预应力环境下混凝土曲线连续刚构形式桥梁悬灌施工中线型操控要点
浏览 发布时间 2015-6-17 14:54:46
近年来，在社会经济的不断发展下，我国的科技水平、工程技术水平得到了大幅提升，同时也带动了公路、铁路桥梁建设的发展，各种现代化的公路桥、铁路桥、跨江大桥不断涌现。受线形要求及地形所限，不少桥梁都应用了曲线钢构形式，曲线桥梁比直线桥梁的受力更为复杂，其受力状况在不同施工阶段会产生较大差异，所以有必要对曲线连续钢构形式桥梁施工中的线型控制方法做进一步研究。
1· 曲线连续刚构形式桥梁的悬灌施工特点
对于采用悬灌法施工的曲线连续钢构形式桥梁，主要具有以下特点：一是在施工过程中，结构空间位置会不断发生变化，悬臂的不断伸长，会使梁的结构扭转变形、根部扭矩不断加大，使内力变得越来越复杂。在对这类桥梁进行设计时，需要同时考虑前期结构和后期结构的受力状况；二是温度变化、徐变、混凝土收缩等都会对结构变形及内力产生不容忽视的影响，从而在施工过程中难以精确把握梁体各部位的应力状况；三是悬灌施工过程中，正确控制各段线型，是保障桥梁成功建成的重要前提。
2· 工程概况
Y 高速公路曲线桥梁主梁采用了单箱单室变高度、变截面，桥梁曲线变化为1 .7 次抛物线，高度从6 . 0 m（墩中心）到2 . 5 m（跨中）进行变化，桥墩为双薄壁柔性墩柱。翼缘板悬臂长2 m，箱梁顶的宽度为1 2 . 2 m，箱梁的受力来自3个方向（竖向、横向、纵向）。桥体平面位于直线、圆曲线、缓和曲线。桥梁的荷载设计为：挂车1 2 0、汽车超2 0 级。施工方法：桥梁上部结构进行悬灌施工，现浇段长9 m，零号块长18 m，悬臂段共18节，总长为6 5. 0 m（11×4 . 0 +7×3 . 0），合龙段长2 m，支架施工梁段有1号和0号。纵向预应力束方法采用两端张拉法。梁段施工流程为：移动挂篮—立模板—绑扎钢筋—浇筑混凝土—张拉预应力钢绞线—移动挂篮，循环操作。在对合龙段进行施工时，首先合龙边跨，再合龙中跨。
3· 主梁的应力控制及线形计算
3.1 建立仿真计算模型
曲线桥梁在弯扭耦合效应作用下，梁体截面可出现扭转畸变、翘曲。当预应力箱梁壁较厚且梁宽度和跨度比值较小时，满足一定精度条件，就可在分析过程中忽略畸变、翘曲效应，从而简化实际操作。根据工程实际情况，可建立如下有限元模型：
(1)划分施工阶段
在本工程中，采用了悬灌法进行施工，施工过程中使用了临时支撑。计算过程中，不仅要设计永久支座，还要设计用以模拟施工中所用的临时支撑的临时竖向约束。在Y桥梁中，划分出的施工阶段共有2 0个，运营阶段1个，以对应实际施工状态。首先在支架上对0号、1号块进行现浇，张拉顶板预应力束；然后依次对2号到18号梁段进行悬灌施工，同时张拉顶板预应力束；再对边跨梁段进行现浇，在边跨合龙段安装刚性骨架，然后对边跨合龙段进行浇筑，按照“先长束后短束”的顺序对边跨底板束进行张拉，合龙边跨；最后对中跨合拢段进行浇筑，“先长束、后短束”对中跨底板束进行张拉，然后将中跨合拢段挂篮拆除，对桥面系进行施工，最后进入运营阶段。
(2)构建计算模型
在对Y桥梁做仿真计算时，首先进行结构简化，将主梁结构根据施工阶段离散为2 3 7个梁单元和2 37个节点。以预应力钢束模拟预应力钢筋，梁与墩、桩基与承台均进行刚性连接。
3.2 施工控制方法
