某大跨度连续梁桥施工控制分析

■赖士谦

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

0 引言

大跨径预应力混凝土连续梁桥在跨径300m范围内都具有很强的竞争力。我国在高速公路建设高潮期修建了数百座跨径超过120m的预应力混凝土连续梁 （刚构桥），其中跨径超过200m的就有数十座。但随着时间的推移，已建的这批大跨度预应力混凝土梁桥普遍出现过大的跨中挠度[1]。研究发现，问题桥梁绝大部分在施工过程中缺乏对主梁线形的控制，合龙之后桥面不平顺，或者合龙线形和理想线形有较大差距[2]。为满足桥面平顺度要求和设计标高要求，施工过程中一般采用加厚桥面铺装的形式进行找平。这直接导致主梁超重，预应力度相对不足，同时增大梁体弯矩，最终导致桥梁在使用阶段的长期挠度失控。因此，保证悬臂施工的混凝土梁桥成桥线形受到工程界普遍关注，这也是在大跨度混凝土连续梁桥建设中开展施工控制的主要目的。

背景桥梁为一座三跨预应力混凝土连续箱梁桥，采用悬臂施工工艺。通过对该桥施工全过程的计算机仿真分析，确定桥梁施工过程中的梁体的应力状态和线形变化，结合施工过程中对主梁标高和梁体应力的测量，对施工过程中的主梁线形和内力进行实时监控，为施工线形的调整和控制提供有力的理论和数据支持。

1 项目概况

桥梁跨径布置为72.5+120+72.5m，单幅桥宽16.75m。箱梁采用三向预应力体系，梁体混凝土等级为C55，采用单箱双室断面。箱梁顶板宽16.75m，底板宽11.25m。墩顶0号梁段长9m，0号块两侧各划分为17对梁段，其梁段及梁段长度从根部至跨中分别为 4×2.5m，6×3.0m，3×3.5m，4×4.0m，1号～17号梁段采用挂篮悬浇施工，累计悬臂总长为54.5m。全桥共3个合拢段，合拢段长度均为2.0m。边跨的现浇梁段长度为11.42m。桥梁上部结构立面如图1所示。

2 监控总体思路和关键技术

图1 桥梁上部结构立面

大跨度悬浇连续梁施工监控的主要目的是为了保证桥梁顺利合龙和结构内力、成桥线形满足设计要求[3]。项目开始前期，通过对施工阶段的有限元仿真分析，可以明确各阶段结构理想状态，同时，仿真分析的数据也为施工参数的确定提供数据支持。实际施工过程中，通过“理论分析预测→节段施工→数据测量与反馈→参数识别、修正→下阶段理论计算预测”的循环过程，对主梁施工过程中的误差进行实时调整，以保证最终成桥线形和内力满足要求。

2.1 基于Midas/Civil的有限元模型分析

利用Midas/Civil有限元程序，建立全桥的空间杆系有限元模型。输入各施工阶段的单元、边界和荷载信息之后，进行前进分析。通过施工阶段的有限元仿真分析，可以对各阶段结构的状态进行评估和分析，保证施工阶段结构的安全。此外，所得的结构变形数据也是对结构进行误差调整的主要参考数据之一。背景桥梁施工过程全结构模型一共设置了154个单元和161个节点，如图2所示。

图2 桥梁全结构模型

模拟施工工序进行全过程分析，得到成桥阶段主梁的应力如图3所示。成桥状态下，主梁全线受压，且受力较为均匀，顶缘最大压应力为8.4MPa，发生在中跨靠近桥墩位置，底缘最大压应力11.5MPa，发生在中跨跨中附近。

2.2 主梁线形监控及调整方案

2.2.1 立模标高计算原理

为确保成桥后线形平顺且尽量逼近，悬臂施工过程中每个节段都需要进行预抛高，通过立模标高的调整影响梁体线形，立模标高也就是施工时的放样标高。立模标高分析主要考虑以下几个因素：

