主跨138米預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋的施工控制

主跨138米預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋的施工控制一、工程概述

金沙洲大橋(糖廠大橋)位于廣州市西部，是為了配合金沙洲小區(qū)的開發(fā)而建的一座跨越珠江的大型城市橋梁。主橋上部結(jié)構(gòu)為93.0m+138.0m+93.0m三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。全長324.0m，橋?qū)?2.0m，為單箱單室結(jié)構(gòu)。箱梁為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，頂面寬度為22.0m，箱寬為10.0m。箱梁根部梁高為7.0m，邊跨及中跨合攏段梁高為3.0m，梁底下緣按二次拋物線設(shè)置。設(shè)計荷載為汽車-20級，掛車-100，總體布置見下圖。

二、施工控制的內(nèi)容和目的

橋梁施工控制的目的就是確保施工中結(jié)構(gòu)的安全和確保結(jié)構(gòu)形成后的外形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

對于懸臂施工的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)來說，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實值進行施工階段的仿真分析，確定出每個懸臂澆筑階段的立模標高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預(yù)測和對下一立模標高進行調(diào)整，以此來保證成橋后橋面線型、合攏段兩懸臂端標高的相對偏差不大于規(guī)定值，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

三、施工控制的仿真分析

大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的施工采用分階段逐步完成的懸臂施工方法時，結(jié)構(gòu)的最終形成必須經(jīng)歷一系列的施工過程，對施工過程中每個階段進行詳細的變形計算和受力分析，是橋梁施工控制最基本的內(nèi)容之一。為了達到施工控制的目的，我們必須首先通過計算來確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個階段在受力和變形的理想狀態(tài)，以此為依據(jù)來控制施工過程中每個階段的結(jié)構(gòu)行為，使其最終成橋線型和受力狀態(tài)滿足受力要求。

1、仿真分析的計算模型

在進行仿真計算時，將金沙洲大橋主橋簡化成平面結(jié)構(gòu)，各懸臂施工階段離散梁單元，整個橋梁離散為101個梁單元，102個節(jié)點，主墩Z1，Z2，Z4簡化為活動鉸支座，Z3簡化為固定鉸支座。其成橋結(jié)構(gòu)計算簡圖見《仿真計算模型的單元及節(jié)點劃分圖》。

仿真計算模型的單元及節(jié)點劃分圖

2、仿真分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

大多數(shù)情況下，采用規(guī)范設(shè)計參數(shù)計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移均較實測值大，這對設(shè)計是偏于安全的，但對于結(jié)構(gòu)施工控制來說是不容忽視的偏差，因為它將直接影響到成橋后結(jié)構(gòu)線型及內(nèi)力是否符合設(shè)計要求。此次仿真分析的設(shè)計參數(shù)取用原則是：結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的取值盡量和實際相吻合；對于主要的可以測定的設(shè)計參數(shù)，則用試驗數(shù)值；難以測定的則依照設(shè)計規(guī)范，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗進行修正。設(shè)計參數(shù)的具體數(shù)值見表一：

設(shè)計參數(shù)數(shù)值表

表一

項

目

設(shè)計參數(shù)

材

料

50號砼，預(yù)應(yīng)力

鋼絞線，

，

砼算參數(shù)

彈性繼效系數(shù)0.3

徐變速度系數(shù)0.021

瞬時徐變系數(shù)0.8滯后徐變系數(shù)0.4

環(huán)境相對濕度0.7

砼平均加載齡期10天

預(yù)應(yīng)力計算參數(shù)

錨具變形與鋼束回縮值4mm，鋼絞線松弛損失按控制應(yīng)力的4.5%，管道摩阻系數(shù)u=0.25，管道偏差系數(shù)k=0.002

設(shè)計荷載

一期恒載

容重

二期恒載:防撞欄7.889

橋面鋪裝:瀝青

預(yù)應(yīng)力錨下控制應(yīng)力

溫度荷載

年溫差

，日照溫差頂板升溫

支座沉降

10mm

3、施工階段的劃分

本橋采用懸臂澆筑方法施工，在施工過程中，設(shè)置了臨時支撐，在計算中除了考慮設(shè)置永久支座外，在懸臂施工期間設(shè)置了4個臨時豎向約束，以模擬實際施工的臨時支撐。本次計算實際共劃分為23個施工階段和1個運營階段，嚴格和實際施工狀態(tài)相對應(yīng)。各施工階段內(nèi)容詳見表二。

