大跨径预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工线形控制分析

2021-12-11于松波

黑龙江交通科技 2021年11期

于松波

(陕西高速公路工程咨询有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥因其结构形式简单、受力合理、适应性强等原因在很多桥梁建设中得到应用。但在施工过程要确保桥梁线形和结构受力满足设计与规范要求，因为施工环境和桥梁本身特点的不同，影响桥梁线形和结构受力的因素复杂多变，应对桥梁施工过程开展桥梁线形和结构受力等内容的研究分析，以确保桥梁线形顺畅稳定和结构安全。

1 工程概况

连霍高速西宝高速公路改扩建项目凉泉村大桥为预应力混凝土连续刚构桥，桥梁全长336 m，主桥上部结构为(65+120+65)m三跨预应力混凝土刚构连续梁，由单箱单室变截面组成。箱梁根部高度7.2 m，跨中梁高3.0 m，期间梁高按1.8次抛物线变化，箱梁顶板宽15.9 m，底板宽8.4 m，顶板厚0.32 m，底板厚由跨中跨中0.32 m按1.8次抛物线变化至根部0.9 m，腹板厚跨中段为0.55 m，根部变为0.70 m，渐变段长4.0 m。

桥墩顶部范围内箱梁顶板厚0.50 m，底板2#墩顶厚1.20 m，3#墩顶厚1.5 m，腹板厚0.90 m，桥面横坡采用不同腹板高度予以调整。主桥箱梁除墩顶快件外，各单“T”箱梁均采用挂篮悬臂浇筑法施工，分14对梁段。桥墩墩顶快件长12.0 m，中孔合龙段长2.0m，边孔现浇段长3.8 9m，边孔合龙段长2.0 m。主梁采用纵、横、竖向三向预应力体系，该桥通过自适应控制法进行桥梁施工监控。

2 桥梁线形有限元分析

2.1 计算模型建立

为简化计算，采用平面杆系简化模拟(65+120+65)m的桥梁主桥结构，建立MIDAS/CIVIL(V8.2.1)三维计算模型，共分为94个单元，其中主梁82个单元，桥墩12个单元。边界条件为：2#墩梁固结，3#墩采用支座连接，墩底刚接，不考虑桩基变形。考虑混凝土5年的收缩徐变影响，将建设期间最低的早晨温度作为模拟计算温度，不考虑梁体内温度梯度变化的影响。主桥为横向、纵向、竖向三向预应力体系，在模拟计算时只考虑纵向预应力，忽略计算竖向、横向及普通钢筋的影响。整个模拟过程一共包含78个施工阶段、1个运营阶段，合拢顺序为先边跨后中跨，采用正装分析法进行计算分析。计算参数按照实际设计参数选取，计算模型如图1，图2，图3所示。

图1 悬浇施工阶段三维数值模型

图2 大里程边跨合龙阶段三维数值模型

图3 小里程边跨、中跨合龙阶段三维数值模型

2.2 桥梁结构变形分析

桥梁悬臂施工过程中主要控制的结构变形阶段为：最大悬臂阶段、顺利合龙后及成桥，三个阶段的最大结构变形直接决定着桥梁线形是否满足设计要求。

通过仿真模拟分析，得出三阶段情况下桥梁结构累计变形规律见图4。结合数值分析结果和大量工程实践，通过对凉泉村大桥进行验算，该桥边跨的成桥预拱度设置为20 mm，预拱度最大值设置在活荷载影响下的最大挠度截面处(距梁端20 m)，在各跨中位置的成桥预拱度设置为80 mm。各孔预拱度按余弦曲线在孔内其他点分配，各测点预设预拱度值见图5所示。

注：带“’”号块为边跨方向，不带“’”号块为中跨方向图4 预应力连续刚构桥结构累计变形图

图5 各测点预设预拱度

3 桥梁施工线形控制

3.1 立模标高确定

在预应力连续刚构桥悬臂施工过程，通过设定立模标高来控制桥梁线形，实时监测控制结构标高，确保桥梁线形满足施工要求，立模标高计算见式(1)

