大跨径连续刚构弯箱梁桥的施工监控

大跨径连续刚构弯箱梁桥的施工监控

于强猛王生宁

【摘要】本文以浦南高速公路常坑大桥为例，介绍大跨径连续刚构弯箱梁桥施工监控的原则、监控工况的选择、监控计算、现场测试工作、参数识别、标高的控制，并讨论了连续刚构桥主墩设置预偏量的必要性，以及在施工时主墩未设置预偏量的补救措施，为同类型桥梁的施工控制提供借鉴。

【关键词】连续刚构施工监控

1工程概况

常坑大桥主桥采用大跨径连续刚构弯箱梁桥，三跨连续T构，全长220M，跨径组合为（60＋100＋60）。大桥选用分节段悬臂施工，预应力索分阶段张拉，主梁在自重等竖向荷载作用下除产生弯曲内力外，还会产生扭转内力，结构受力将比较复杂。箱梁横截面为单箱单室变截面直腹板箱形断面，箱梁顶板宽度为12.25m，底宽6.25m，箱梁梁体两翼板悬臂长度为3.0m；箱梁高度在中间支点处5.6m，边跨直线段及主跨跨中处2.5m，其高跨比分别为1：17.86和1：40。

2施工控制目的与意义

作为大跨径连续刚构弯箱梁，施工监控就是通过对施工过程中桥梁结构各部分的变形量、应变应力进行监测和监控，确保施工过程中桥梁结构的合拢精度和成桥后结构的线型符合设计要求。通过在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，可以根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应的调整。并且在已建结构偏离控制目标时及时调整下一阶段的挂篮定位标高，以保证结构线形的平顺，并监控实际内力分布，使箱梁始终处于安全受力范围内。

大跨径连续刚构弯箱梁是一种多次超静定体系，尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工过程的复杂性，事先难以精确估计结构的实际状态，施工过程中各种复杂的因素都有可能引起结构的几何形状及内力状况的改变。因此对其进行线位控制与应变应力控制十分重要。影响施工过程中桥梁结构线形及内力的因素主要有以下几方面：箱梁混凝土的块重、混凝土弹性模量，混凝土收缩、徐变、配筋误差、预应力索道位置误差、张拉力误差；测量误差以及桥梁施工临时荷载等等。

3 施工控制原则

施工控制的总体原则就是实现设计对成桥目标的要求，为了实现这一目标，需在施工过程中对各阶段进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差，确保成桥后的线型满足计算要求。本桥将对施工阶段桥梁结构线形及箱梁内力状况进行监控，其中以线形控制为主，应力控制为辅。

4 施工控制方法

本桥采用基于最小二乘法的纠偏终点方法，加上了一个系统参数识别过程，即为施工——量测——参数识别——分析——修正——预测——施工的循环过程，即在施工过程中，比较结构测量的受力状态与模型计算结果，依据两者的误差进行参数调整（识别），使模型的输出结果与实际测量的结果相一致。利用修正的计算模型参数，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。在每一工况返回结构的量测数据之后，要对这些数据进行综合分析和判断，以了解已存在的误差，并同时进行误差原因分析。在这一基础上，将产生的误差的原因尽量予以消除，给出下一个工况的施工控制指令，使现场施工形成良性循环。这样，经过几个工况的反复识别后，计算模型就基本上与实际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。但是，在运用上述思路时，应根据具体桥型控制的不同特点，采取不同的对策；在施工前确定合理的施工步骤、现场严格按预定的施工步骤进行施工、及时发现和纠正已经存在的误差是本桥施工控制的关键。

5 施工控制的计算

采用同济大学同豪土木工程咨询有限公司的“桥梁博士”结构计算软件。桥梁博士软件为国内较通用的用于桥梁设计计算与监控的软件。关于桥梁结构的离散化，主梁和墩采用线性梁单元进行模拟，主梁和墩顶的约束关系通过释放梁端部约束来模拟，主墩墩基结合部视为固定支座，两边跨端视为活动铰支座。由于主桥合拢前后结构体系将发生转变，即对称的单“T”静定结构转变为对称的超静定结构。故在合拢前，只需要单“T”分别进行调整。