施

工

階

段

劃

分

表

表二

施工階

段

內(nèi)容

1

安放臨時支座，支架現(xiàn)澆0號塊和1號塊。張拉頂板T0和T1束

2～20

依次懸臂澆筑2～20號塊。依次張拉頂板T2～20束

21

支架現(xiàn)澆26號塊到22號塊，安裝邊跨合攏段剛性聯(lián)結(jié)，澆筑邊跨21號塊，從長束到短束順序張拉邊跨底板預(yù)應(yīng)力束，邊跨合攏。

22

澆筑中跨21號塊，按從長束到短束順序張拉中跨底板預(yù)應(yīng)力束，中跨合攏

23

拆除中跨合攏段掛籃，橋面系施工

24

運營階段

4、施工荷載的模擬

在預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋的懸臂施工中，掛籃和模板機具設(shè)備重對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的影響很大，所以在仿真分析中，必須考慮施工荷載－主要是掛籃的影響。一般說來在現(xiàn)澆1號段混凝土?xí)r掛籃設(shè)備的靜載全部落在墩頂上的0號段上，但是，在懸臂澆筑過程中，混凝土的重量不斷增加，使掛籃設(shè)備上的伸臂發(fā)生彈性變形，它使底模板前端的標高也發(fā)生同樣的變形，類似的變形將同樣的發(fā)生在以后各階段的施工中，這種變形在掛籃拆除后卻不能得到恢復(fù)。因此在各節(jié)點的預(yù)拱度值中，均應(yīng)計入這個影響，但是也可以調(diào)整的吊帶來解決。當(dāng)澆筑2號段混凝土掛籃設(shè)備一般分成兩截，分別固定在（或者部分地落在）已完成的懸臂階段上，由于掛籃具有一定的靜載，尤其在大跨度橋梁的懸臂施工中，掛籃設(shè)備的重心距離懸臂梁的根部的力臂較大，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，但在掛籃拆除后，又使原來的變形得到恢復(fù)。

此次仿真分析計算充分考慮了施工荷載的影響，在仿真分析中模擬了掛籃的安裝和拆除，以及掛籃前進的工況，掛籃的計算重量為800KN（其值由施工單位實測得到）。

5、懸臂施工的撓度計算

在橋梁懸臂施工的控制中，最困難的任務(wù)之一就是施工撓度的計算與控制。我們所采用的分析軟件BRCAD5.1和BSAS的系統(tǒng)會根據(jù)不同階段的受力狀態(tài)自動考慮混凝土的收縮徐變影響、預(yù)加力的影響、溫度變化的影響以及支座沉降的影響，其中混凝土收縮徐變的計算考慮了各階段混凝土應(yīng)力變化的影響，在預(yù)應(yīng)力損失的計算中，對每個階段內(nèi)每個截面上的每組鋼束都分別進行了計算。

為了的方便，下面列出懸臂橋梁施工時結(jié)構(gòu)的總撓度計算公式（包括短期彈性撓度和已發(fā)生的徐變撓度變形）

式中：

――扣除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力產(chǎn)生的上拱度

――梁段自身靜載（即一期恒載）產(chǎn)生的下?lián)隙?/p>

――懸臂施工時的臨時施工荷載產(chǎn)生的下?lián)隙?/p>

――混凝土隨齡期增大的徐變系數(shù)

對于橋梁長期荷載作用下的總撓度

的計算，還必須考慮二期恒載和活載的作用所產(chǎn)生的撓度，計算公式為

式中：

――二期恒載產(chǎn)生的下?lián)隙?/p>

――靜活載作用下產(chǎn)生的下?lián)隙?/p>

――混凝土徐變系數(shù)終值

綜合考慮各種因素后，將各影響參數(shù)輸入軟件中，由軟件自動算出各施工階段每一梁段的撓度，合攏時的撓度，合攏后二期恒載作用下的撓度，以及活載作用下的撓度。

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在施工階段對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響較大的設(shè)計參數(shù)主要梁自身靜載、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力；材料的彈性模量E和剪切模量G、施工臨時荷載－掛籃、混凝土的收縮與徐變變形的性能以及混凝土加載齡期的變化對變形影響較大，其它的參數(shù)影響較小。

根據(jù)規(guī)范可知，橋梁的預(yù)拱度公式為：

所以成橋后橋面標高：

。

6、施工階段立模標高的確定

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標高的合理確定，是關(guān)系到主梁的線型是否平順，是否符合設(shè)計的一個重要問題，如果在確定立模標高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確的控制，則最終橋面線型較好。否則，最終橋面線型會與設(shè)計線型有較大的偏差。

眾所周知，立模標高并不等于設(shè)計中橋梁建成后的標高，總要設(shè)置一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形（撓度）。其計算公式如下：

