主跨100米预应力砼连续梁桥的施工控制

　　摘要：本文叙述了主跨100米预应力砼连续梁桥的施工控制过程。
　　关键词：预应力砼，梁桥施工，控制
　　一、工程概述
　　颍河特大桥属阜阳至合肥高速公路上一座大型桥梁，位于颍上县颍河闸上游2km处，全桥长1338.44m。本桥所跨河流为颍河,为满足航道规划及跨堤要求,主跨采用100m变截面预应力混凝土箱梁,跨堤孔采用50m变截面连续箱梁。主桥上部为（60+100+60）m三跨PC变截面连续箱梁，位于半径R=7810.822m的平曲线上。PC箱梁由单箱单室箱形截面组成，箱梁根部梁高5.5m,跨中梁高2.2m;箱梁顶板宽13.30m,底板宽7.0m,翼缘板悬臂长为3.15m,箱梁梁高按二次抛线线型变化。箱梁横桥向顶板设2%的横坡，主桥箱梁采用纵、横两向预应力体系。主桥连续箱梁双幅分别独立采用挂篮悬臂浇筑法施工，各单“T”箱梁除0号块外分为16对梁段，对称平衡悬臂逐段浇筑施工。技术标准设计汽车荷载：公路一I级；设计车速：120km/h；地震基本烈度：地震基本烈度为VI度，按VII设防；设计洪水频率：1/300；通航标准:桥位处颍河段规划为V-(3)级航道。
　　二、施工控制的内容和目的
　　桥梁施工控制的目的是确保施工中结构的安全和确保结构形成后的形状和内力状态符合设计要求。
　　对于悬臂施工的预应力砼连续梁桥结构来说，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段的仿真分析，确定出每个悬臂浇筑阶段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测和对下一节段的立模标高进行调整，以此来保证成桥后桥面线型、合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值，以及结构内力状态符合设计要求。
　　三、施工控制的分析计算
　　大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工采用分阶段逐步完成的悬臂施工方法时，结构的最终形成必须经历一系列的施工过程，对施工过程中每个阶段进行详细的变形计算和受力分析，是桥梁施工控制最基本的内容之一。为了达到施工控制的目的，我们必须首先通过计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段的受力和变形的理想状态，以此为依据来控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终成桥的线型和受力状态满足受力要求。
　　1、分析计算方法及计算模型
　　根据设计图的内容，对全桥总体结构建立能反映施工荷载的有限元模型，对该桥进行了正装分析，得到各阶段主梁变形状态。计算模型中根据悬臂施工梁段的划分、支点、跨中、截面变化点等控制截面将全桥划分为68个梁单元，69个结点。
　　颍河特大桥主桥型布置图
　　
　　1/2计算模型图
　　
　　2、分析计算的结构设计参数
　　大多数情况下，采用规范设计参数计算的结构内力和位移均比实测值大，这对设计是偏于安全的，但对于结构施工控制来说是不容忽视的偏差，因为它将直接影响到成桥后结构线型及内力是否符合设计要求。此次分析计算的设计参数取用原则是：结构设计参数的取值尽量和实际相吻合；对于主要的可以测定的参数，则用试验数值；难以测定的则依照设计规范，根据以往的工程经验进行修正。
　　项目设计参数
　　主梁采用C50号砼，混凝土容重2.49吨/立方米，混凝土弹性模量为3.55×104Mpa，线膨胀系数α=1×10-5，混凝土材料的收缩徐变特性全部按照规范规定取值。计算考虑外界为野外一般条件，每个悬臂现浇梁段的加载龄期7天。在施工过程中，混凝土加载龄期等参数可能与实际情况不符，将根据实际情况对计算参数进行调整。
