大跨度非对称不平衡曲弦钢桁加劲连续梁线形监控技术

2021-02-14中建交通建设集团有限公司

上海铁道增刊 2021年2期

孙飞中建交通建设集团有限公司

钟小林中国铁路上海局集团有限公司上海华东铁路建设监理有限公司

1 引言

郑阜高铁跨泉河（45+75+172+75+45）曲弦钢桁加劲连续梁是国内首座五连跨三折线、非对称不平衡、采用漂浮结构设计的曲弦钢桁加劲连续梁，并应用了温度限位器和速度阻尼器等多种新技术。钢桁采用再分式桁架，结构形式为箱梁+钢桁架结构形式。主梁在中跨172 m范围内设置加劲钢桁，桁高14 m，节间距16 m。钢桁结构上弦杆采用箱型截面。腹杆采用工字型截面，再分腹杆采用工字型截面。上平联采用X型构造，工字型截面。全桥对称设置4道横联和桥门架。钢桁下弦节点采用埋入式构造，埋入梁体495 mm~805 mm，依靠PBL剪力键与混凝土梁相连，与梁段砼一起浇筑，采用高强螺栓与钢桁其他杆件连接，在节点板范围内设置凸台，外包钢板，内灌混凝土。

桥梁施工控制不仅是桥梁施工技术的难点，也是施工中实施的难点，尤其对于大跨度组合型桥梁。在非对称不平衡状态下的悬臂施工和合龙，以及预应力混凝土梁体合龙钢桁的拼装和合龙过程中，如何做好施工监控，解决有确定因素和非确定因素（如设计计算、材料性能、施工精度、荷载变化，大气温度等）引起的设计理想状态与实际施工状态下的差异，从各种受误差影响而失真的参数中筛选出相对真实数据，对施工状态进行实时监测、纠偏和预测，从而实现通过施工监控将连续梁两边跨合拢误差、中跨误差减少到10 mm，形成偏差小于3%的成果及钢桁的精确拼装和合龙。桥梁实景见图1所示。

图1 跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦钢桁加劲连续梁

2 施工监控理论

钢桁加劲连续梁桥的施工监控主要是梁体施工、钢桁架拼装过程的监控。虽然这些施工过程中的监控较多，但主要的是线形及应力、张拉力的监测，后面提到的其它监测项目都是围绕这两项内容进行并为之服务的，或者为了调整线形或者为了参数识别之用。在线形与应力两项内容中以线形监控为主，应力监控为辅。应力监控更多的偏于被动测量后的监视，即偏“监”弱“控”，它用以防止结构应力超限，从而保证桥梁施工的安全；而线形是可以通过参数的优化重新计算并能进行预测调整进而无限逼近设计线形的。因此，该桥施工监控的核心内容是线形监控。本桥监控流程如图2所示。

图2 施工监控框图

在实际施工中，由于设计参数误差、施工误差、测量误差、结构分析误差等综合干扰因素，桥梁结构的实际状态与理想状态总存在着一定的误差。施工监控所要解决的主要问题就是如何调整这些误差，使实际状态尽量接近理想状态。

设计参数误差是引起大跨度桥梁施工误差的主要因素之一。为了调整设计参数误差，首先要确定引起桥梁结构偏差的主要实际参数，其次就是运用最小二乘法理论来识别这些参数误差，最后要得到设计参数的正确估计值，通过修正设计参数误差，使桥梁结构的实际状态和理想状态相一致。

鉴于此，施工监控中，需要对设计参数识别和调整，通过在典型施工状态下对状态变量实测值与理论值的比较，以及设计参数影响分析，利用最小二乘法进行参数估计。采用自适应方法进行施工监控，自适应控制是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，是一个预告—施工—量测—计算—参数识别—分析—修正—预告的循环过程（图3）。即在施工过程中，比较结构测量的受力状态与模型计算结果，依据两者的误差进行参数调整(识别)，使模型的输出结果与实际测量的结果相一致。利用修正的计算模型参数，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。这样，经过几个工况的反复识别后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。

图3 参数识别流程图

线形调整的直接手段是调整立模标高，将参数误差引起的主梁标高的变化通过立模标高的调整予以修正。对于桁架的线形和应力的调整，主要通过调整拼接缝长度来实现。合龙温度选择调整也是可采用的手段，但应与设计协商使之吻合。