式中：

――施工i梁段時i梁段的立模標高（梁段最前端某確定位置）

――i梁段設(shè)計標高

――施工i梁段時混凝土澆筑前i梁段的總撓度（軟件自動算出）;

――施工i梁段掛籃的變形值

其中掛籃的變形值是根據(jù)掛籃加載試驗，綜合各項測試結(jié)果，最后繪制出掛籃荷載－撓度曲線，進行內(nèi)插而得。

此立模標高計算公式簡單，概念清楚，使用方便，而且實際使用效果很好。

7、仿真計算主要結(jié)果

通過計算結(jié)果分析可知，箱梁在懸臂施工過程中，軸力、彎矩曲線較為順暢，施工階段截面上下緣均為壓應(yīng)力，而且都在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。

在運營階段，正常使用極限狀態(tài)下組合1箱梁應(yīng)力基本上處于全截面受壓狀態(tài)，而且滿足規(guī)范要求。其它荷載組合除了部分幾個截面頂板或底板出現(xiàn)很小拉應(yīng)力（最大不超過0.5MPa），箱梁應(yīng)力基本上處于全截面受壓狀態(tài)，箱梁的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

承載能力極限狀態(tài)：從附件中可以看出截面基本滿足規(guī)范要求。

各個施工階段的撓度曲線很順暢。撓度的變化也很正常。

四、施工控制的參數(shù)識別和現(xiàn)場測試

1、參數(shù)的識別

結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的變化能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化和形狀的改變，因此我們在大跨度橋梁的施工控制中，必須對設(shè)計參數(shù)進行識別和修正。不同的設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響程度是不同的?？偟恼f來，對于連續(xù)梁主要的設(shè)計參數(shù)有以下幾個方面：

（1）結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)：主要是橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑、高跨比、線型等，它們表征了結(jié)構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu)最初的狀態(tài)。（2）截面特征參數(shù)：截面的面積、抗彎慣性矩等。（3）與時間有關(guān)的參數(shù)：溫度、混凝土齡期、收縮徐變是隨著時間而變化的參數(shù)。（4）荷載參數(shù)：主要是結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重力、施工臨時荷載和預(yù)加力。（5）材料參數(shù)：主要是指材料的彈性模量E和剪切模量G，對于混凝土材料來說，這兩個參數(shù)有一定的波動，在橋梁的施工控制中要對其進行識別。

這五類設(shè)計參數(shù)在同一座橋梁的施工控制中并不是每一個設(shè)計參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響都是一樣的，因此我們要對設(shè)計參數(shù)進行辨別，一方面要確定設(shè)計參數(shù)的實際值，另一方面要辨別對結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響較大的設(shè)計參數(shù)即主要參數(shù)，為了達到這個目的，對設(shè)計參數(shù)的識別，總的來講，有兩種方法和手段：其一，通過現(xiàn)場測量來確定設(shè)計參數(shù)的值。這主要是結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)、截面特征參數(shù)和材料特征參數(shù)，它們可以通過現(xiàn)場測量方法或試驗測量手段來確定。其二，通過結(jié)構(gòu)計算分析來確定主要設(shè)計參數(shù)，也就是設(shè)計參數(shù)敏感性分析方法。在這里我們主要采用的是第一種方法。

2、現(xiàn)場測試

為了確保施工控制的順利實施，施工過程中各項技術(shù)參數(shù)的準確測定至關(guān)重要，它是進行施工控制的必要初始參數(shù)，它為施工的仿真分析提供了實測依據(jù)，是最終實現(xiàn)施工控制目的的最關(guān)鍵的一步。這次我們主要現(xiàn)場測試的內(nèi)容如下：

（1）應(yīng)力觀測：

在大橋上部結(jié)構(gòu)的控制截面布置應(yīng)力測點，以觀察在施工過程中這些截面的應(yīng)力變化與應(yīng)力分布情況。然后把結(jié)果及時反饋給設(shè)計人員，和計算結(jié)果相驗證，在計入誤差和變量調(diào)整后由設(shè)計人員分析以后每階段乃至竣工后結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)，同時可以根據(jù)當(dāng)前施工階段向前計算至竣工，預(yù)告今后施工可能出現(xiàn)的狀態(tài)并預(yù)報下一階段當(dāng)前一安裝構(gòu)件或即將安裝的構(gòu)件是否出現(xiàn)不滿足強度要求的狀態(tài)，以確定是否在本施工階段對可調(diào)變量實施調(diào)整。經(jīng)現(xiàn)場測試，各施工階段被測梁段的應(yīng)力值和仿真分析的相吻合，應(yīng)力變化沒有出現(xiàn)異常。

