大型桥梁线形控制监测技术应用与研究

张俊仁

(沐城测绘(北京)有限公司, 北京 100102)

0 引言

近些年,伴随高速铁路建设的快速发展,大型桥梁建设也随之空前发展,不仅带动了诸如设计、勘测、施工等相关产业的发展,也促进了沿线城市经济的快速增长。与此同时,大型桥梁建设的施工及运营安全可靠性也逐渐成为社会及管理部门普遍关注的重点问题。

为保证桥梁施工期间的安全可靠及运营期间的行车安全舒畅等,在其施工期间进行过程监测监控,已成为桥梁建设过程中的重要环节[1]。由于成桥的线形与内力受诸如材料性能、立模标高、施工工艺等因素影响[2],若施工过程中桥梁线形控制不严,将会影响正常合龙,甚至给后期运营造成长期隐患。因此,一方面必须在桥梁施工过程中利用测量手段对重要的数据进行采集,及时掌握结构状态,并不断地通过计算修正参数,来调整和控制主梁立模标高及轴线位置[3],最终使成桥后的线形符合设计标准。另一方面由于施工中的各种状况与理想状态下的设计假定往往存在差异,因此还必须对关键控制截面进行应力监测,对比结构实际状况和设计状况的差异,为结构主要计算参数识别提供依据[4]。

1 工程概况

云南新亚美谷物流园铁路专线螳螂江特大桥为两联6跨预应力混凝土连续梁桥,跨径组合为(48+80+51.15)+(51.15+80+48)m。上部结构采用单箱但是直腹板、变高度梁体结构,下部基础均采用灌注桩基础,中支点截面箱梁中心线处高6.0 m,跨中及边跨直行段箱梁中心线处高3.3 m;梁部混凝土为C55;采用三向预应力体系。该桥用挂篮悬臂浇筑施工,共分4个T构对称浇筑,悬臂浇注0～9#共10个梁段,中跨合龙段为2 m,中跨合龙后悬臂浇注部分边跨段,最后为边跨合龙。

2 线形控制监测目的

线形控制监测是通过对墩顶标高、悬臂梁顶面标高、主梁立模标高、主梁顶面高程、对称截面高差、多跨线形通测、结构几何形状等数据采集结合仿真分析、建模计算等过程对在建桥梁结构实施的动态监控过程。根据监测数据分析计算每个节段浇注的立模高度,并预测和调整下一节段的立模高度[5],确保分段施工后的合龙精度及成桥后的线形符合要求。同时在桥梁分段施工中,校核实测应力与理论计算应力符合情况,掌握结构状态,指导和控制参数调整,来确保结构安全[6]。

3 线形控制监测

3.1 主梁线形监测

3.1.1墩顶测点布置

利用桥梁沿线两侧的控制网点,采用全站仪后方交汇法测出线路外预设基点的三维坐标[7]。将该点作为箱梁高程的水准基点并定期联测。

以0#块为例,布设高程观测点来控制底板的设计标高,并作为后续各悬浇节段的高程基准。0#块的顶板共布设6个观测点,为方便梁底标高的获取,在箱梁里侧墩顶横隔板处增设一高程控制点。0#块测点位置如图1，其他块参照0#布置。

图1 0#块高程观测点布设示意图

3.1.2截面测点布置

图2 悬臂前端观测点布设示意图

各梁段的观测点采用预埋方式,布设位置要求便于梁体标高的数据采集及成桥后线形的复测,并采取保护措施。各梁段高程观测点布设在梁段底板前端处,在浇筑过程中采取保护措施。梁段悬臂前端观测点的布设如图2所示,其底板观测点可用来控制梁底标高,亦可对梁段标高进行精确控制。

3.1.3主梁平面线形控制测量

主梁各阶段的平面线形控制测量均在拆模后采用高精度全站仪进行。线形控制测量步骤如下:

(1)主梁各节段的线形观测

在悬浇节段的过程中,每个梁段均在悬臂底板布置测点进行监测。

(2)调整模板标高时测量

监控小组现场对底模进行精确测设,使测设的模板标高与立模标高精确符合,误差不超过、-0～+10 mm。

(3)混凝土浇筑完后测量

在混凝土浇筑完,并且达到测量条件后,将该梁段的2个底板测点与上1个浇筑梁段的梁顶测点联测。

(4)预应力张拉前测量

在混凝土养护时间满足预应力钢筋张拉条件的前半日内,对该梁段2个底板测点进行测量。

(5)预应力张拉后测量

在该梁段预应力张拉完并且模板拆除后半日内对该梁段2个底板测点进行测量。

(6)施工过程现场巡视

在每一道工序现场巡视主梁情况,并做好详细记录,发现异常上报。

(7)多跨线形的通测

为确保全桥线形的协调性,除各跨须满足线形控制要求外,还须对主梁全程线形进行多次通测。

3.1.4施工过程控制精度要求

满足《铁路桥涵工程施工质量验收标准》TB10415的要求,主梁悬臂浇筑时,施工控制精度如下:

(1)立模标高允许偏差:10,-0 mm

(2)梁段轴线偏差≤15 mm;

(3)梁段顶面高程差:±10 mm;

(4)合龙段相对高程差合龙段长的1/100,

≤15 mm;

(5)悬臂梁段高程:-5≤h≤15(mm)。

3.2 主梁应力监测

3.2.1应力监测点布置

鉴于结构的对称性,以变截面梁段为重点监测,监测点布设原则为T构的左右侧交替埋设,分别布设在梁段的顶板中间及腹板外侧钢筋,梁高>4 m的布设3个,梁高<4 m布设2个,监测点均沿纵向布设,测纵向应变。各断面测点布置如图3所示。

图3 梁体断面监测点布置示意图

3.2.2测试仪器

采用预埋振弦式应力计,量测精度控制在±1.0/100(F·S)以内,量程:±1 500 με。

3.2.3测试方式

将待埋设的应力计按测试方向在主筋上固定,并将导线引到箱梁顶面,如图4所示。每个施工节段混凝土浇筑完成并且预应力张拉后,均测试应力。根据施工单位提供的混凝土弹性模量的实验值进行应力计算。

图4 应力传感器布设示意图

4 理论计算分析

4.1 理论计算分析的目的及任务

本案例为大跨度桥梁,施工过程及工序复杂,影响成桥后的线形与受力参数因素较多,包括结构刚度及自重、施工荷载、混凝土收缩徐变、温度等[3]。而在线形控制计算立模标高时,都事先将这些参数假定为理想值。因此施工中可能会存在实际值与设计值不一致的情况,为了降低这种不一致性,在施工过程中需要对影响线形和受力的参数进行现场采集,判定结构状态。同时通过计算,分析每个参数对主梁线形影响程度,进而调整和修正待浇注的主梁立模标高[8]。

因本桥为预应力混凝土连续梁桥,采用分节段逐步完成的悬臂施工方法,施工过程漫长而且复杂,因此在施工过程当中需要对每个阶段进行变形计算和受力分析[1]。为了达到线形控制的目的,首先要依据设计资料对桥梁施工期间的受力及变形进行有限元分析计算,确定每个阶段理想的受力和变形状态,据此指导和控制每个阶段的结构施工,并最终确保成桥后的线形和受力能够符合设计标准。

4.2 有限元模型建立

结构有限元分析的内容有:按照施工既定工序,结合设计基本参数,对结构进行正装、形变分析、控制截面应变、应力及内力计算、结构预拱度计算分析,以确定立模标高[9]。常用的有限元计算软件有MIDAS/Civil、ANSYS和桥梁博士等。

本桥采用有限元计算软件MIDAS/Civil建立有限元计算模型进行分析,将主梁每个节段划分为2个单元,主梁共划分为106个单元。通过模拟该桥的施工过程,预测各施工状态下的受力和理论变形。全桥有限元计算模型如图5所示。

图5 全桥有限元计算模型

根据既定的施工流程模拟本桥的施工过程。结合悬臂浇注施工方法,本桥的主要施工阶段为悬臂施工0#块-9#块,中跨合龙,悬臂浇筑部分边跨段12#和13#块,边跨合龙。每个主梁节段施工分挂篮前移,混凝土浇筑,以及预应力张拉3个阶段。该桥施工过程共划分了43个施工阶段,详细施工过程见表1。