3 施工监控原则

施工监控的最终目标是确保成桥后结构受力和线形满足设计要求，这也是施工监控中须遵循的两个原则。

（1）受力要求

受力要求包括桥梁及施工支架在施工过程中的内力或应力应在设计容许范围之内，这些内力或应力状况反映了该桥的整体受力状态。对于钢桁加劲连续梁，主梁应力、桁架应力是控制的关键。

（2）线形要求

对钢桁加劲连续梁桥而言，线形要求指在施工过程中通过设置合理的预拱度使成桥后的钢桁架、桥面标高及轴线横向偏位符合设计要求。

4 施工监控内容

钢桁加劲连续梁桥的施工监控工作内容主要包括理论分析预测、施工监测及施工控制三部分。

4.1 理论分析预测

理论分析的主要内容就是对施工过程中每个阶段包括成桥阶段的内力和变形在确定的材料参数、荷载、边界条件下（即设计图纸上给定的参数、条件）进行分析预测。

本桥采用正装分析法用桥梁空间计算程序进行计算分析，复核设计图纸上给定的理论成桥状态和施工状态。按照设计提供的桥梁基本参数以及施工工序对施工过程进行正装计算，计算结果可以得到各施工状态以及成桥状态下的结构受力和变形等控制数据。理论分析采用Midas/Civil程序，计算模型见图4。

图4 理论分析预测模型（参考模型）

4.2 施工监测

施工监测的内容主要包括以下三个方面：

（1）梁体及桁架线形，包含两者的竖向、横向位移情况；

（2）主墩变形，包含关键点、关键截面的变形情况；

（3）应力，包含梁体、桁架应力。

4.2.1 连续梁梁体及桁架线形测量

（1）测量方法

梁体及桁架上的关键点均布置有测点，通过测量这些测点的标高变化和偏位并结合主墩的变形情况，可以得到梁体及桁架各个施工阶段的线形，包括横向的偏位情况。测量仪器为全站仪。

（2）测点布置

①梁体测点：纵向在距每号块梁端10 cm位置处设置线形观测断面、每个断面横向在三个腹板上方埋设沉降观测标，每个断面共3个测点。

②桁架测点：上弦杆和大腹杆的交点处布置测点，桁架为对称结构，对称位置测点一样，确保在焊接连成整体之前其实测三维坐标和设计值误差满足规范及图纸要求，同时在后续工况通过监测其坐标来监测桁架的线形变化。

梁体及桁架的测点布置见图5。

图5 线形测点布置图

测点的具体布置要和施工单位共同协商确定，以上测点位置可适当变动。

③测量注意事项

由于大气温度对标高或桁架的偏位测量影响较大，测量控制时间一般选择在夜晚22:00至早上7:00日照之前的时间(温度较恒定的时段)内，应尽快完成，并考虑对日照、风力、大气压等影响进行适当修正。

4.2.2 主墩变形测量

主墩的变形测量目的是为了更准确的分析主梁、桁架在各施工阶段的变形情况，其测量的方法同样是通过全站仪测量相关关键测点的标高进而得到变形值，测量的时间与梁体、桁架的测量时间相同，以确保各位置标高的相互校核。主墩变形测点布置于墩顶的侧面。

4.2.3 应力测量

钢桁加劲连续梁桥属于多次超静定结构，施工工序复杂，体系转换较多。对于梁体及桁架关键截面上的关键点应进行应力监测。

（1）测量方法

应力测量采用镍鏮振弦式应力传感器。对于梁体采用内埋式传感器，而对于桁架应力的测量采用外贴式传感器。

（2）测点布置

①梁体

主梁应力测点布置在主墩根部，沿顺桥向设4个控制断面，每个断面预埋若干个应变计，要求能反映截面的详细应力分布状况，连续梁断面位置及测点布置见图6。

图6 主梁应力测点布置图

②桁架

桁架应力测点布置在上弦杆受压，大腹杆受压，大腹杆受拉处,对称布置，共12个截面，两侧桁架测点布置相同。截面的应力测点布置如图7、图8、图9所示，所有截面桁架应力测点均为外贴式测温传感器。

