连续梁施工控制

　　[摘要]本文结合桥墩特大桥施工控制分析，介绍了施工控制的基本理论、实施过程和分析方法，并给出了施工控制的主要成果，为同类桥梁的施工控制提供参考价值。
　　[关键词]连续箱梁桥，施工控制，线形控制
　　
　　1工程概况
　　新建客运专线铁路温福线（浙江段）Ⅱ标段内桥墩特大桥位于浙江省苍南县桥墩镇，主桥设计桥型为（64.7+108+64.7）m三跨变截面预应力混凝土连续箱梁,桥型总体布置的立面图如图1所示。主梁采用单箱单室直腹板箱型断面，箱梁断面顶板宽13.0m，底板宽7.0m，箱梁两侧悬臂板长3.0m。中支点处梁高7.5m，端部直线段及合拢段梁高4.5m。梁底按半径443.5m的圆曲线过渡变化，顶板厚37cm，腹板厚从40cm变化至90cm，根部局部加厚至130cm，底板从46cm变化至97.1cm，根部局部加厚至150cm。箱梁在中支点处设置2.4m厚的横隔板，梁端支座处设置厚1.4m的端横隔板，中跨合拢段设置厚0.6m的中横隔板。
　　主梁共分57个梁段，中支点A0号块长度13m，一般梁段长度分成3.0m、3.5m、4.0m，合拢段2.0m。箱梁采用纵向、横向、竖向三向预应力体系，采用挂篮悬臂浇筑法施工，边孔不平衡梁段在支架上现浇施工，其间经过逐段立模浇筑混凝土节段、分批张拉预应力钢束、转换结构受力体系及逐跨合拢，最终形成连续结构。
　　连续梁桥是多次超静定体系，施工过程中各种复杂的因素都可能引起结构的几何形状及内力状况的改变。由于施工过程的复杂性，很难事先精确估计结构的实际状态。本桥为保证合拢时两悬臂端竖向挠度的偏差不超过容许范围以及合拢后桥梁线形满足设计线形要求，须在施工过程中对该桥的梁体线形及应力进行监控。
　　
　　图1桥墩特大桥桥型布置图（单位：）
　　2施工控制的基本理论
　　2.1自适应控制理论
　　影响预应力混凝土桥梁施工过程中结构线形及内力的因素主要有混凝土的弹性模量，浇筑混凝土超方量，混凝土收缩、徐变，桥梁施工临时荷载，挂篮的变形特性，预应力束张拉误差等。当上述因素与设计不符，而又不能及时识别引起控制目标偏离的真正原因时，必然导致在以后阶段的悬臂施工中采用错误的纠偏措施，引起误差积累。要得到比较准确的控制调整量，必须根据施工中实测到的结构反应修正计算模型中的这些参数值。当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输入到参数识别算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果相一致。得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，这样，经过几个工况的反复辨识，计算模型基本上与实际结构一致，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。图2为自适应系统的构成。
　　
　　图2自适应系统的构成
　　对于采用悬臂拼装或悬臂浇筑的桥梁，主梁在墩顶处的相对线刚度较大，变形较小，因此，在控制初期，参数不准确带来的误差对全桥线形的影响较小，这对于自适应控制思路的应用是非常有利的。经过几个节段的施工后，计算参数已得到修正，为跨中变形较大的节段的施工控制创造了良好的条件。
　　2.2立模标高的确定
　　挂篮定位标高的控制点选择在待施工箱梁节段底板前端处的底模上，由下式计算得到：
　　
　　式中：－挂篮的定位标高；
　　－梁底设计标高；
　　－倒退分析计算得到的预拱度；
　　－挂篮的弹性变形；
　　－待施工梁段的控制线形与设计标高的差值。
　　3施工控制的实施
　　施工控制是一个预告→施工→量测→识别→修正→预告的循环过程，其技术流程如图3所示。下面主要讨论技术流程中的一些重要环节。
　　3.1前期结构分析计算
　　在设计图纸的基础上，采用各参数的理论值（按规范规定或经验取值），通过有限元分析程序，用倒退分析的方法得出块件施工时相对于设计标高的预抛高，并得出各节段的施工阶段应力。
　　3.2测量
　　为了获得桥梁施工中的实际状态，须对主梁进行标高测量：纵桥向每施工节段设一测量截面，每测量截面布置两个测点测一节段施工的挂篮定位、浇筑混凝土、张拉预应力等施工环节均进行标高测量。另外须进行墩顶水平位移测量：墩顶设两个测点，每一施工节段浇筑混凝土前后均进行墩顶位移测量，以监测主墩的水平位移情况。
　　结构变形的测量方法如下：
　　为正确反映桥梁施工的变位，把梁底标高作为施工控制的目标。每节段变位监测点从梁底测点经腹板引到桥面。挂篮定位标高按梁底待浇节段的最前沿横截面上的测点定位，浇完混凝土后，通过测量梁顶预埋的钢筋头的标高与此时对应的梁底标高，建立梁底与梁顶测点的标高关系，这样已浇梁段的梁底标高可通过梁顶标高的测量值反馈出来。