6 施工过程现场测量

现场监测监控的主要内容包括线形控制与应力控制，根据以往监控经验，及考虑到应力测试过程中影响因素太多，在常坑桥的监控过程中以线形控制为主，应力控制为辅。线形控制包括挠度观测与平面位置观测。

同时为了使监控工作能更好地配合施工工作，为理论计算提供结构实际参数，必须进行必要的辅助试验，如挂蓝试验、托架与支架静载试验、混凝土弹模及容重测试、温度观测等。

6.1标高观测

为了保证常坑桥主桥预应力混凝土连续刚构采用悬臂浇筑施工方法的质量和安全，控制每一梁段施工的中线位置和标高，监测施工过程中各块箱梁的挠度变化情况，为箱梁标高调整提供依据，保证悬臂浇筑施工的悬臂合拢平面和高程差控制在设计要求的范围之内，标高测量使用Topcon AT-G2 精密水准仪，高程控制网使用施工控制网。施工控制网包括平面控制网和高程控制网。

如图6-1所示在桥墩上0#块箱梁平面布置9个施工控制基准点，组成一个矩形控制网。

箱 梁 中 心 线

图6-1 高程观测基准点布置图（单位：cm）

6.2箱梁平面位置观测

高程控制点作为平面位置的控制点，在墩顶位置设置3个长期平面位置观测点，其余各箱梁节段顶板的梁轴线上设置1个长期平面位置观测点（位置处于梁中）。这些标高观测点的平面位置保证有足够的精度（平面位置误差在2mm以内），才能进行平面位置监控。

6.3应力监测

为了保证常坑大桥在施工过程的结构安全，及时掌握结构的受力状态，在大桥的左幅1号段截面和合龙截面，共4个截面安装了应变传感器。具体位置示意如图6－3（a）所示。应变计按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面。共布置24个应力量测点，每个截面布设布置6个测点。在每一节段施工过程中应该进行的测试工况：①浇注混凝土后；②预应力张拉后，共2个测次。主梁合龙及二期恒载施工完毕也应各进行1次应力测试。

11#

1

234

（

a ） 应力测试断面布置图

（b ） 1#、3#、4#截面应力测试点布置图

（C ）2#、5#截面应力测试点布置图

图6－3 箱梁断面应力测点布置图

6.4温度观测 温度变化对桥梁结构的受力与变形影响很大，其中温度变化包括季节温差、日照温差等。尤其是日照温差的变化对刚构连续梁结构内力的影响是非常复杂的。考虑到箱梁温度变化大致相同，本桥设置支点与跨中2个温度观测断面，共12个测点。采用电阻式温度传感器及大气温度计、点温度计。共安排混凝土浇筑前后、预应力张拉前后4个工况。将一天中温度变化较小的凌晨作为控制所需实测数据的采集时间，以获得准确的温度变化规律。

6.5相关参数测定试验

同时为了能使监控工作能更好地配合施工工作，为理论计算提供结构实际参数，必须进行必要的辅助

试验，如挂蓝试验、托架与支架静载试验、混凝土弹模及容重测试等等。

6.5.1挂篮预压试验

挂篮在箱梁自重和其他施工荷载作用下将发生变形。这种变形一般包括弹性变形和非弹性变形。

为了掌握挂篮变形的大小，要根据挂篮形式，按照不同梁段的重量及施工荷载（模板重量、施工人员数目等）分别计算相应变形。挂篮变形要通过预压试验才能最终获得。预压试验可视施工现场情况采用外力加载法和内力加载法。

每个挂篮都需要进行预压。预压加载最大值为最大浇筑块重量的1.3～1.4倍。预压试验可采用分级加载方法。分级加载次数及加载量尽量与梁段实际接近。加载时每级荷载持续时间不少于三十分钟。在加载预压试验中，对挂篮受力主要构件观测变形。