图7 钢桁架应力测点布置图

图8 应力测点截面一

图9 应力测点截面二

③注意事项

结构内部应力的变化与施工进程密切相关，因此应在每道施工工序结束后根据工序的不同间隔2～3小时测量一次，直至数值稳定。

应变计固定后即进行测读数，以验证应变计是否良好。

混凝土内部应变计的初读数应以混凝土水化热释放基本完毕后的读数为准。这个读数的获得是以混凝土浇筑完毕后每隔2 h～3 h测量一次，稳定的数值即为该读数。

桁架外贴应变计应在桁架无应力状态下黏贴。所谓无应力状态是指桁架在地面或台座上平放的状态，一旦起吊安装即进入有应力状态。

应变计读数应在早上气温相对稳定时进行，以消除气温变化引起的影响。这点对于桁架外贴应变计尤为引起注意。

应力测量应及时与设计理论值进行比较，如出现应力超出监控允许范围，应及时停工查找原因并处理。

4.3 施工控制

施工控制是整个桥梁监控的核心任务，遵循以线形调控为主，应力调控为辅的原则。其目的就是调整理论计算和测试结果之间的误差，使结构的线形和内力尽量符合设计要求，它包括以下三个方面的内容。

4.3.1 误差分析和原因判断

（1）挂篮及支架变形误差分析；

（2）桁架安装误差对结构影响分析；

（3）预应力张拉误差对结构影响分析；

（4）混凝土弹性模量对结构影响分析；

（5）混凝土徐变对结构影响分析；

（6）桁架节段自重误差对结构的影响；

（7）合龙温度对结构影响分析；

（8）水化热对应力测量的影响分析等。

4.3.2 修改设计参数和结构计算

按图3所示的流程，比较结构的测量状态与模型计算结果并进行设计参数的优化识别，然后采用已识别出的参数，用有限元软件对结构进行重新分析。

4.3.3 预告结构下阶段标高

随施工阶段的进行，提前预告梁体施工立模标高或桁架安装标高

立模或安装标高计算公式为：

式中：H立模（安装）—立模或安装标高；

H设计—桥梁结构设计标高；

f挂篮（支架）—支架所发生的变形；

f后期施工影响—结构某一部分在混凝土浇筑（梁体）或安装（桁架）之后，由于后续施工阶段的影响使该点产生的变形，这种变形直到成桥竣工时为止；

f1/2静活载—桥梁承受1/2静活载所引起变形；

f后期徐变—桥梁竣工后由于后期混凝土收缩徐变而引起的变形。

这里规定，正负号以变形向上为正向下为负。

4.3.4 竣工标高

我们知道，设计标高理论上即为桥梁在正常使用情况下的标高。总体上服从于路线纵断面的线形设计，是桥梁竣工多年(一般为3～5年)以后，混凝土后期收缩徐变大体完成，桥梁不再发生明显的后期变形，在承受1/2静活载情况下的标高。

竣工标高即为桥梁刚刚竣工时的成桥标高。桥梁在竣工后还要发生后期收缩徐变变形及活载变形。如果没有铺装二期恒载，后期还要发生二期恒载变形。

竣工标高与设计标高的关系可以如下公式表述：

式中：H竣工—桥梁竣工标高；

H二期恒载—桥梁二期恒载产生的变形。

其余符号意义及正负号规定同前。

由于桥梁竣工后的收缩徐变是几年后才完成，所以以桥梁竣工标高来衡量桥梁的线形是比较科学的。

5 实测数据与理论计算对比分析

为保证预应力混凝土结构和钢桁的合龙精度，在跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦钢桁加劲连续梁施工过程中，采用高精度全站仪和精确的测量方法对该桥的测量控制网进行了复测。

界临特大桥跨泉河（45+75+172+75+45）m曲弦钢桁加劲连续梁557～562号墩全桥梁面实测标高与理论值比较如图10所示，每次实测数据除个别与理论相差稍大（均在可调范围之内，施工中进行了及时调整）外，实测数据与线形监控理论计算值的偏差都在10 mm以内，为预应力混凝土梁体的合龙提供了良好的基础，为钢桁的安装提供了有力的保障。