嚴村特大橋連續(xù)梁懸臂施工線形控制技術
2017-10-30
0 引言
隨著我國鐵路建設規(guī)模的不斷擴大，大跨度預應力混凝土連續(xù)梁施工技術已經(jīng)日益成熟，施工過程包括澆筑混凝土、預應力筋張拉、體轉(zhuǎn)系轉(zhuǎn)換等，在施工懸臂過程中主梁撓度變化幅度大，成橋后結構由于梁體自重產(chǎn)生的內(nèi)力、變形與施工過程有直接關系，應根據(jù)施工過程來計算。影響施工懸臂過程和成橋后主梁撓度的因素較多，主要有以下幾方面：諸如材料特性、臨時施工荷載、構件自重、收縮徐變等設計參數(shù)的取值；環(huán)境的影響，例如平均溫度和日照溫差、空氣濕度等的影響；量測誤差，如千斤頂油壓表等引起的誤差；施工誤差；結構模型簡化和計算的誤差。
這些因素將對施工產(chǎn)生如下影響：澆筑混凝土及張拉力預應力鋼筋時引起的撓度變化與設計值不一致；荷載持續(xù)一段時間后，因收縮徐變引起的撓度與設計不一致。
溫度、錨下控制應力、收縮徐變、彈性模量對施工質(zhì)量和安全的影響很大，若施工中沒有及時發(fā)現(xiàn)其存在偏差，導致該偏差積累下來，很可能會嚴重影響施工的質(zhì)量和安全，造成合攏困難及滿足不了設計所要求的橋梁線形。
在施工過程中通過實測各梁段標高，利用施工控制軟件對以上各種因素進行調(diào)整并預告下一施工階段梁段立模標高，可以有效地保證預應力混凝土連續(xù)梁橋合攏精度以及成橋線形。
1 工程概況
南京至安慶鐵路新建工程嚴村特大橋計算跨度為48m+80m+48m雙線預應力混凝土連續(xù)梁橋。結構形式為3跨預應力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁全長177.3m，中支點處梁高6.435m，跨中3.835m，直線段高為3.835m。梁底下緣按圓曲線變化，邊支座中心線至梁端距離0.65m。箱梁采用單箱單室、變截面、變高度結構。箱梁頂面寬12.2m，箱梁底面寬6m，頂板厚度除零號塊附近外均為40cm；底板由跨中的46cm，按圓曲線線變化至根部80.3cm；腹板由45cm至80cm，按折線變化。
2 線形控制的目的和方法
2.1 線形控制的目的
通過梁體施工控制，我們能夠掌握實際的施工工序及相關的施工參數(shù)和數(shù)據(jù)，如此有利于實時理論分析和結構驗算橋跨結構；針對各個施工環(huán)節(jié)，通過分析驗算結果我們能夠得出多項施工控制參數(shù)，比如其主梁端的撓度等，從而分析施工誤差，并對整個施工狀態(tài)的安全進行評價。如此能夠有效確保結構的受力和變形都在合理的空間內(nèi)，不會影響到成橋后的結構內(nèi)力和線形。
2.2 線形控制的方法
本橋采用預測控制法和自適應控制法。預測控制法是指在綜合考慮各項影響橋梁結構狀態(tài)的因素和施工需要達到的目標后，預測控制各個施工環(huán)節(jié)完成前后的狀態(tài)，盡量讓施工在正常的軌道上。實際狀態(tài)和預測控制之間通常會出現(xiàn)誤差，這種誤差及誤差大小能夠幫助相關人員找到影響施工目標的因素，從而在后期的施工中針對這種誤差采取有針對性的措施，如此良性循環(huán)下去，最終結構的施工完成就會和預測設計相一致。自適應控制法是指若結構的實測狀態(tài)和模型計算結果不一致時，可通過調(diào)整計算模型參數(shù)將誤差消除，調(diào)整后的計算模型參數(shù)就是理想的計算模型參數(shù)，將各施工環(huán)節(jié)都調(diào)整為理想的計算模型參數(shù)，能夠?qū)φ麄€施工過程進行有效控制。
連續(xù)梁線形控制循環(huán)過程是施工→測量→識別→修正→預告→施工，其本質(zhì)是讓施工在正常的軌道上操作。但事實上任何施工都不可避免地存在誤差，即使是理論分析得到的理想狀態(tài)也存在微小誤差，因此施工控制的核心任務是對誤差進行分析、識別和調(diào)整，預測結構的未�磣刺�。懸臂澆筑是一種典型的自架設施工方法，通常被應用在大跨度預應力混凝土連續(xù)梁施工中。由于在連續(xù)梁施工中，已成結構（懸臂節(jié)段）狀態(tài)無法在事后進行調(diào)整，所以必須在其施工期間采取有效措施控制結構使之處于安全狀態(tài)，通常采取的方法都是預測控制法和自適應控制法，這兩種方法能夠針對已有誤差在下一未澆筑梁段的立模標高上做出必要的調(diào)整?；诖耍覀儼l(fā)現(xiàn)要想確保實現(xiàn)控制目標，必須盡量準確預測立模標高，即主要依靠預測控制。
