基于应力和变形控制的预应力连续刚构箱梁桥施工技术

陈 晨

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

1 工程概况

商登高速为连接连霍高速与郑少高速的交通干线，是河南省交通网络中的重要骨架，也是连接豫东豫西的大通道，主线全长222km，商登高速郑州段唐庄互通1号桥位于唐庄镇，大桥全长235m，上部构造采用(46+85+46)m分离式双幅预应力混凝土变截面连续箱梁。

本桥箱梁各主要结构尺寸为：0号块高5.5m，跨中高2.5m；0号块底板厚1.2m，跨中底板厚0.32m，箱梁高度及底板厚度按2次抛物线变化。箱梁浇筑节段长度依次为：0号块11.9m+9×3.95m，中跨合龙段长2m，边跨现浇段长4.42m。箱梁顶板在0号块中间位置厚0.5m，与1号梁段接头位置厚度0.3m，其余梁段均为0.3m；腹板在0号梁段厚0.9m，0号块与1号块位置渐变为0.6m,其余梁段均为0.6m。箱梁顶宽12.6m，底宽7m，顶板悬臂长2.8m，悬臂端部厚0.2m，根部厚0.65m，箱梁顶设有3%的横坡。

2 预应力混凝土连续刚构桥施工工艺

主桥箱梁采用挂篮施工，挂篮悬浇节段长9×3.95m，悬浇节段最大重量为153.1t。悬浇梁施工工艺和施工流程见图1、图2。

图2 常规挂篮悬臂施工示意图

0号块施工采用托架方案，底板部分墩内、外侧每侧均设置装配式牛腿4榀，翼缘板部分每侧各设置装配式牛腿2榀。底板部分牛腿托架上铺设Ⅰ25b工字钢横梁，主墩外侧间距80cm、主墩内侧间距75cm；翼缘板部分牛腿托架上铺设Ⅰ40b工字钢，工字钢间距90cm。底板部分工字钢顶面设置调坡桁架片，工字钢与调坡桁架片采用点焊连接。调坡桁架片采用∠75×6角钢及φ48×3钢管焊接制作；翼缘板工字钢顶面直接搭设φ48×3钢管脚手架支撑顶模，脚手架纵、横、步距均为90cm，顶面设置I12.6工字钢分配梁。0号块侧模及翼缘板采用定型钢模，底模采用定型钢模，内模采用定型钢模，内外模采用对拉杆连接。托架布置见图3、图4。

图3 0号块托架侧面布置

图4 0号块托架翼缘板布置

在0号块托架搭设完成铺装模板前采用堆砌加载法对托架按梁体混凝土荷载分布大小对称进行预压，分四级预压：第一级为梁体重量和施工荷载重量的0.5倍，第二级为梁体重量和施工荷载重量的0.8倍，第三极为梁体重量和施工荷载重量的1.0倍，第四级为梁体重量和施工荷载重量的1.2倍，主要是检验托架的承载能力是否能满足施工的需要，并在预压过程中取得托架的弹性变形值同时消除托架的非弹性变形。托架墩柱外侧承受总重量：G总=G0号块+G模+G人+G设备=107.5t+1t+1t+1t=110.5t。托架墩柱之间承受总重量：G总=G0号块+G模+G人+G设备=224.77t+3t+1.5t+2t=231.27t

综合考虑了以上各种因素，确定的预压荷载系数为120%，即基准载荷分别为110.5tf和231.27tf。预压荷载采用混凝土块或者其他重物进行模拟，并按混凝土箱梁的重力分布加载在托架上，加载分别按箱梁重力的0.5倍、0.8倍、1.0倍和1.2倍进行，采用水准仪测量出相应各测点的标高值。在施加模拟荷载后，每隔6h观测一次测点标高，卸载标准为48h内累计沉降量小于2mm。完成荷载预压前、荷载预压中、变形稳定期、卸载后观测点的标高观测值，并以此计算出托架在荷载预压前至变形稳定期的总位移值、变形稳定期至卸载后的变形模量、荷载预压前至卸载后的非弹性位移量。

3 应力施工控制

桥梁施工过程中，桥梁结构自重、预应力张拉、施工荷载等各阶段施工荷载，都是随着施工进程的发生而逐渐发生的，不同的施工阶段，由于荷载的增加次序、预应力张拉以及结构体系的转换，都会改变桥梁的结构应力和变形状态[1-3]。桥梁结构后期的成桥受力状态与施工荷载变化过程存在紧密的联系，因此，研究不同施工阶段及桥梁成桥状态的结构受力特性及变形是桥梁施工中的首要任务[4-5]。