（2）撓度觀測：

撓度觀測資料是控制成橋線型最主要的依據(jù)，根據(jù)以往的經(jīng)驗，在每個施工段的斷面上上布置五個高程觀測點1、2、3、4、5，順序是從上游至下游排列，間距為6米＋5米＋5米＋6米，控制點3為橋梁中線點，這樣不僅可以測量箱梁的撓度，同時可以觀察箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在施工過程中，對每一截面需進行立模、混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉前、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后的標高觀測。以便觀察各點的撓度和箱梁曲線的變化歷程，保證箱梁懸臂端的合攏精度和橋面線型。為了盡量減少溫度的影響，撓度的觀測安排在早晨太陽出來之前進行。以這些觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，進行有效的施工控制。由于測量數(shù)據(jù)太多，現(xiàn)僅將各施工的控制點3從10號塊到20號塊在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后理論標高和實測標高值列于下表：

各

節(jié)

點

立

模

標

高

斷面號

Z2墩

Z3墩

理論標高

實際標高

差值（米）

理論標高

實際標高

差值（米）

10’－10’

21.621

21.622

0.001

21.621

21.610

0.011

10－10

22.811

22.806

-0.005

22.817

22.809

-0.008

11’－11’

21.539

21.535

-0.004

21.539

21.528

-0.011

11－11

22.848

22.838

-0.010

22.848

22.841

-0.007

12’－12’

21.456

21.448

-0.008

21.456

21.442

-0.014

12－12

22.844

22.872

-0.012

22.884

22.875

-0.009

13’－13’

21.371

21.358

-0.013

21.371

21.373

0.002

13－13

22.918

22.914

-0.004

22.918

22.905

-0.013

14’－14’

21.276

21.262

-0.014

21.276

21.279

0.003

14－14

22.961

22.953

-0.008

22.691

22.952

-0.009

15’－15’

21.168

21.153

-0.015

21.168

21.170

-0.002

15－15

22.992

22.995

0.003

22.992

22.990

0.002

16’－16’

21.056

21.048

-0.008

21.056

21.052

-0.004

16－16

23.018

23.011

-0.007

23.018

23.015

-0.003

17’－17’

20.940

20.935

-0.005

20.940

20.938

-0.002

17－17

23.041

23.035

-0.006

23.041

23.032

-0.009

18’－18’

20.817

20.810

-0.007

20.819

20.798

-0.011

18－18

23.056

23.041

-0.015

23.056

23.036

-0.020

19’－19’

20.668

20.677

-0.011

20.694

20.683

-0.011

19－19

23.063

23.045

-0.018

23.063

23.046

-0.017

20’－20’

20.515

20.498

-0.017

20.531

20.523

-0.008

20－20

23.057

23.043

-0.014

23.057

23.041

-0.016

從表中可以看出：

1、理論標高和實測標高最大誤差為20mm，理論值和實測值符合較好，在施工不需要調(diào)整立模標高，給施工帶來了很大的方便。也更好地立模標高的計算模式合理，具有很強的實用性。

2、合攏時兩個合攏段理論標高和實測標高均為誤差為16mm，它們的相對高差為2mm，兩者在同一水平線上，合攏時不需要進行壓重和糾偏，可以直接合攏。保證了成橋后橋面線型平順，與設(shè)計相吻合。

（3）溫度控制

溫度是影響主梁撓度的最主要的因素之一，溫度變化包括日溫度變化和季節(jié)變化兩部分，日溫度變化比較復(fù)雜，尤其是日照作用，季節(jié)溫差對主梁的撓度影響比較簡單，其變化是均勻的。因此為了摸清箱梁截面內(nèi)外溫差和溫度在截面上的分布情況，在梁體上布置溫度溫度觀測點進行觀測，以獲得準確的溫度變化規(guī)律。

（4）混凝土彈性模量和容重的測量

混凝土彈性模量的測試主要是為了測定混凝土彈性模量E隨時間的變化規(guī)律，采用現(xiàn)場取樣通過萬能實驗機進行測定?；炷翉椥阅Ａ亢腿葜氐臏y量是在現(xiàn)場取樣，采用實驗室的常規(guī)方法進行測定。

（5）鋼絞線管道摩阻損失的測定

在進行鋼絞線張拉時，由于管道摩阻會造成預(yù)應(yīng)力不同程度的損失，本測試項目旨在定量地測量鋼絞線管道摩阻損失，以確定有效的預(yù)應(yīng)力。

五、施工控制的措施

（1）在懸臂施工過程中，對撓度和施工標