大跨径空腹式连续梁桥施工监控

黄立鑫

福州市交通建设集团有限公司，福建 福州 350000

空腹式预应力混凝土连续梁桥具有连续梁和斜腿刚架的受力特点，与常规的预应力混凝土连续梁桥相比，计算跨径缩短，墩顶自重和负弯矩减少，承载效率提高，纵向结构刚度增大，结构挠度减小；且外型简洁美观，近年来逐步被应用于公路和城市桥梁的建设中［1］。但空腹区梁段的V 形构造较常规连续梁桥的复杂，属于高次超静定，预应力体系复杂，温差、沉降及收缩徐变引起的附加应力大［2］，大大提升了该桥型结构的悬臂浇筑施工难度［3］。应通过施工监控加强预应力混凝土连续梁桥悬臂浇筑施工的过程控制。国内学者对连续梁桥的施工监控做了大量的研究［4］，提出了的设计参数识别和调整的一些理论［5］和方法。但对大跨径空腹式预应力混凝土连续梁桥的施工监控研究较少，本文以福州新建的洪山大桥主桥为背景，对施工监控进行分析和探索，为同类桥梁施工监控提供参考。

1 工程概况

洪山大桥主桥跨径布置为（72+132+72）m，双向八车道，分两幅布置，单幅标准段宽23.5m，设计时速60km。上部结构为空腹式预应力混凝土连续梁，下部结构采用矩形实体墩和群桩基础。主桥纵向分65 个节段，按“现浇0#块→对称悬臂浇筑1#～15#节段→现浇边跨→边跨合拢→中跨合拢”的顺序施工。

2 数值模拟与分析

2.1 数值模型

采用MIDAS/Civil 有限元软件进行数值模拟分析并建立模型。思路如下：

（1）结构离散。桥墩和主梁均采用梁单元模拟，全桥离散为176 个单元，203 个节点。其中主梁单元100 个，桥墩单元76 个。

（2）构件属性输入。混凝土和预应力钢筋的材性均按现场试验测试值进行输入；构件截面尺寸按设计图纸输入；预应力钢束按图纸进行三维空间建模，考虑张拉方式及预应力损失。

（3）荷载输入。二期恒载按72kN/m 计，汽车荷载采用公路I 级；施工荷载载按700kN 计，支座沉降、收缩徐变、温度荷载等按规范计取。

（4）边界条件模拟。按“m 法”测算土的侧向刚度并设置土弹簧；承台简化为刚体，通过施加节点荷载模拟自重，承台与主墩、桩基均采用刚性连接；施工阶段3#和4#主墩与主梁采用刚性连接，体系转换阶段通过释放梁端部约束来模拟解除临时固结，并转化为铰接；边跨现浇段支架采用一般支承模拟。

（5）施工模拟。按施工组织方案设置施工阶段，每个节段设置3 个工况：挂篮前移、模板定位；绑扎钢筋、浇注混凝土；张拉预应力钢束。

2.2 模型修正

（1）材料本构关系：通过试验得到主梁、桥墩、承台、桩基混凝土和预应力筋、普通钢筋的本构关系，对MIDAS/Civil 自带的本构关系进行修正。

（2）预应力损失：经过相关参数试验，发现预应力损失的实测值与设计值较为接近，误差＜5%，为简化建模和计算，不进行修正。

（3）施工荷载：设计施工临时荷载为700kN，施工荷载根据各阶段的实际情况进行调整输入。

（4）T 构固结刚度：通过挂篮预压试验获取T 构的实测刚度，并通过调整MIDAS/Civil 软件边界条件转动刚度的相关系数实现T 构刚度精确模拟

2.3 影响因素控制

（1）通过对桥梁构件实际温度场的监测并考虑其影响以预测结构变形，并采取相应的调控措施，消除温差影响。

（2）通过优化测量时间和手段，采用滤波法进行测量数据处理，消除测量误差影响。

（3）通过施工中严格控制模板刚度和混凝土用量等措施，消除节段重量误差影响。

3 施工监控

3.1 施工监控方法

通常采用预测控制法。结构受力通过严格控制张拉力调整修正，主梁线形通过提前测算各节段立模标高调整修正。通过监控使得主梁的关键截面内力和梁底标高的误差最大值在规范允许范围内，使得成桥结构符合设计意图。

3.2 施工监控流程

主桥施工控制的流程图如下：

图1 施工监控流程图

3.3 施工监控实施

3.3.1 线形监控

（1）高程测点布置。主梁高程使用精密水准仪测量，高程控制网使用施工控制网，在中墩0 号节段上分别设2 个基准点，每隔3 个施工节段对高程基准点进行复核。为反映各节段施工时梁体的线形变化，在每个悬浇节段布置6 个高程观测点。