　　预应力采用钢绞线束施加，钢绞线弹性模量取1.95×105Mpa，钢绞线采用ASTMA416-92标准270级低松弛钢绞线，公称直径15.24mm，公称面积140mm2,抗拉标准强度1860Mpa。单个锚具回缩值6mm，孔道摩阻系数u=0.225，孔道偏差系数k=0.0015。
　　其中混凝土的弹性模量，钢绞线的弹性模量取自现场材料的取样试验。
　　3、施工阶段的划分
　　本桥采用悬臂浇筑方法施工，在施工过程中，设置了临时约束，在计算中除了考虑设置永久支座外，在悬臂施工期间设置了4个临时竖向约束，以模拟实际施工的临时约束。本次计算实际共划分为20个施工阶段和1个运营阶段，严格和实际施工状态相对应。
　　施工阶段内容
　　1—16阶段安放临时支座，利用支架现浇0#块和1#块，张拉预应力束。利用挂篮依次悬臂浇筑2#—16#号块，并依次张拉相应的预应力束。
　　17—19阶段支架现浇段19#块，安装边跨合拢段刚性联结，浇筑边跨17#块，张拉相应的预应力束，边跨合拢。
　　20阶段浇筑中跨18#块，张拉相应的预应力束，中跨合拢。
　　21运营阶段
　　4、施工荷载的分析
　　在预应力砼连续梁桥的悬臂施工中，挂篮和模板机具设备重对结构的内力和变形的影响很大，所以在计算分析中，必须考虑施工荷载主要是挂篮的影响。在悬臂浇筑过程中，混凝土的重量不断增加，使挂篮设备上的伸臂发生弹性变形，它使底模板前端的标高也发生同样的变形，类似的变形将同样的发生在以后各阶段的施工中，这种变形在挂篮拆除后却不能得到恢复。因此在各节点的预拱度值中，均应计入这个影响，但是也可以利用可调整的吊带来解决。当浇筑2号段混凝土挂篮设备一般分成两截，分别固定在（或者部分地落在）已完成的悬臂阶段上，由于挂篮具有一定的静载，尤其在大跨度桥梁的悬臂施工中，挂篮设备的重心距离悬臂梁的根部的力臂较大，使结构发生变形，但在挂篮拆除后，又使原来的变形得到恢复。
　　此次计算分析充分考虑了施工荷载的影响，在计算分析中模拟了挂篮的安装和拆除，以及挂篮前进的工况，挂篮的计算重量为900KN（其值由施工单位实测得到）。
　　5、悬臂施工的挠度计算
　　在桥梁悬臂施工的控制中，最困难的任务之一就是施工挠度的计算与控制。我们所采用的分析软件BRCAD5.1和BSAS的系统会根据不同阶段的受力状态自动考虑混凝土的收缩徐变影响、预加力的影响、温度变化的影响以及支座沉降的影响，其中混凝土收缩徐变的计算考虑了各阶段混凝土应力变化的影响，在预应力损失的计算中，对每个阶段内每个截面上的每组钢束都分别进行了计算。
　　对于桥梁长期荷载作用下的总挠度的计算，还必须考虑二期恒载和活载的作用所产生的挠度。
　　综合考虑各种因素后，将各影响参数输入软件中，由软件自动算出各施工阶段每一梁段的挠度，合拢时的挠度，合拢后二期恒载作用下的挠度，以及活载作用下的挠度。
　　通过计算分析发现，在施工阶段对结构内力和变形影响较大的设计参数主要为梁的自身静载、预应力钢绞线的有效预应力；材料的弹性模量E和剪切模量G、施工临时荷载、挂篮、混凝土的收缩与徐变变形的性能以及混凝土加载龄期的变化对变形影响较大，其它的参数影响较小。
　　6、施工阶段立模标高的确定
　　在主梁的悬臂浇筑过程中，梁段立模标高的合理确定，是关系到主梁的线型是否平顺，是否符合设计的一个重要问题，如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终桥面线型较好。否则，最终桥面线型会与设计线型有较大的偏差。
　　众所周知，立模标高并不等于设计中桥梁建成后的标高，总要设置一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形（竖向挠度）。其计算公式如下：