Hlm=Hsg+Hypg+Hgl

(1)

式中：Hlm为立模标高，m；Hsg为设计标高，m；Hypg为理论预拱度值，m；Hgl为挂篮变形值，m。

通过模拟计算的理论预拱度值和挂篮静载试验得到全桥立模标高，本文仅对个别截面立模标高予以列出，见表1。

表1 全桥立模标高

3.2 现场施工监测

科学可靠的监测成果是达到最优控制的基础条件，高程观测的数据成果用来对成桥线形进行实时监控。凉泉村大桥各悬臂施工梁段变形观测点布置如图6所示，在每一个悬臂浇筑箱梁节段顶板各布设3个测点，观测点沿箱梁中线对称布设，测点距节段前端面20 cm。悬浇箱梁节段的变形观测点不仅是控制箱梁中线平面位置的观测点，同时也是箱梁的标高控制点、挠度变形观测点。

为最大可能的避免温度的影响，桥梁结构的挠度观测应在太阳未出来之前的早晨进行。在监测过程中，混凝土浇筑后、预应力张拉后、合龙前后各阶段各工况的挠度监测是重点。

图6 悬浇阶段变形观测点布置示意图

(1)桥梁线形监测结果分析

梁体结构变形随着施工的进行，因受各种因素的影响而处于不断变化状态。对桥梁线形监测取得的数据进行分析总结，得出的实测变形规律与数值模拟理论值进行对比分析，依此对桥梁施工进行信息化指导，确保桥梁线形符合设计要求。由于本文篇幅有限，本章只给出悬臂浇筑完成后和合龙后的梁体挠度变化规律。

悬臂阶段挠度监测分析

悬臂阶段施工结束进行高程量测，测出的高程与裸梁设计高程相比，得出各位置实测挠度与理论挠度之差，详见表2。

表2 凉泉村大桥悬臂施工观测成果表

由表2分析可知，凉泉村大桥悬臂施工最大挠度误差为13 mm，位于右幅1#～2#悬臂阶段，满足精度±15 mm的要求。

(2)合龙阶段挠度监测分析

对悬臂结构出凉泉村大桥合龙后裸梁高程控制结果详见表3、表4。

表3 凉泉村大桥左幅合龙后裸梁高程控制结果

表4 凉泉村大桥右幅合龙后裸梁高程控制结果

由表3，表4可以看出，凉泉村大桥主桥合龙之后裸梁顶实测标高和期望预抛高之间的最大正误差：16mm，误差值小于规范要求值。主要原因是箱梁顶板混凝土收面时控制不严格，造成局部梁段顶板厚度不均匀所致。总体而言，该桥裸梁梁顶线形满足期望值(误差小于20mm)，主桥悬浇箱梁未出现明显的线形不顺畅现象，线形控制良好。

(3)成桥监控结果分析

在主桥主梁合龙后，对裸梁标高进行了联测，根据实测标高并兼顾通车运营舒适性，参考同类高速公路桥梁经验，对凉泉村大桥桥面施工标高进行了重新拟合，给出了大桥铺装层施工时的控制标高，凉泉村大桥拟合线形如图7，图8所示。

图7 左幅拟合线形

图8 右幅拟合线形

分析图7、图8的桥梁线形监控结果可知，进行实测标高时设置了结构的预拱度，比设计标高要高，同时与理想预拱度十分接近。由理论分析可知，预应力损失、砼收缩徐变等因素的影响作用下，桥梁在通车后随着时间的推进，其跨中截面将会发生下挠现象，该现象恰好与成桥线形和设计线形的偏差相反，将会使悬臂施工的桥梁成桥线形与设计线形更加吻合。故凉泉村大桥的线形控制满足施工及成桥后运营适用性的要求。