　　图3施工控制技术流程
　　为消除日照温差对梁体变位的影响，可采用以下的方法：
　　a.以上各项测量工作须安排在清晨日出前进行，可不计日照温差的影响。
　　b.当测量工作不能全部安排在清晨进行时，须对测量数据进行日照温差修正。从积累的施工控制经验看，由于日照温度场不易在有限元计算中模拟，所以实践中以采用根据实测数据进行实时修正的方法为主；选择有代表性的节段在典型天气时对箱梁进行24h跟踪测量，得出箱梁变位与测量时间的关系，并在测量数据中予以修正。
　　3.3修改设计参数
　　在获得测量数据后，对比其与理论计算值的差别，采用分离变量法可识别出各参数的真实值。在本桥的施工控制中，取定主梁混凝土箱梁抗弯刚度、节段重量与预应力束张拉力为待识别的参数。具体识别方法为：在施工第n号节段时，由挂篮移位的梁体变位实测值与理论计算值的差别，可识别出第n-1号节段的弹性模量的真实值；同样，由浇筑混凝土时的变位值可识别出第n号节段的重量；由预应力束张拉时的变位值可识别出第n号节段对应的预应力束张拉力。在识别出各参数后，须及时将它们反映在有限元计算中，以获得修正的下一节段的挂篮定位预抛高。
　　3.4挂篮变形值的确定
　　挂篮体系的变形一般是由挂篮体系在混凝土重量作用下的弹性变形及挂篮系统各连接杆件因松动而引起的非弹性变形组成的。挂篮结构内部的非弹性变形可在挂篮组装完毕后通过挂篮预压试验消除其影响。对于挂篮体系的弹性变形，一般可以通过空间有限元杆系程序近似地计算悬臂浇筑各节段作用下的挂篮变形，然后可以绘制挂篮弹性变形与节段重量的关系曲线。另外，从挂篮预压资料中可以了解挂篮在模拟荷载作用从加载到卸载的过程挂篮体系的弹性变形和非弹性变形，这对于悬臂浇筑过程中挂篮变形的确定有一定的参考意义。
　　3.5控制线形的修缮
　　在施工过程中，由于结构实际情况与理论计算的差异以及挂篮定位标高放样的偏差，必将导致已建部分在成桥时呈现的线形曲线出现不能消除的误差。如果不顾及这种误差继续以后节段的施工，可以造成全桥的线形反折突然，波动较大。鉴于这种情况，须对未施工节段的控制线形作出修改。在最优成桥线形控制计算中，为了减少突然大幅度的线形曲线波动，改善成桥线形曲线的光滑、平顺性，以桥面竖曲线作为基准线，将未建结构部分的设计线形曲线作图4的修改，即在已建结构悬臂端连以直线。
　　
　　图4设计线形曲线的修缮
　　上图修改的设计线形曲线，实际上是不能直接作为未建结构施工放样曲线的，尚应考虑其与已建结构部分光滑连接的要求。因此，以原桥面竖曲线作为基线，在合拢段以左的未建结构段，连以图5的实施线形曲线（合拢段以右的未建结构段，也采用相似的方法）。
　　
　　图5实施线形曲线
　　4线形控制成果
　　4.1整体线形
　　采用上述理论对桥墩特大桥主桥实施施工控制后，全桥线形变化平顺。全桥合拢后各控制点的实测标高与设计标高的误差如图6所示，其最大偏差为10mm。