　　Hlmi=Hsji+∑f1i+∑f2i+f3i+f4i+f5i+fgi
　　式中：Hlmi――i阶段立模标高；
　　Hsji――i阶段设计标高；
　　∑f1i――由本阶段及后续施工阶段梁段自重在i阶段产生的挠度总和；
　　∑f2i――由张拉阶段及后续施工阶段预应力在i阶段引起的挠度；
　　f3i――施工期间混凝土收缩、徐变在i阶段引起的挠度；
　　f4i――施工临时荷载在i阶段引起的挠度；
　　f5i――活载作用加上运营期间的收缩徐变引起的挠度；（实际监控计算中是按跨中预拱度取L/1000，其余各点预拱度按二次抛物线拟合）
　　fgi――挂篮变形值
　　其中挂篮的变形值是根据挂篮加载试验确定的，∑f1i、∑f2i、f3i、f4i、f5i在前进分析和倒退分析计算中已经加以考虑。
　　此立模标高计算公式简单，概念清楚，使用方便，而且实际使用效果很好。
　　7、分析计算主要结果
　　通过计算结果分析可知，箱梁在悬臂施工过程中，轴力、弯矩曲线较为顺畅，施工阶段截面上下缘均为压应力，而且都在规范允许的范围之内。
　　在运营阶段，正常使用极限状态下箱梁应力基本上处于全截面受压状态，而且满足规范要求。其它荷载组合除了部分几个截面顶板或底板出现很小拉应力（最大不超过0.5MPa），箱梁应力基本上处于全截面受压状态，箱梁的应力满足规范要求。
　　各个施工阶段的挠度曲线很顺畅。挠度的变化也很正常。
　　四、施工控制的参数识别和现场测试
　　1、参数的识别
　　结构设计参数的变化能导致桥梁结构内力的变化和形状的改变，因此我们在大跨度桥梁的施工控制中，必须对设计参数进行识别和修正。不同的设计参数对结构状态的影响程度是不同的。总的说来，对于连续梁主要的设计参数有以下几个方面：
　　（1）结构几何形态参数：主要是桥梁结构的跨径、高跨比、线型等，它们表征了结构的形状和结构最初的状态。（2）截面特征参数：截面的面积、抗弯惯性矩等。（3）与时间有关的参数：温度、混凝土龄期、收缩徐变是随着时间而变化的参数。（4）荷载参数：主要是结构构件自重力、施工临时荷载和预加力。（5）材料参数：主要是指材料的弹性模量E和剪切模量G，对于混凝土材料来说，这两个参数有一定的波动，在桥梁的施工控制中要对其进行识别。
　　这五类设计参数在同一座桥梁的施工控制中并不是每一个设计参数对桥梁结构状态的影响都是一样的，因此我们要对设计参数进行辨别，一方面要确定设计参数的实际值，另一方面要辨别对结构状态影响较大的设计参数即主要参数，为了达到这个目的，对设计参数的识别，总的来讲，有两种方法和手段：其一，通过现场测量来确定设计参数的值。这主要是结构几何形态参数、截面特征参数和材料特征参数，它们可以通过现场测量方法或试验测量手段来确定。其二，通过结构计算分析来确定主要设计参数，也就是设计参数敏感性分析方法。在这里我们主要采用的是第一种方法。
　　2、现场测试
　　为了确保施工控制的顺利实施，施工过程中各项技术参数的准确测定至关重要，它是进行施工控制的必要初始参数，它为施工的计算提供了实测依据，是最终实现施工控制目的的最关键的一步。这次我们主要现场测试的内容如下：
　　（1）应力观测：
　　在大桥上部结构的控制截面布置应力测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化与应力分布情况。然后把结果及时反馈给设计人员，和计算结果相比较，在计入误差和变量调整后由设计人员分析以后每阶段乃至竣工后结构的实际状态，同时可以根据当前施工阶段向前计算至竣工，预计今后施工可能出现的状态并预报下一阶段当前一安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。经现场测试，各施工阶段被测梁段的应力值和计算分析的结果相吻合，应力变化没有出现异常。
　　（2）挠度观测：