结构分析计算是施工控制的核心依据，利用三维空间结构分析程序计算分析施工全过程、成桥状态的内力及变形等，考虑结构空间的扭转效应对变形和内力的影响[7]。本文采用桥梁分析软件Civil Midas 2015计算分析程序，建立桥梁的平面计算模型，对桥梁施工阶段至运营阶段的各阶段结构体系进行静力分析。桥梁主桥施工阶段计算模型见图5，主桥总体计算模型见图6。

图5 主桥施工阶段计算模型

图6 主桥结构总体计算模型

计算时，模型满足下列假定：模型的尺寸和边界条件与施工过程保持一致；按单幅桥进行数值计算；忽略普通钢筋对结构受力的贡献，主梁简化为预应力构件；忽略主梁横向和竖向的预应力；计算时采用一般支撑模拟固定支座及活动支座[8]，对于支座刚度的缺失问题，可采用忽略弹性边界条件，边界位移条件采用刚性约束的方式进行解决。

图8 最大悬臂张拉顶板应力

图9 直线段张拉底板应力

图10 直线段张拉顶板应力

图11 主桥中跨合龙底板应力

图12 主桥中跨合龙顶板应力

在左幅箱梁上布置7个应变测试断面，右幅箱梁上布置7个应力测试断面。左幅应力测点42个，右幅应力测点42个，主梁纵向应力测点合计84个(见图13)。以3-3断面为例，进行测点布置(见图14)。

图13 大桥主桥应力测试断面

图14 3-3断面应力测点

主梁应力实测值在-1.5～-0.1MPa之间，实测值最大值发生在测点编号为355044处，实测值与计算值差值在-0.5～-0.1MPa之间，满足规范求(见表1)。

表1 3-3截面主梁应力监测结果 单位：MPa

4 桥梁施工变形

桥梁的合龙线性受到多种因素的影响，在实际桥梁施工中，构架尺寸误差、材料容差、张拉误差等众多因数都直接或者间接地对大桥合龙产生误差积累，进而造成合龙困难，此外，施工步序的变化以及偶然施工荷载的发生都会改变桥梁的结构线性，进而影响每个施工阶段的构件标高，导致最终成桥出现误差，特别是采用悬臂工法的预应力混凝土桥梁，为满足规范设计和规范要求，应该对各个施工阶段的线性进行控制。

从主桥各个施工阶段的变形曲线(见图15)中可以看出，无论何种施工阶段，位移极值都发生在悬臂端，施工阶段最大竖向位移约为25mm，在桥墩附近位移变形值较小，约为2mm。桥梁在中跨合龙时与二期桥面铺装恒载时，变形较为接近，表明桥梁合龙后变形稳定。

图15 主桥主要施工阶段位移

5 桥梁合龙标高控制

对中跨3-3断面合龙时，两侧混凝土悬臂箱梁块的数据进行观测(见表2)。由《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)可知，同跨对称点控制高程不应大于20mm，从表2中可知，合龙最大差值为12mm，满足规范要求。

表2 主桥主要施工阶段位移

桥梁合龙施工完成后，对每个梁端的顶底板处布置高程测点，观测顶底板的高程变化，并与理论计算值进行比较。顶底板的标高理论计算值与实测值的比较见图16、图17。

图17 箱梁顶板的高程理论值与实测值曲线对比

从图16和图17可知，桥梁的线性控制较好，理论计算值与实测值之间误差在规范的容许范围之内，两线形较为吻合，由此说明，本文桥梁合龙后高程计算结果精度较高，能够较好地反映桥梁结构的实际情况，对施工的标高控制效果具有较高的指导价值，对桥梁施工阶段的变形能够在施工前具有预见性地识别。

6 结 论

商登高速郑州段唐庄互通1号桥，属于预应力混凝土连续刚构桥，施工过程中主梁竖向线形偏差及轴线偏移、合龙后的桥面线形、避免施工过程中主梁出现过大的应力等问题，均需通过施工监控监测来解决。此外，实际施工时，截面误差、材料容重误差、弹性模量误差、张拉误差等各种施工误差和施工步骤的改变以及偶然施工荷载的作用都会引起桥梁结构线形与内力的改变，影响结构在施工和成桥时的状态和结构的安全。本文通过有限元模型对大桥进行施工过程模拟分析，并进行应力和施工位移监测。施工监控结论表明：施工阶段主梁压应力最大值出现在中跨合龙阶段，最大值为7.82MPa，主梁拉应力最大值出现在最大悬臂阶段，最大值为0.078MPa；无论何种施工阶段，位移极值均发生在悬臂端，施工阶段最大竖向位移约为25mm，在桥墩附近位移变形值较小，约为2mm。桥梁在中跨合龙时与二期桥面铺装恒载时，变形较为接近，表明桥梁合龙后变形稳定；桥梁合龙后桥梁的线性控制较好，理论计算值与实测值之间误差在规范的容许范围之内，理论计算能够反映施工的桥梁结构的真实情况。