表1 连续梁施工阶段划分

4.3 数据处理

结构计算主要提供如下控制数据:

(1)各施工梁段的计算挠度值

①箱梁结构体自重、预应力及混凝土收缩徐变所引起的悬臂前端挠度值;

②挂篮弹性变形;

③活载挠度值。

(2)各施工梁段的立模标高

本桥作为大跨度连续梁桥,其悬臂施工过程中挠度控制是施工控制的关键[10]。其目的是将计算结果以及各节段实测数据与设计计算结果比对,通过调整梁段预拱度值,确保成桥线形符合设计预期[11]。悬臂浇筑各节段立模标高计算公式如下:

(1)

式中:Hlmi为i节点的立模标高,其中i节点为待浇筑段箱梁底板前端点;Hsji为i节点的设计标高,因设计时提供的是轨底标高,所以各节段梁底的设计标高应按照设计轨底标高和梁高反推出来;∑fdi为i节点在施工过程中由恒载引起的向下的挠度累积值;fli为i节点由静活载所引起的挠度值;fgl为挂篮弹性变形量。

5 线形控制监测结果

5.1 主梁线形

5.1.1合龙后全桥标高

在螳螂江大桥各节段施工监控中,根据实测前期梁段的高程,计算本段梁体施工及后续梁段施工对本段梁体变位的影响,以及本段梁体的立模标高,保证桥梁合龙精度和成桥线型符合设计要求。在每节段主梁施工中,提供了梁段的立模标高,实测了混凝土结硬后及张拉钢束后梁体的标高。以7#墩墩为例,主跨合龙后,在跨中钢束张拉之前全桥梁底高程具体数值见表2。

表2 7#-墩全桥合龙后梁底高程 单位:m

螳螂江大桥合龙后,桥梁梁底的成桥线形与理论标高差值符合成桥线形和桥面高程的设计要求。

5.1.2施工过程中桥梁标高

施工过程中各节段标高和变形数据很多,也不一一列出,以7#墩主要梁段标高和变形为例,变化见表3和表4。

施工过程中,梁底实测标高与理论标高差值大部分控制在2 cm以内,符合设计要求。

表3 7#墩-8号块(边跨侧)实测标高和变形 单位:m

表4 7#墩-8号块(中跨侧) 实测高程和变形 单位:m

5.2 主梁应力

5.2.1合龙后主梁应力

跨中合龙时,以7#墩为例,主桥底、顶板应力实际测试值与理论计算值见表5和表6。

表5 主桥7#墩底板应力 单位:MPa

表6 主桥7#墩顶板应力 单位:MPa

实测主桥底、顶板混凝土未出现拉应力,混凝土无开裂现象。

实测主桥顶、底板混凝土最大压应力小于12.0 MPa,实测与设计的差值指标均满足规范要求,应力实测值与理论计算值符合良好。

5.2.2施工过程主梁应力

因施工过程中测点应力数值太多,仅以8#墩0号块测点随施工阶段变化的情况为例,详见表7。

表7 8#墩-0号块应力随施工过程变化 单位:MPa

实测8#墩0号块顶、底板混凝土均未出现拉应力,混凝土无开裂现象。实测8#墩0号块底、顶板混凝土最大压应力均小于12.0 MPa,满足相应规范要求,应力实测值和理论计算值符合良好。

6 结束语

尽管设计人员在桥梁设计时尽可能考虑了施工中出现的情况,但是由于影响因素太多,事先难以精确估计,因此在施工过程中对梁体结构进行动态监测,并根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整是保证桥梁质量的重要一环[12]。

本案例经理论计算和现场监控验证,各施工工序引起的桥梁变位的实测值和理论值符合良好,各施工阶段高程控制准确,误差在规范允许范围之内,成桥线形流畅,达到线形控制的预期目标。但根据本项目特点,为保证桥梁运营质量,除施工过程的监测监控外,后期还应进行静动载实验及运营阶段的状态监测。同时根据后期监测资料分析研究混凝土收缩徐变对本桥的影响程度,为今后同类型桥梁提供借鉴资料。