场条件许可的情况下，还将在与混凝土结构内部埋入式测点同高度的位置设置表面应变计，进行对比测量，评价混凝土收缩徐变效应对应力测试精度的影响。

4.3 连续梁桥应力测点布置

为了掌握桥梁结构在施工过程中的实际应力状态，须对主梁的关键受力截面进行应力监测。对于主梁，一般选择悬臂根部、1/4L、1/2L处截面作为应力监测截面。其中，主梁悬臂根部截面是施工过程应力监测的重点截面，必不可少。从技术、经济角度考虑，选择其中的一个T构，对悬臂根部、1/4L、1/2L处截面进行全面的应力监测，对其它T构关键截面选取应力较大测点进行应力监测。