基于高墩大跨连续刚构桥悬臂挂篮施工线形控制研究

刘锡良

(浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

山区桥梁中，预应力混凝土连续刚构桥是最为常见的一种桥型[1]，通常采用对称悬臂浇筑法对其上部结构进行施工。对于高墩大跨径连续刚构桥而言，施工阶段和成型阶段各种复杂原因的作用下，桥梁成桥线形都会产生一定程度的变形。桥跨弯曲变形的问题不仅影响桥梁表面质量和作业完成，还制约着桥梁受力结构与运营状态。所以，桥梁施工的线形控制已成为必须面对且解决的问题[2-6]。李国平等[7]将现代计算机控制相关理论应用于大跨连续梁桥线形施工领域，提出一种最优控制的方法，桥梁施工期间成桥线形和运营状态得到最佳控制。考虑实际施工现场各方面影响因素，选取控制状态与变量、目标函数、确定最优实施线形曲线等，其研究理论与方法在桥梁施工中收到了不错的验证。马显红等[8]以某一施工大桥作为研究对象，从混凝土弹性模量、预应力参数、温度荷载等几个方面分析对该桥梁施工控制精度的影响，搭建桥梁悬臂挂篮线形控制的数学分析模型。庄绪杰[9]通过使用midas Civil仿真软件对张家洞大桥施工阶段和成形阶段进行线形和非线形稳定分析，分析墩混凝土强度等级、横隔板的厚度及位置、风荷载等因素对研究桥梁高墩稳定性的影响。

1 大跨径连续桥悬臂挂篮施工线形控制

1.1 大跨径连续桥悬臂挂篮施工过程计算分析方法

将衢州特大桥作为工程依托，大跨径连续桥梁在悬臂挂篮施工过程可利用midas Civil仿真软件，进行线形、稳定性等一系列分析，完成悬臂挂篮施工的线形控制仿真[10，11]。目前对桥梁施工结构变形和受力分析计算方法，主要分为正装计算法与倒装计算法，正装计算法即按照悬臂挂篮施工的作业顺序进行结构变形及受力分析，而倒装计算法则是按照悬臂挂篮施工的作业，倒拆顺序分析不同阶段的结构变形及受力情况[2，3]。使用正装计算法和倒装计算法的分析方法都假定一定的理想状态，且都各有千秋。使用正装计算法结构分析时，前提是荷载与位移处于理想状态，而现实作业环境里，节点坐标跟着荷载变化不断改变，如果只是使用正装计算分析，则不能达到线形控制的效果。采用倒装计算法对桥梁结构进行分析时，没有考虑混凝土收缩的影响，也不能很好达到线形控制的目的[12]。因此在悬臂挂篮施工过程中，为了有效实现线形控制的效果，且满足图纸要求，取Hyjn=H1mm-fgi+fn作为主梁的初始标高；使用正装计算法把初始标高作为初始点进行结构和力学变形的研究。实际上，由于非线形的影响，计算结果往往不收敛，正装计算法不可能一次满足设计要求，需重复新一轮的正装计算步骤，直至计算结果收敛闭合，满足设计要求。

1.2 成桥预拱度设置

(1)

1.3 施工现场监测

为确保现场挠度监测数据准确可靠，应选用测量精度高的水准仪，观测时在主桥连续梁截面处选择5个高程观测点，将4个观测点安装在模板表面，调控立模的位置与标高[17]。3个安装于梁顶表面，采集施工过程中梁体的位移数据，通过调整模板的标高预抬升量，从而能够达到梁体高程监测的目的，现场高程观测挠度位置布置图见图1。

图1 高程观测位置布置图

图1中，n1、n2、n3、ns表示立模控制监测点，其中n1、n2是监测调整底模的位置与标高，n3、n5是监测调整顶模的位置与标高的调整，通过全站仪监测调整立模的位置与标高；n3、n4、n5三处位置则观测桥梁施工期间的结构变形情况。在桥梁施工过程中，观测混凝土预应力张拉前后高程、浇筑前后高程的测试数据，可以实时采集不同截面施工结构变形数据与追踪桥梁曲线变化情况，让箱梁悬臂端的合龙精度与桥面线形时刻满足设计需求。此外，在作业现场采集数据应当谨记规章事项：作业时需注意将平衡施工作为第一原则，避免因作业荷载与桥面杂物失衡导致数据不准确影响最终结论[19]。数据的采集应在作业当日早晨日出前实施，严禁在恶劣天气环境下采集数据。

1.4 立模标高的确定

对高墩大跨连续刚构桥悬臂挂篮施工时，在某些范围内，不同梁段立模标高取值正确与否直接制约主梁设计达标程度、线形平稳性。设置一定范围的逆向拱度，减少完工后所出现的挠度变形，因此，桥梁的立模标高和设计标高会有一些范围的偏差。确定立模标高应考虑多种因素的影响，为了减缓施工过程中发生的结构变形问题，提前设置逆向拱度。按照以下公式确定

h1mn=Hsjn+∑f1n+∑f2n+f3n+f4n+fgl

(2)