由挂篮预压试验应整理出加载变形曲线，并且得到各梁段施工时挂篮的竖向变形值。

6.5.2支架和托架静载试验

对于边跨现浇段和各跨的 0号块是采用支架施工。在支架投入施工使用前，须进行支架的静载试验。

支架静载试验采用分级加载，每级荷载持续不少于30分钟，最后一级为1小时，然后逐级卸载，分别测定各级荷载下支架变形值。

支架静载试验的最大加载按设计荷载的1.3～1.4倍计。

支架静载试验结果应获得各级加载和卸载时，相应的支架变形值。

6.5.3混凝土弹性模量及容重的测试

结构材料的弹性模量和结构变形有直接关系，对通常遇到的超静定结构来讲，弹性模量对结构分析结果的影响就更大了。但施工成品构件的弹性模量总与设计采用值不完全一致，所以在施工过程中要根据施工进度作经常性的现场抽样试验，特别是要注意混凝土强度波动较大的情况，随时在控制分析中对弹性模量的取值进行修正。

7 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摸上，由下式计算得到：

H=H0+H+fg+fn

式中H——挂篮的定位标高；

H0——箱梁底面设计标高；

H——倒退分析计算得到的预抬高量；

fg——挂篮的弹性变形；

fn——待施工节段的控制线形与设计标高的差值。

8处理一个特殊问题：主墩的垂直度修正

由于连续刚构桥在外形上与连续梁桥相似，并且连续梁桥的施工控制已得到足够的重视并积累了一定的经验，因此，往往一些工程师简单地将两种桥型的施工控制等同起来。但是，在连续梁桥中，上部结构的变形由于支座的作用不会传递到下部结构中；与此不同，连续刚构桥的桥墩与箱梁块件固接，利用薄壁墩的柔性变形来抵消箱梁的纵桥向位移。分析一下施工过程就可发现，在中跨合龙后张拉中跨底板预应力束的过程中，主墩会由于梁作受轴向压缩和上拱而向中跨方向倾斜，而且随着徐变的发展，此倾斜还有扩大的趋势。有限元分析也反映了这一点。根据计算，在常坑大桥中，预应力张拉完毕，主墩顶端会向中跨倾斜1.8cm，三年徐变后会扩大至4.5cm。本桥的主墩高为28.494m，而JTG F80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》要求主墩的垂直度偏差不得超过20mm，显然垂直度的要求不能得到满足。对于发生在连续刚构桥中的这种特殊情况，最可靠的解决办法是在施工中不但箱梁要设置预抛高，主墩也要有一定的预偏量。

但是，施工控制人员进场开始实施施工控制时，主墩施工已经结束且没有注意到这个问题。作为补救措施，控制人员提出以下措施：在中跨合龙前用千斤顶在两个单T的悬臂端之间施加推力，迫使两个主墩产生预偏量，然后安装临时固接支架，在浇筑合龙段混凝土前拆除千斤顶。据计算，使主墩产生3cm的预偏量所须的推力为2600kN，而且对主墩和箱梁的受力不会产生不利的影响，甚至此作用力可抵消一部分成桥后的徐变内力。同时，作此处理会引起一些其他方面的问题：千斤顶下的混凝土局部承压须仔细验算；中跨合龙临时固接支架在设计中是基本不受力的，但现在须在千斤顶拆除后承担相应的推力，其受力性能须作仔细验算，包括应力、失稳及支架内部传力途径的安全性。

9 监控成果

采用上述理论对常坑大桥实施施工控制后，全桥线形变化平顺，并且两幅桥变化规律基本一致。边跨合龙段长2m，合龙前两端设计高差均为6mm,实测高差分别为12mm(东岸左幅)、14mm(西岸左幅)、12mm(东岸右幅)、11mm(西岸右幅)。因此边跨合龙精度分别为+6mm、 +8mm、+6mm、+5mm。

中跨合龙段长2m，中跨合龙前左右幅东西岸前端相对标高差为4mm和6mm,中线偏差为5mm和6mm。中跨合龙后跨中处标高偏差分别为3mm和5mm。

由上可见，常坑大桥实现了高精度合龙，达到了设计要求。

10 结语

通过常坑大桥主桥连续刚构箱梁桥的施工监控的实践，我们可以得出如下结论：

（1）本桥施工过程中的主要变形为挂篮变形、结构温度变形和改变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）确保了施工过程中可靠性和安全性，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；

（3）为保证主墩的垂直度要求，连续刚构桥的主墩应设置预偏量，用来抵消中跨合龙后预应力

来引起的主墩变位。