（2）测量要求。施工前的梁体中线和立模标高放样，误差应分别≤±10mm 和±3mm；悬浇过程测量混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、预应力张拉后、挂篮行走后四个工况的高程；合拢施工时应加强整个混凝土施工及预应力张拉过程的标高监控；二期恒载施工完毕后进行全桥线形监测。测量工作应在清晨6：30（春冬）或5：00（夏秋）前完成。

3.3.2 应力监控

（1）应力测点布置。选用密封绝缘好、量程大、精度高、零漂小、防破损能力较好的北京英岩振弦式应变计。根据空腹式连续梁的结构特点选取15 个关键截面，每个截面布置6 个应力测点，共90 个测点。

（2）测量要求。安装前应检验应变计的稳定性和零漂等性能；施工过程测量混凝土浇筑后和预应力张拉后两个工况的应力，边跨和中跨合拢并张拉预应力后、结构体系转换后、全桥预应力张拉后等工况的均应进行应力测试，二期恒载施工后全部关键截面应力监测。测量时间与高程测量一致。

3.3.3 温度监测

（1）温度测点布置。季节温差可采集各施工阶段的温度，分析其对挠度的影响。日温差可通过早晨太阳出来前对挠度进行观测，最大程度消除日温差影响。

（2）测量要求。主梁温度测点布置同应力测点布置。环境温度测量采用水银温度计和点温计测试，温度测试精度±0.1℃。施工过程中测量混凝土浇筑后、预应力张拉后2 个工况的温度；主梁合龙、二期恒载施工完毕也各进行1 次测试。监测时间与高程测量一致。

3.4 监控结果与分析

3.4.1 最大悬臂阶段

施工至15#节段后，实测梁底线形，并与理论计算标高对比。所有节段的高程实测值与理论值的差值均≤2cm；2#墩边跨合龙段两端计算高差81mm，实测高差99mm，合龙精度18mm；5#墩边跨合龙段两端计算高差36mm，实测高差45mm，合龙精度9mm。

该阶段关键截面实测应力与计算值对比，差值最大为0.6MPa，≤9%，变化规律一致。

（1）温度测点布置。季节温差可采集各施工阶段的温度，分析其对挠度的影响。日温差可通过早晨太阳出来前对挠度进行观测，最大程度消除日温差影响。

3.4.2 边跨合拢阶段

边跨合拢后，实测梁底线形与计算设定标高对比。所有节段的高程实测值与理论值的差值均≤2cm；中跨合龙段两端计算高差2mm，实测高差20mm，合龙精度18mm。

该阶段关键截面实测应力与计算值对比，差值最大为0.58MPa，≤8%，变化规律一致。

（1）温度测点布置。季节温差可采集各施工阶段的温度，分析其对挠度的影响。日温差可通过早晨太阳出来前对挠度进行观测，最大程度消除日温差影响。

3.4.3 中跨合拢阶段

中跨合拢后，实测主梁梁底线形，并与计算设定标高对比。所有节段的高程实测值与理论值的差值均≤2cm。合拢成桥后梁面标高实测值与设计值对比基本吻合。大部分测点的标高与设计值的差值在规范值10mm 内，线形整体较为平顺。

该阶段关键截面实测应力与计算值对比，差值＜0.57MPa，相差＜8%，变化规律一致。

4 结论

通过对洪山大桥主桥进行施工监控分析，调整纠偏，取得了良好的施工效果，针对空腹式预应力混凝土连续梁，结论如下：

（1）通过数值建模分析和施工监控调整，悬臂施工可得到较好控制。主桥合拢高差≤12mm，主梁线形整体平顺，实测标高与设计标高差值＜10mm，满足规范要求；应力实测值与设计值误差＜10%，变化规律符合施工过程的结构体系变化，成桥应力分布符合设计预期。

（2）施工应加强空腹梁段的控制。支架和模板应具备较大的刚度，正确预测其变形量，控制好立模标高和混凝土用量。施工过程要避免挂篮吊杆镙帽松动、垫块受损坏等原因造成挂篮变形超标，进而造成主梁线形下挠。

（3）建模时要做好混凝土和预应力的本构关系、混凝土收缩徐变、预应力损失、T 构刚度等参数的修正；并充分考虑温差、基础沉降、施工荷载等因素的影响。

（4）施工过程中要严格控制立模标高、混凝土浇筑量、预应力张拉力等关键参数；要校核挂篮和模板的刚度。施工后要做好主梁养护工作，保持合理温度和湿度，保证预应力张拉时的混凝土龄期。

（5）立模标高计算按“宁高勿低”的原则，多考虑一定的下挠变形量，多施加少量预应力，抵消混凝土养护龄期不足、混凝土收缩徐变和预应力损失等引起的下挠。