大跨连续梁悬浇施工监控技术与应用研究

2018-05-14邓振全李树忱

山西建筑 2018年10期

邓振全董旭李树忱

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061)

0 引言

桥梁结构的安全质量问题是公路、铁路及交通等行业和全社会非常关注的重大问题[1]。施工监控是确保桥梁结构在施工或运营阶段体现设计思路、满足规范和设计，保证工程安全质量所必须的重要手段[2]。在实际施工过程中，受设计假定误差、施工荷载、环境天气、材料和施工技术水平等多因素影响，桥梁结构的实际应力、变形等状态参数会与设计要求、有限元分析结果有所差异，如不加以及时调整，会致使结构的施工控制参数误差不断累积，严重影响桥梁结构的线形、内力和成桥状态，甚至造成桥梁无法合龙，危及施工和运营安全。对桥梁施工监控各方面问题，许多学者进行了研究。包龙生、闫燕红等[3,4]结合工程阐述了桥梁施工监控的内容和通用方法，并通过对比分析得到了大跨连续梁桥设计参数中桥梁施工和监控的主要和次要影响因素；刘庆昌等[5]利用马尔科夫残差对连续梁桥施工监控的灰色理论模型进行了改进，修正了监控的预测误差；陈秀清等[6]基于受力优化和均匀性原则，研究了合龙顺序对连续梁桥结构性能和成桥状态的影响，提出了优化施工合龙方案；赵国梁、姚敏红、王一新等[7-13]则结合不同梁型、不同设计方案研究了桥梁施工监控的技术要点。

本研究依托某地区铁路扩能改造工程有砟轨道单线预应力混凝土连续梁桥，阐述和分析了本研究工程的一整套监控方法和理论，介绍了其监控内容、方案和工具，实施了线形和应力监控工作，并给出了其监控结果和结论，研究保证了该工程安全成功合龙，可作为其他桥梁工程监控的参考。

1 工程概况

某铁路扩能改造工程有砟轨道桥梁为48 m+80 m+48 m三跨单线预应力混凝土连续梁桥。上部结构采用单箱单室直腹板式变截面连续箱梁，最大梁高为6.4 m，中跨及边跨直线段梁高为3.6 m，箱梁采用纵向、横向和竖向三向预应力体系；桥梁基础采用钻孔桩基。连续梁应用悬浇法建造，分两个对称T构，各划分为11个梁段，边跨为7.75 m现浇段，边跨和中跨合龙段均为2 m。梁体全部采用C55混凝土。该连续梁上跨当地某二级公路，交叉角度为134°36″。该公路为货运主路，车流量大。连续梁桥全桥布置及与所跨公路位置如图1所示。

2 监控方法

2.1 监控原则

特大跨连续梁的监控工作，最终目的是保证施工过程中梁桥结构的质量和安全。具体表现为：对成桥目标进行持续监测和有效控制，以确保工程的线形和受力等满足规范要求和设计预期，并保证其有足够的强度和稳定性。一般遵循“预报→施工→量测→识别→修正→下一次预报”循环流程。

2.2 监测理论

2.2.1分析理论

前进分析法是指根据既定施工方案逐阶段地进行结构计算，几何形态、边界约束、荷载分布等不断变化，前一阶段结构状态作为下一阶段的分析基础，并得到成桥受力变形情况。该方法能为强度、刚度验算和成桥受力提供依据和精确结果，能确定可靠的施工阶段理想状态，故选择前进分析法作为研究分析理论。

2.2.2控制理论

自适应控制法认为，在系统运行过程中，通过系统识别或参数估计，不断修正参数，使设计输出与实测结果相符，可以达到工程误差或问题控制的目的，原理如图2所示。且其相对其他方法，实施较为简便，故研究选择自适应控制法作为误差控制方法。

2.2.3误差调整方法

施工中，结构易受到材料、环境、施工技术等因素的影响，会导致分析采用的理想设计参数值与结构实际状态的相应设计参数值出现一定偏差，设计参数误差是引起大跨桥梁施工误差的主要因素之一。本研究通过设计参数的识别，并利用最小二乘法进行误差调整，通过最小化误差的平方和以确定数据的最佳匹配函数，其基本原理是确定函数S*(x)，使误差平方和：

(1)

其中,δi=S*(xi)-yi,(i=0,1,2,…,m)。

3 监控方案

3.1 结构计算

采用MIDAS/Civil建立主梁模型，利用前进分析法做计算，并由桥梁博士3.0进行复核。主梁模型依设计施工节段(如图3所示)对应划分为若干单元，对施工过程进行模拟。采用C55混凝土，加载龄期为7 d；预应力钢绞线松弛损失取为2.5%，锚具变形与钢束回缩值取为6 mm，管道摩阻系数μ=0.25，偏差系数k=0.003；二期恒载取为98 kN/m；收缩徐变考虑1 500 d。有限元计算模型如图4所示，全桥共划分70个单元，97个节点。

通过模型计算，得到自重、预应力以及混凝土收缩徐变引起的悬臂前端挠度值、挂篮弹性变形和活载挠度值等理论数据，同时结合上节段的控制情况，根据式(2)可知：

(2)

式中：Hlmi——节点i(待浇筑段底板前端)立模标高；

Hsji——待浇筑段底板前端的设计标高；

∑fdi——施工过程中恒载(含自重、预应力、收缩徐变等)引起的节点i累计挠度值；

fli——静活载引起节点i挠度值；

fgl——挂篮弹性变形值，由挂篮预压及高程实测确定，本研究采用式(3)来预测挂篮变形：

(3)

式中:ff——浇筑第n号梁段产生的挂篮弹性变形；

Δfn，Δfn-1,Δfn-2——浇筑第n块混凝土后第n,n-1,n-2号梁段前端的变形；ln,ln-1为第n,n-1号梁段长度。

3.2 监测内容

3.2.1变形监测

在自重、预应力、不均匀温差和收缩徐变等作用下，梁体会产生挠曲变形，需要对主梁变形监测，以掌握梁体挠曲和扭转变形的情况和历程，为结合结构计算准确控制提供依据。

在0号块顶板中心设水准控制点，作为桥面高程测控的基准，其高程以良好山坡上永久高程点为根据；桥面高程测控点各对称布置3处于每个节段前端面10 cm处的顶、底板上表面(如图5所示)，测点露出桥面5 cm，用Φ16钢筋与顶底板钢筋竖直焊牢。使用DINI水准仪或TCA-2003A全站仪，在立模初和调整后、混凝土浇筑前后、预应力张拉前后进行高程量测。为减少温度影响，监测宜在日出前完成。

3.2.2温度监测

混凝土导热的复杂性和滞后效应，会造成温度非线性分布和顶底板温差，使主梁挠曲、梁体产生较大复杂内力，对施工影响较大。需进行测试，获得梁体温度分布变化规律，为分析控制提供依据。

在图6的梁体②截面，在图7b)所示6处和箱梁内外侧布置JXH-2型钢弦应力计(内含铂电阻温敏元件)。对梁体和环境温度、截面应力进行持续监测，间隔为1 h，中午后适当缩短。

3.2.3应力监测

利用JXH-2型钢弦应力计和DT615数据采集仪，对梁体应力变化进行监测，与理论计算比较，以检视主梁受力状态，实现安全控制。控制截面如图6所示，断面应力测点布置如图7a)，考虑结构对称性，对44号墩半联梁做监测，45号墩梁为复核，所有应变计纵向布置。每节段分别对混凝土浇筑前、浇筑后、预应力张拉后三个主要工况进行测量。