式中:H1mn表示n节点立模标高；Hsjn表示n节点设计标高；∑f1n、∑f2n分别表示n节点中各个节点自重以及张拉各个单元预应力形成的总挠度；f3n、f4n分别表示n节点混凝土收缩、渐变形成以及施工过程中临时荷载形成的总挠度；fgi为悬臂挂篮载荷形成的挠度，可按照挂篮载荷-挠度曲线查找得到。而∑f1n+∑f2n+f3n+f4n之和即倒装计算输出结果中的预拱度，因此可由公式(3)及公式(4)得到预期标高Hyjn。

H1mn=Hsjn+fgl·

(3)

Hyjn=H1mn-fgl+fn·

(4)

式中:Hyjn为预期标高；fn为块件浇筑后n节点的挠度。

悬臂挂篮施工产生的挠度一般分为阶段挠度与累计挠度。阶段挠度即某工序对施工过程产生的挠度，减缓混凝土收缩徐变对桥梁结构的影响。累计挠度即工程开始一定阶段，桥梁结构变形和受力产生的总挠度，随着时间加长，混凝土收缩徐变将逐渐加大，这是制约桥梁线形结构控制的重要因素。当施工过程中正确取值最大预拱度、立模标高等参数，则产生的挠度变形数据就可以理论计算得到并有效控制挠度范围。通过对累计挠度进行对比研究，修订混凝土收缩徐变取值范围，从而累计挠度的参数模型满足图纸要求。施工监测过程中对各个施工环节、节点均进行了跟踪测量，实时分析研究桥梁结构在各施工工况下的实际变形情况，同时比较分析理论计算数值，以便对误差得到反馈控制。

2 实验结果分析

2.1 大桥悬臂挂篮施工线形控制

衢州特大桥位于水库下游约3.4 km处跨越江面，交叉角度接近正交，江面为不通航河流，桥位位于该镇之间，有通往水库的道路可直接到达桥位处。桥梁上部采用预应力混凝土连续T梁+预应力混凝土连续刚构箱梁组合的设计结构，引桥下部结构采用柱式墩、Y型墩配钻孔桩基础，主桥下部结构为薄壁空心墩配桩基础组合的设计结构，上部结构全长540 m，跨径布置为5×30 m(预应力混凝土连续T梁)+85 m(连续刚构)+160 m(连续刚构)+85 m(连续刚构)+2×30 m(预应力混凝土连续T梁)。研究对象左线沾益方向引桥位于曲率R=1 250 m的平曲线、回旋线长150 m末端(占回旋线长度为95.467 m)，主桥及会泽方向引桥均为直线段，纵坡为-2%；右线沾益方向引桥位于曲率R=1 100 m的平曲线、回旋线长150 m末端(占回旋线长度为93.529 m)，主桥及会泽方向引桥均为直线段，纵坡为-2%。对所研究的大桥悬臂挂篮施工进行线形控制，依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTC D60-2015》，对计算模型的参数进行取值计算：由该公路设计计算报告可知，①公路荷载等级为：公路—I级；②车道系数为：二(三)车道；③中跨活载最大挠度为：d2=2.18 cm。

故此可由公式(5)计算出中跨最大预拱度

=0.1 m+0.021 8 m2=0.110 9 m

(5)

由公式(5)计算可得中跨预拱度为110 mm，边跨预拱度一般为中跨最大预拱度的25%，则该大桥边跨预拱度取值29.8 mm，桥梁其他坐标点的预拱度按照式(1)计算得到，将预拱度数据与桥梁坐标点关系表示为曲线关系图。

2.2 施工线形控制结果和分析

研究对象桥梁有3个跨、4个墩，对桥梁主跨的6#和7#墩采集桥梁施工张拉后高程和浇筑后高程数据为研究对象，由公式(2)～(4)可计算得到桥梁预期标高，即为本工程中的设计高程，对浇筑完成的桥梁工程进行数据监测，并将监测的数据整理可得表1、表2。

如表1、表2所示，从以上两个表格数据里，上半部分数值对应左侧顶板测试结果，下半部分数据对应右侧顶板测试结果。浇筑混凝土和张拉预应力产生的结构变形基本一致，分析得出以下结论。

表1 6#墩大里程方向顶板测试数据

表2 7#墩大里程方向顶板测试数据

(1)6#墩左侧与7#墩右侧的波动范围基本一致，张拉后与设计高程差值最大是10.0 mm，浇筑后与设计高程差值最大为15 mm，都在设计图纸可控范围内，表示该实例施工线形控制确定影响参数数据实际情况符合。

(2)6#墩右侧与7#墩左侧的波动范围基本一致，随着悬臂节段慢慢加大，混凝土浇筑后高程、张拉后高程和设计标高之间的差值也逐渐增加，然而最大差值数据仍在设计图纸可控范围内。

(3)从表1、表2顶板数据对比分析，当张拉后梁段标高明显提高，桥梁起拱度相应变化。从监测数据看出，最大预抬值为10.0 mm，施工后期阶段合拢后该大桥标高有所减少。施工过程中采集监测梁段标高对应数据正确有效，按照测试数据采取相关措施，进行悬臂挂篮施工的线形控制。

3 结 论

针对目前桥梁施工现状，提出一种大桥悬臂挂篮施工线形控制方法。采用正装计算方法迭代计算施工桥梁的初始标高，从理论分析如何设置悬臂挂篮过程成桥预拱度、立模标高等参数数值，施工过程中采取测量精度高的测量仪器采集桥梁的挠度数据，分析衢州特大桥实例施工张拉后高程和浇筑后高程数据后表明，所提施工线行控制方法控制效果好。