3 連續(xù)梁施工線形控制過程
3.1 施工影響因素分析 在橋梁施工控制過程中，最為關鍵的是實測值和理論計算值的對比分析，并進一步根據(jù)實測值對計算模型進行修正，以期對后續(xù)各階段進行更為精確的預測和控制。以下對影響線形控制的各主要因素進行分析。
3.1.1施工工期安排的影響
懸臂施工的連續(xù)梁各梁段混凝土具有不同的齡期，而混凝土各項材料參數(shù)與齡期有直接的關系，如隨齡期增加混凝土彈性模量呈增大、徐變系數(shù)呈減小的趨勢。在其線控計算中，首先應根據(jù)實際施工進度進行分析計算，并考慮材料參數(shù)隨時間的變化規(guī)律；通�^典型工況（如混凝土澆筑或預應力張拉工況）的實測變形結果推算“等效彈性模量”，并采用修正后的計算模型對連續(xù)梁變形進行進一步精確預測和控制。
3.1.2 預應力張拉的影響
準確的預應力鋼筋定位和張拉是連續(xù)梁施工期間和成橋后受力安全的保障，對線形控制也有一定的影響。在設計計算中，各項損失計算一般是按照規(guī)范進行取值，施工中應進行錨口、喇叭口和管道摩阻測試并根據(jù)實測結果對預應力張拉值進行調(diào)整。懸臂施工的連續(xù)梁應加強管道定位工作，并宜在懸臂施工過程中選取兩個階段對頂板預應力管道、合龍后對底板預應力管道分別進行摩阻試驗。
3.1.3 收縮徐變及預應力長期損失的影響
在施工過程中，由于混凝土收縮徐變和預應力長期損失的影響，即使作用在結構上部的荷載不變，其線形仍在不斷的發(fā)生變化。所以，在線形控制的實施過程中，測試工況必須與荷載工況相對應。
3.1.4 結構溫差的影響
懸臂施工過程中，頂板頂面直接暴露在大氣環(huán)境中，受日照溫差的影響，懸臂結構會出現(xiàn)連續(xù)的上翹和下?lián)献冃?。其起因在于截面上下緣的不均勻伸長或縮短，從混凝土澆筑前后和養(yǎng)生期間截面上下緣應變變化可以看出，豎向溫差引起的梁體變形與階段混凝土澆筑的作用基本相當，施工中的變形測試必須考慮該因素的影響。
3.1.5 混凝土的不平衡澆筑的影響
在懸臂施工過程中，兩懸臂端混凝土澆筑難以保證嚴格的對稱，兩端不平衡荷載將使得梁體發(fā)生整體轉(zhuǎn)動。從混凝土澆筑過程中實測梁體撓度變化過程可以看出，混凝土澆筑過程中由于轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的位移遠大于澆筑完成后混凝土濕重引起的彈性變形，在混凝土澆筑完成后，雖然大部分梁體轉(zhuǎn)動引起的位移得以恢復，但由于受到轉(zhuǎn)動阻力因素的影響，實測澆筑完成后的撓度為轉(zhuǎn)動引起的剛體位移和混凝土濕重引起的彈性變形的疊加。在線形控制中應考慮該因素的影響并定期對懸臂梁段的標高進行測試；施工中應進一步嚴格控制懸臂兩側的不平衡荷載。
3.1.6 邊跨現(xiàn)澆段支架的影響
在設計和監(jiān)控計算中，一般將邊跨現(xiàn)澆段支架按剛性支撐考慮，即“f預拱度”一項中未考慮支架變形及其下部基礎沉降帶來的影響。施工中需在立模前對支架進行堆載預壓，一方面消除支架本身的塑性變形、掌握彈性變形規(guī)律，另一方面壓實地基，避免在上部梁體混凝土澆筑后出現(xiàn)較大的沉降變形；施工時應根據(jù)上述結果在邊跨現(xiàn)澆段立模中予以考慮。另外，由于邊跨合龍時需拆除距合龍口0.5m～1.0m支架和模板，在支架設計中應予考慮，避免支架局部拆除時，由于荷載轉(zhuǎn)移導致支架變形從而影響合龍精度。
3.2 建立計算模型
施工初期是根據(jù)設計參數(shù)建立計算模型，確定每一節(jié)段梁體的預拱度，從而確定梁體立模標高。施工過程中根據(jù)施工監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過分析計算，對計算參數(shù)不斷修正，使計算模型更接近實際結構。計算參數(shù)主要包括梁體混凝土容重和彈性模量、預應力鋼材技術標準、普通鋼筋技術標準、掛籃的彈性變形。
3.3 現(xiàn)場檢測方法及數(shù)據(jù)
