嚴(yán)村特大橋連續(xù)梁懸臂施工線形控制技術(shù)
2017-10-30
0 引言
隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工技術(shù)已經(jīng)日益成熟，施工過程包括澆筑混凝土、預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)由于梁體自重產(chǎn)生的內(nèi)力、變形與施工過程有直接關(guān)系，應(yīng)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(gòu)件自重、收縮徐變等設(shè)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力鋼筋時引起的撓度變化與設(shè)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(shè)計不一致。
溫度、錨下控制應(yīng)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(dǎo)致該偏差積累下來，很可能會嚴(yán)重影響施工的質(zhì)量和安全，造成合攏困難及滿足不了設(shè)計所要求的橋梁線形。
在施工過程中通過實測各梁段標(biāo)高，利用施工控制軟件對以上各種因素進(jìn)行調(diào)整并預(yù)告下一施工階段梁段立模標(biāo)高，可以有效地保證預(yù)應(yīng)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(yán)村特大橋計算跨度為48m+80m+48m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。結(jié)構(gòu)形式為3跨預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(guān)的施工參數(shù)和數(shù)據(jù)，如此有利于實時理論分析和結(jié)構(gòu)驗算橋跨結(jié)構(gòu)；針對各個施工環(huán)節(jié)，通過分析驗算結(jié)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(jìn)行評價。如此能夠有效確保結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形。
2.2 線形控制的方法
本橋采用預(yù)測控制法和自適應(yīng)控制法。預(yù)測控制法是指在綜合考慮各項影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的因素和施工需要達(dá)到的目標(biāo)后，預(yù)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(yù)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(guān)人員找到影響施工目標(biāo)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(jié)構(gòu)的施工完成就會和預(yù)測設(shè)計相一致。自適應(yīng)控制法是指若結(jié)構(gòu)的實測狀態(tài)和模型計算結(jié)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(jìn)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(yù)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(wù)是對誤差進(jìn)行分析、識別和調(diào)整，預(yù)測結(jié)構(gòu)的未�磣刺�。懸臂澆筑是一種典型的自架設(shè)施工方法，通常被應(yīng)用在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工中。由于在連續(xù)梁施工中，已成結(jié)構(gòu)（懸臂節(jié)段）狀態(tài)無法在事后進(jìn)行調(diào)整，所以必須在其施工期間采取有效措施控制結(jié)構(gòu)使之處于安全狀態(tài)，通常采取的方法都是預(yù)測控制法和自適應(yīng)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(biāo)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(biāo)，必須盡量準(zhǔn)確預(yù)測立模標(biāo)高，即主要依靠預(yù)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(guān)鍵的是實測值和理論計算值的對比分析，并進(jìn)一步根據(jù)實測值對計算模型進(jìn)行修正，以期對后續(xù)各階段進(jìn)行更為精確的預(yù)測和控制。以下對影響線形控制的各主要因素進(jìn)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(guān)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(yīng)根據(jù)實際施工進(jìn)度進(jìn)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(yù)應(yīng)力張拉工況）的實測變形結(jié)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(jìn)行進(jìn)一步精確預(yù)測和控制。
3.1.2 預(yù)應(yīng)力張拉的影響
準(zhǔn)確的預(yù)應(yīng)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(shè)計計算中，各項損失計算一般是按照規(guī)范進(jìn)行取值，施工中應(yīng)進(jìn)行錨口、喇叭口和管道摩阻測試并根據(jù)實測結(jié)果對預(yù)應(yīng)力張拉值進(jìn)行調(diào)整。懸臂施工的連續(xù)梁應(yīng)加強(qiáng)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(yù)應(yīng)力管道、合龍后對底板預(yù)應(yīng)力管道分別進(jìn)行摩阻試驗。
3.1.3 收縮徐變及預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力長期損失的影響，即使作用在結(jié)構(gòu)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(yīng)。
3.1.4 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(dāng)，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(yán)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(yuǎn)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(fù)，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(yīng)考慮該因素的影響并定期對懸臂梁段的標(biāo)高進(jìn)行測試；施工中應(yīng)進(jìn)一步嚴(yán)格控制懸臂兩側(cè)的不平衡荷載。
3.1.6 邊跨現(xiàn)澆段支架的影響
在設(shè)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(yù)拱度”一項中未考慮支架變形及其下部基礎(chǔ)沉降帶來的影響。施工中需在立模前對支架進(jìn)行堆載預(yù)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(yīng)根據(jù)上述結(jié)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(shè)計中應(yīng)予考慮，避免支架局部拆除時，由于荷載轉(zhuǎn)移導(dǎo)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(shè)計參數(shù)建立計算模型，確定每一節(jié)段梁體的預(yù)拱度，從而確定梁體立模標(biāo)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(jié)構(gòu)。計算參數(shù)主要包括梁體混凝土容重和彈性模量、預(yù)應(yīng)力鋼材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、普通鋼筋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、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(jié)構(gòu)變形及位移、結(jié)構(gòu)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(jié)合過往經(jīng)驗，應(yīng)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(yīng)對每個截面進(jìn)行全過程的標(biāo)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(biāo)。懸澆箱梁節(jié)段的測點不僅是箱梁的標(biāo)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(shè)的測點都嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(yù)拱度，用精密水準(zhǔn)儀對主梁各節(jié)段控制點的標(biāo)高進(jìn)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(biāo)高測量相結(jié)合，在主梁節(jié)段澆筑、及掛籃移動后等施工階段進(jìn)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(shè)計標(biāo)高，同時它也能夠作為各懸臂澆筑節(jié)段高程觀測的基準(zhǔn)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。
?、诟鲬冶蹪仓?jié)段高程測點布置。
設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)力張拉后三個工況下主梁懸臂前端每個梁段的標(biāo)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(jìn)行一次復(fù)測。
合攏前，對全橋主梁頂面標(biāo)高做一次全面復(fù)測。 合攏后、橋面系施工完成后，分別對全橋主梁頂面標(biāo)高、墩頂偏位各做一次全面復(fù)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(yù)應(yīng)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(jié)果
最優(yōu)控制的先決條件是觀測結(jié)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(biāo)高都必須記錄詳細(xì)。要想施工控制分析客觀準(zhǔn)確，這些數(shù)據(jù)支持是必不可少的。
3.4 立模標(biāo)高確定
待建立正確的模型和性能指標(biāo)后，需參考控制參數(shù)和設(shè)計參數(shù)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)，包括活載、二期恒載、施工荷載、施工狀況、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等，放入分析系統(tǒng)中計算，可得到結(jié)構(gòu)按施工節(jié)段進(jìn)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(shè)成橋后的理想轉(zhuǎn)臺的各節(jié)段的預(yù)拋高值，得出各施工節(jié)段的立模標(biāo)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(yù)計標(biāo)高。
立模標(biāo)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(yù)拋高值；Hsj表示設(shè)計標(biāo)高；Hlm表示立模標(biāo)高。
預(yù)計標(biāo)高為：Hyj=Hypg-fi-fg1
式中：fi表示澆筑當(dāng)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(biāo)高進(jìn)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(biāo)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(shè)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(jìn)行了較大幅度的調(diào)整；掛籃前移與預(yù)應(yīng)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(gòu)懸臂端標(biāo)高差13mm，線路中線差9mm，滿足規(guī)范要求。
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