施工控制主要包括监测和监控两方面。监测是指将传感器等部件埋设在主梁等部位中，用以获取相关数据；监控是在监测基础上，使用软件程序对数据进行分析、处理，从而获得相邻阶段参数。在Y桥梁工程中，施工控制选用了自适应控制法，也就是通过对比、分析施工过程中的标高、内力预计值和实测值，找出二者间发生误差的原因，然后调整、识别参数，确定下一施工阶段的标高，以达到控制位移和内力的目的。
3.3 线型控制、确定立模标高
曲线桥梁在悬灌施工过程中，要在每个施工梁段前端设置一个标高观测点，以测试主梁标高变化，依据施工控制分析结果、监测数据对立模标高进行调整，从而使建成后的桥梁线形符合设计要求。在每块箱梁前端设置一个观测点（一根长度10 0 m m、直径15 m m的钢筋），用以监测挠度。根据设计要求，观测点应埋设在箱梁底板顶面和翼缘板悬臂端，以确保观测点的稳定性和准确性。
图一 应力测点、变形测点布置监控主梁竖向变形，最常用的方法就是对立模标高进行调整。由于建成后的实际标高与立模标高会有一定偏差，所以在施工中需要通过设置预拱度来抵消变形，故需要进行相应的计算，得出各阶段挠度，确定标高。在施工过程了，为了确保同一跨径内2个需合龙的悬臂端位于同一水平线，可根据如下公式进行计算：
Hn=h n-1+b +f n+h n
其中H n：n梁段的立模标高；h n ：n 截面设计标高；f n：截面的计算挠度；b：实测挂篮弹性挠度；h n-1：n-1截面的实测标高与（调整值+设计标高）的差值。
4· 施工控制效果
施工监控结果显示，本工程主梁中跨合拢精度达到7 m m，边跨合龙精度达到4 m m 和6 m m，均小于规定的合龙精度要求（15 m m），合龙后的桥梁线形与预测线形吻合度较高，监控效果良好。在内力方面，监控程序计算结果与测试结果误差< 2 5%，实测截面应力，除个别测点外，大部分实测应力都比计算大10 %～2 0 % ,所有测试截面全截面受压。内力监测结果显示，随施工进展直到全桥顺利合龙，所监测的截面内力变化比较均匀，在整个施工阶段中，测试截面内力没有出现异常和突变等情况。
1· 曲线连续刚构形式桥梁的悬灌施工特点
对于采用悬灌法施工的曲线连续钢构形式桥梁，主要具有以下特点：一是在施工过程中，结构空间位置会不断发生变化，悬臂的不断伸长，会使梁的结构扭转变形、根部扭矩不断加大，使内力变得越来越复杂。在对这类桥梁进行设计时，需要同时考虑前期结构和后期结构的受力状况；二是温度变化、徐变、混凝土收缩等都会对结构变形及内力产生不容忽视的影响，从而在施工过程中难以精确把握梁体各部位的应力状况；三是悬灌施工过程中，正确控制各段线型，是保障桥梁成功建成的重要前提。
2· 工程概况
Y 高速公路曲线桥梁主梁采用了单箱单室变高度、变截面，桥梁曲线变化为1 .7 次抛物线，高度从6 . 0 m（墩中心）到2 . 5 m（跨中）进行变化，桥墩为双薄壁柔性墩柱。翼缘板悬臂长2 m，箱梁顶的宽度为1 2 . 2 m，箱梁的受力来自3个方向（竖向、横向、纵向）。桥体平面位于直线、圆曲线、缓和曲线。桥梁的荷载设计为：挂车1 2 0、汽车超2 0 级。施工方法：桥梁上部结构进行悬灌施工，现浇段长9 m，零号块长18 m，悬臂段共18节，总长为6 5. 0 m（11×4 . 0 +7×3 . 0），合龙段长2 m，支架施工梁段有1号和0号。纵向预应力束方法采用两端张拉法。梁段施工流程为：移动挂篮—立模板—绑扎钢筋—浇筑混凝土—张拉预应力钢绞线—移动挂篮，循环操作。在对合龙段进行施工时，首先合龙边跨，再合龙中跨。
3· 主梁的应力控制及线形计算