施工監(jiān)控、監(jiān)測的一項重要工作是連續(xù)梁的實時線形測量。撓度線形監(jiān)測內(nèi)容主要包括主梁軸線偏位、結構變形及位移、結構的線形、跨長、主梁高程等。要想良好地控制成橋線形，撓度監(jiān)測資料的作用不容忽視。結合過往經(jīng)驗，應布置3個對稱的高程觀測點在每個施工節(jié)段上，如此不僅能夠測量箱梁的撓度，還能夠及時地發(fā)現(xiàn)箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在施工期間應對每個截面進行全過程的標高觀測，從而觀察各點的撓度及箱梁曲線的變化歷程，以確保整個施工處于安全正常的范圍。在離節(jié)段前端10cm布置高程控制點，用16mm直徑螺紋鋼筋制作測點觀測標。懸澆箱梁節(jié)段的測點不僅是箱梁的標高控制點和撓度變形觀測點，也是控制箱梁中線平面位置的測點。要求所有埋設的測點都嚴格按照相關規(guī)范標準進行操作，且禁止在施工過程中踩踏、碰撞。
3.3.1 試儀器的選擇
高程監(jiān)測是指為精確控制各節(jié)段的預拱度，用精密水準儀對主梁各節(jié)段控制點的標高進行測量。不僅如此，其還能夠測出主梁節(jié)段的扭曲程度。另外，利用經(jīng)緯儀測量主梁軸線。主梁的線形監(jiān)測以線形通測和局部節(jié)段標高測量相結合，在主梁節(jié)段澆筑、及掛籃移動后等施工階段進行。
?、?號塊高程測點布置。
布置0號塊高程觀測點的目的是控制頂板的設計標高，同時它也能夠作為各懸臂澆筑節(jié)段高程觀測的基準點。布置9個高程觀測點在各個0號塊的頂板，具體布置情況如圖1、圖2所示。
②各懸臂澆筑節(jié)段高程測點布置。
設3個測點在各個節(jié)段高程測點，對稱布置在懸臂板與腹板的交接點，離節(jié)段前端10cm，測點露出混凝土面5cm，如圖3、圖4所示。
3.3.2 觀測時間與項目
每個標準梁段施工過程中，分別測量掛籃移動就位后、混凝土澆筑完成后、預應力張拉后三個工況下主梁懸臂前端每個梁段的標高。每完成L/4跨徑的梁段施工后，全橋通測一次。
墩頂偏位在主梁每懸臂施工完成4～5個節(jié)段進行一次復測。
合攏前，對全橋主梁頂面標高做一次全面復測。 合攏后、橋面系施工完成后，分別對全橋主梁頂面標高、墩頂偏位各做一次全面復測。
最好在早晨太陽出來之前觀測撓度，如此可避免溫度因素的影響。施工整個環(huán)節(jié)的觀測內(nèi)容主要包括立模、混凝土澆筑前后、預應力張拉前后以及拆除，能夠幫助施工更安全和更有效率地開展。
3.3.3 觀測結果
最優(yōu)控制的先決條件是觀測結果的正確性，如表1、表2所示， 量測每一段施工節(jié)段的撓度及標高都必須記錄詳細。要想施工控制分析客觀準確，這些數(shù)據(jù)支持是必不可少的。
3.4 立模標高確定
待建立正確的模型和性能指標后，需參考控制參數(shù)和設計參數(shù)，結合橋梁結構的各項參數(shù)，包括活載、二期恒載、施工荷載、施工狀況、結構狀態(tài)等，放入分析系統(tǒng)中計算，可得到結構按施工節(jié)段進行的每一個節(jié)段的內(nèi)力和撓度及最終成橋狀態(tài)的內(nèi)力和撓度。接著假設成橋后的理想轉(zhuǎn)臺的各節(jié)段的預拋高值，得出各施工節(jié)段的立模標高及混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、鋼筋張拉前、鋼筋張拉后的預計標高。
立模標高為：Hlm=Hsj+Hypg+fg1
式中：fg1表示掛籃變形值；Hypg表示計算所得的預拋高值；Hsj表示設計標高；Hlm表示立模標高。
預計標高為：Hyj=Hypg-fi-fg1
式中：fi表示澆筑當前節(jié)段的下?lián)现祷驈埨摻詈蟮目傁聯(lián)现怠?
通過實測數(shù)據(jù)與理論計算立模標高進行比較，如果偏差較大，及時修正計算參數(shù)，計算下一段梁體的立模標高，如表3。
4 線形控制成果
大跨度連續(xù)梁施工線形控制是一種動態(tài)控制方法，通過不斷修正計算參數(shù)，使計算出來的理論數(shù)據(jù)更接近實際數(shù)據(jù)，最終使梁體合攏時，線形滿足設計要求。通過對觀測數(shù)據(jù)表格分析，4#～10#梁段混凝土澆筑后，實測撓度與計算撓度相差較大，兩者相差為16mm（最大值），過程中進行了較大幅度的調(diào)整；掛籃前移與預應力張拉后實測撓度與計算撓度相差較小，兩者相差分別為3mm和5mm（最大值）。最終合攏兩T構懸臂端標高差13mm，線路中線差9mm，滿足規(guī)范要求。
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