1)设计标高Hid：为施工节段裸梁底面设计标高；

2)施工预抛高fis：梁段预抛高为立模标高的主要影响因素之一，与结构的自重、预加力、二期恒载以及收缩徐变等因素有关，可通过有限元软件分析得到；

3)静活载引起的变形fiv：1/2的静活载加载在结构上产生的变形，可通过有限元程序分析得到；

4)挂篮变形fic：悬臂浇筑挂篮产生的变形，需要对挂篮进行预压堆载试验以获得挂篮荷载-变形曲线，不同梁段根据荷载大小对该值进行调整；

5)施工误差调整值fia：施工误差造成的影响，通过对测量数据进行参数识别和分析，得到各节段施工误差值，并实时调整，确保误差不累积。

综上所述，最后的立模标高Hi的表达式为：

2.2.2 主梁高程控制

根据背景桥梁结构特点及工程施工进度，共设置74个竖向挠度的监测截面，在同一截面在主梁横向布置两个高程测点，用于校核主梁是否发生扭转。高程监测点布置见图 4。

图2 成桥阶段主梁应力

图4 主梁竖向测点布置图

混凝土自重、预应力大小、施工荷载、混凝土收缩徐变、日照和温度等对主梁挠度均有影响。为确保主梁线形平顺，每一次预应力张拉前后，都要对主梁高程进行监测，对实测高程和目标高程进行比较。为减少日照及气温对主梁高程的影响，测试时间要求在清晨进行，温度对主梁高程的影响通过理论计算修正后计入。

2.3 主梁应力和温度状态监测

应力与温度的监控测量是掌握主体结构状态的另一项重要内容。在主梁施工过程中，在控制点埋设弦式混凝土应变计和温度传感器，对梁体的应力状态和温度分布进行实时监测。

施工应力测试截面一般根据施工计算的控制截面确定，原则上包括以下几个截面：成桥阶段的最大正、负弯矩截面，以及设计角度考虑的其他控制截面。悬臂施工状态下，墩顶截面为控制截面，合拢后，跨中和四分点位置处于较为不利的位置，据此，全桥选取7个内力控制截面布置传感器，分别为边跨跨中，中跨跨中、四分点以及墩顶截面，应变计和传感器埋设位置如图5所示。

图5 控制截面传感器布置示意图

3 数据处理与分析

悬臂施工过程中，通过对主梁线形的实时调整，最终得到了如图6所示的成桥曲线。从图中可以看出，实测线形和设计线形吻合较好。图7给出的实测高程和设计高程的差值显示，成桥后的高程和设计高程大部分的误差都控制在±10cm之内，基本满足 《公路桥涵施工技术规范》的规定[4]。说明施工监控工作对施工过程中线形的控制取得了良好的效果。

图6 成桥标高

图7 测量标高与设计标高差值

对于关键断面应力的分析，本文仅取典型控制断面进行讨论。图8所示内容为0#块顶、底缘应力在整个施工过程中的变化曲线。随着施工阶段的推进，0#块顶、底缘应力均逐渐增大，在进行体系转换的阶段，截面顶、底缘应力出现了较大的跳跃。但从总体的应力水平上看，截面应力较为合理，具有较大的冗余度。其他控制断面的应力也在合理范围之内。

图8 主梁0#块施工阶段应力

4 结论

在背景桥梁施工过程中，结合有限元仿真分析，同时充分考虑施工过程中可能出现的各种误差，在各个施工阶段通过立模标高的预报及时对线形进行调整，避免了施工过程中误差的不断累积和放大。同时，梁体内力的监控也为工程技术人员了解施工过程中的主梁受力情况提供了更直观的数据。

实践结果表明，施工阶段的线形微调可以对大跨径预应力混凝土连续梁桥的成桥线形进行有效控制，避免了利用增加铺装厚度来调整成桥线形的麻烦，从根源上解决大跨径连续梁桥常见的跨中下挠问题。