　　挠度观测资料是控制成桥线型最主要的依据，根据以往的经验，在每个施工段的断面上上布置五个高程观测点1、2、3、4、5，顺序是从上游至下游排列，以桥梁中心线划分，间距为6米＋3.5米＋0米＋3.5米＋6米，控制点3为桥梁中线点，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观察箱梁是否发生扭转变形。在施工过程中，对每一截面需进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、预应力钢筋张拉前、预应力钢筋张拉后的标高观测。以便观察各点的挠度和箱梁曲线的变化历程，保证箱梁悬臂端的合拢精度和桥面线型。为了尽量减少温度的影响，挠度的观测安排在早晨进行。以这些观测数据为依据，进行有效的施工控制。由于测量数据太多，现仅将19号墩施工的控制点3从5号块到16号块在预应力钢筋张拉后理论标高和实测标高值列于下表：

　　从表中可以看出：
　　1、理论标高和实测标高最大误差为20mm，理论值和实测值符合较好，在施工时不需要调整立模标高，给施工带来了很大的方便。也更好地说明立模标高的计算模式合理，具有很强的实用性。
　　2、合拢时两个合拢段理论标高和实测标高均为误差为16mm，它们的相对高差为3mm，两者在同一水平线上，合拢时不需要进行压重和纠偏，可以直接合拢。保证了成桥后桥面线型平顺，与设计相吻合。
　　（3）温度控制
　　温度是影响主梁挠度的最主要的因素之一，温度变化包括日温度变化和季节变化两部分，日温度变化比较复杂，尤其是日照作用，季节温差对主梁的挠度影响比较简单，其变化是均匀的。因此为了摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况，在梁体上布置温度温度观测点进行观测，以获得准确的温度变化规律。
　　（4）混凝土弹性模量和容重的测量
　　混凝土弹性模量的测试主要是为了测定混凝土弹性模量E随时间的变化规律，采用现场取样通过万能实验机进行测定。混凝土弹性模量和容重的测量是在现场取样，采用实验室的常规方法进行测定。
　　（5）钢绞线管道摩阻损失的测定
　　在进行钢绞线张拉时，由于管道摩阻会造成预应力不同程度的损失，本测试项目旨在定量地测量钢绞线管道摩阻损失，以确定有效的预应力。
　　五、施工控制的措施
　　（1）在悬臂施工过程中，对挠度和施工标高进行施工精密测量。
　　（2）对悬臂施工实行第三方监测，确保挠度和施工标高的测量准确无误。
　　（3）预应力钢绞线在具体张拉过程中，及时向设计人员提供有关数据，以便核对延伸量，同时也是验证预应力有关参数的准确性。实测延伸量和理论延伸量符合较好，满足设计要求。
　　（4）施工单位应将已经施工阶段的实测挠度及标高等参数提前3天反馈给设计人员，以便设计人员对将施工阶段的标高进行调整和控制。
　　（5）悬臂施工按照对称平衡的原则进行施工，施工过程中应随时注意两悬臂不得出现不平衡荷载。
　　（6）为了避免不平衡荷载的出现，悬臂施工段除了施工机具外，不得堆放其它物品和材料，以免引起挠度偏差。
　　（7）在有可能时宜将长臂和边中跨合拢避开台风季节，在每一梁段施工过程中出现台风预报应停止施工，并做好施工的防台风工作。
　　六、结论
　　通过颍河特大桥主桥100米预应力砼连续梁桥施工和施工控制的实践，我们可以得出如下结论：
　　1、本文立模标高计算公式概念清楚，使用方便简单，而且实际施工中理论标高和实际标高误差很小，给施工带来了很大的方便。从而也证明了理论计算模式的先进性、正确性。
　　2、合拢时合拢段的相对高差也在5mm以内，合拢时不需要进行压重和纠偏。保证了成桥后桥面线型平顺，与设计相吻合。
　　3、确保了施工过程中结构的可靠度和安全性，保证了桥梁变形、梁段的挠度变化和结构的应力状态符合设计要求。