　　图6全桥合拢后各控制点的线形偏差
　　4.2合拢精度
　　桥墩特大桥两边跨合拢偏差为8mm、6mm，中跨合拢偏差为5mm。合拢精度不仅较好地达到了设计要求，同时也达到了国内同类桥梁合拢精度的先进水平。
　　5应力监控结果
　　5.1测点布置方法
　　应力监测采用温度型智能应力计和配套的振弦检测仪作为应力观测仪器，该应力计的温度误差小、性能稳定，可以在量测过程中始终以初始零点作为起点进行应力监测，且具有应变累计功能，抗干扰能力强，适于应力长期观测。
　　根据连续梁桥的受力特点并结合设计要求，测试断面主要布置在0#~1#节段、8#~9#节段、边跨及中跨合拢段4个截面。测点横向布置见图7，全桥布置16个测点。考虑到结构的对称性，全桥主梁布置4个测试断面，每个测试断面上布置4根应力计。

　　图7应变测试断面布置图
　　5.2测试数据处理方法
　　对应力测试数据有较大影响的因素有很多，主要有：测试初值设定、混凝土收缩、徐变、温度等。混凝土的收缩、徐变对主梁结构的影响主要表现在：①由于收缩、徐变的作用使预应力束发生应力损失；②箱梁发生徐变挠度；③由于收缩、徐变的作用，使得应力计的非受力应变增加，应力测试数据中含有非荷载作用下混凝土应变的成分，所测数据不能真实反映结构的受力，须将混凝土的受力应变从总应变中分离出来，即在由测试应力计算混凝土应力时必须予以消除或进行应力修正。
　　一般情况下，混凝土的工作应力不超过混凝土强度的50%，即在弹性范围内工作。对于时刻施加初应力，又在不同时刻（＝1，2，…，）分阶段施加应力增量的混凝土，其在以后任何时刻包括收缩应变在内的总应变可以表达为：
　　
　　式中：－在时刻施加的初应力；
　　－龄期为的混凝土弹性模量；
　　－混凝土在时刻的收缩应变；
　　－徐变系数，参考公路桥规范进行计算。
　　设每次施加应力增量后立即读数，即观察时刻，则：
　　
　　式中：－应变观测值，需减去传感器初读数。
　　
　　同理可推出：
　　
　　故在时刻，测点处扣除了收缩、徐变效应的混凝土弹性应变即为：
　　
　　由于在混凝土初凝时刻混凝土的水化热还没有使混凝土温度上升，且此时混凝土的收缩也未发生，所以一般选择在混凝土初凝时刻设定应力初值，否则混凝土未承受荷载时钢弦已反映出的应力就不能及时排除。
　　5.3应力监控结果
　　采用上述方法对实测结果进行处理，全桥合拢后张拉完所有预应力束时，上述4个测试断面的应力状态列于表1。
　　表1全桥合拢后各测试断面应力状态

　　由表1可见，梁体各阶段实际应力测试结果与理论结果非常接近，表明该桥施工满足设计要求，从表中可以看出，实测值与理论值相差较小，在允许误差范围以内。
　　6结论
　　（1）本桥施工过程中的主要变形为挂篮变形、结构温度变形和荷载引起的结构弹性变形。这些变形及其误差都可通过本文方法识别计算。
　　（2）线形控制结果表明，全桥线形变化平顺，实际线形与理论线形的基本一致，所有节点高差及合拢误差均满足施工控制目标要求。
　　（3）为保证主梁线形的平顺，在实际线形偏离控制目标时，可采用本文方法分析偏差产生的原因，并对未施工节段的控制线形作出适当的调整。
　　（4）应力测试结果中含有非受力应变成分，测试钢筋应力计算混凝土应力时必须予以消除或进行应力修正。应力测试结果与理论计算数值偏离较小，符合施工控制要求。
　　参考文献
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