3.1 建立仿真计算模型
曲线桥梁在弯扭耦合效应作用下，梁体截面可出现扭转畸变、翘曲。当预应力箱梁壁较厚且梁宽度和跨度比值较小时，满足一定精度条件，就可在分析过程中忽略畸变、翘曲效应，从而简化实际操作。根据工程实际情况，可建立如下有限元模型：
(1)划分施工阶段
在本工程中，采用了悬灌法进行施工，施工过程中使用了临时支撑。计算过程中，不仅要设计永久支座，还要设计用以模拟施工中所用的临时支撑的临时竖向约束。在Y桥梁中，划分出的施工阶段共有2 0个，运营阶段1个，以对应实际施工状态。首先在支架上对0号、1号块进行现浇，张拉顶板预应力束；然后依次对2号到18号梁段进行悬灌施工，同时张拉顶板预应力束；再对边跨梁段进行现浇，在边跨合龙段安装刚性骨架，然后对边跨合龙段进行浇筑，按照“先长束后短束”的顺序对边跨底板束进行张拉，合龙边跨；最后对中跨合拢段进行浇筑，“先长束、后短束”对中跨底板束进行张拉，然后将中跨合拢段挂篮拆除，对桥面系进行施工，最后进入运营阶段。
(2)构建计算模型
在对Y桥梁做仿真计算时，首先进行结构简化，将主梁结构根据施工阶段离散为2 3 7个梁单元和2 37个节点。以预应力钢束模拟预应力钢筋，梁与墩、桩基与承台均进行刚性连接。
3.2 施工控制方法
施工控制主要包括监测和监控两方面。监测是指将传感器等部件埋设在主梁等部位中，用以获取相关数据；监控是在监测基础上，使用软件程序对数据进行分析、处理，从而获得相邻阶段参数。在Y桥梁工程中，施工控制选用了自适应控制法，也就是通过对比、分析施工过程中的标高、内力预计值和实测值，找出二者间发生误差的原因，然后调整、识别参数，确定下一施工阶段的标高，以达到控制位移和内力的目的。
3.3 线型控制、确定立模标高
曲线桥梁在悬灌施工过程中，要在每个施工梁段前端设置一个标高观测点，以测试主梁标高变化，依据施工控制分析结果、监测数据对立模标高进行调整，从而使建成后的桥梁线形符合设计要求。在每块箱梁前端设置一个观测点（一根长度10 0 m m、直径15 m m的钢筋），用以监测挠度。根据设计要求，观测点应埋设在箱梁底板顶面和翼缘板悬臂端，以确保观测点的稳定性和准确性。
图一 应力测点、变形测点布置监控主梁竖向变形，最常用的方法就是对立模标高进行调整。由于建成后的实际标高与立模标高会有一定偏差，所以在施工中需要通过设置预拱度来抵消变形，故需要进行相应的计算，得出各阶段挠度，确定标高。在施工过程了，为了确保同一跨径内2个需合龙的悬臂端位于同一水平线，可根据如下公式进行计算：
Hn=h n-1+b +f n+h n
其中H n：n梁段的立模标高；h n ：n 截面设计标高；f n：截面的计算挠度；b：实测挂篮弹性挠度；h n-1：n-1截面的实测标高与（调整值+设计标高）的差值。
4· 施工控制效果
施工监控结果显示，本工程主梁中跨合拢精度达到7 m m，边跨合龙精度达到4 m m 和6 m m，均小于规定的合龙精度要求（15 m m），合龙后的桥梁线形与预测线形吻合度较高，监控效果良好。在内力方面，监控程序计算结果与测试结果误差< 2 5%，实测截面应力，除个别测点外，大部分实测应力都比计算大10 %～2 0 % ,所有测试截面全截面受压。内力监测结果显示，随施工进展直到全桥顺利合龙，所监测的截面内力变化比较均匀，在整个施工阶段中，测试截面内力没有出现异常和突变等情况。
上一个：爬模施工工艺在桥梁高墩施工中的应用
下一个：我国爬模技术发展历程与技术进步
