中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
張俊仁
(沐城測(cè)繪(北京)有限公司, 北京 100102)
近些年,伴隨高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,大型橋梁建設(shè)也隨之空前發(fā)展,不僅帶動(dòng)了諸如設(shè)計(jì)、勘測(cè)、施工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也促進(jìn)了沿線城市經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。與此同時(shí),大型橋梁建設(shè)的施工及運(yùn)營(yíng)安全可靠性也逐漸成為社會(huì)及管理部門普遍關(guān)注的重點(diǎn)問題。
為保證橋梁施工期間的安全可靠及運(yùn)營(yíng)期間的行車安全舒暢等,在其施工期間進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)監(jiān)控,已成為橋梁建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。由于成橋的線形與內(nèi)力受諸如材料性能、立模標(biāo)高、施工工藝等因素影響[2],若施工過程中橋梁線形控制不嚴(yán),將會(huì)影響正常合龍,甚至給后期運(yùn)營(yíng)造成長(zhǎng)期隱患。因此,一方面必須在橋梁施工過程中利用測(cè)量手段對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài),并不斷地通過計(jì)算修正參數(shù),來調(diào)整和控制主梁立模標(biāo)高及軸線位置[3],最終使成橋后的線形符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另一方面由于施工中的各種狀況與理想狀態(tài)下的設(shè)計(jì)假定往往存在差異,因此還必須對(duì)關(guān)鍵控制截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè),對(duì)比結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況和設(shè)計(jì)狀況的差異,為結(jié)構(gòu)主要計(jì)算參數(shù)識(shí)別提供依據(jù)[4]。
云南新亞美谷物流園鐵路專線螳螂江特大橋?yàn)閮陕?lián)6跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,跨徑組合為(48+80+51.15)+(51.15+80+48)m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱但是直腹板、變高度梁體結(jié)構(gòu),下部基礎(chǔ)均采用灌注樁基礎(chǔ),中支點(diǎn)截面箱梁中心線處高6.0 m,跨中及邊跨直行段箱梁中心線處高3.3 m;梁部混凝土為C55;采用三向預(yù)應(yīng)力體系。該橋用掛籃懸臂澆筑施工,共分4個(gè)T構(gòu)對(duì)稱澆筑,懸臂澆注0～9#共10個(gè)梁段,中跨合龍段為2 m,中跨合龍后懸臂澆注部分邊跨段,最后為邊跨合龍。
線形控制監(jiān)測(cè)是通過對(duì)墩頂標(biāo)高、懸臂梁頂面標(biāo)高、主梁立模標(biāo)高、主梁頂面高程、對(duì)稱截面高差、多跨線形通測(cè)、結(jié)構(gòu)幾何形狀等數(shù)據(jù)采集結(jié)合仿真分析、建模計(jì)算等過程對(duì)在建橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施的動(dòng)態(tài)監(jiān)控過程。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算每個(gè)節(jié)段澆注的立模高度,并預(yù)測(cè)和調(diào)整下一節(jié)段的立模高度[5],確保分段施工后的合龍精度及成橋后的線形符合要求。同時(shí)在橋梁分段施工中,校核實(shí)測(cè)應(yīng)力與理論計(jì)算應(yīng)力符合情況,掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài),指導(dǎo)和控制參數(shù)調(diào)整,來確保結(jié)構(gòu)安全[6]。
3.1.1墩頂測(cè)點(diǎn)布置
利用橋梁沿線兩側(cè)的控制網(wǎng)點(diǎn),采用全站儀后方交匯法測(cè)出線路外預(yù)設(shè)基點(diǎn)的三維坐標(biāo)[7]。將該點(diǎn)作為箱梁高程的水準(zhǔn)基點(diǎn)并定期聯(lián)測(cè)。
以0#塊為例,布設(shè)高程觀測(cè)點(diǎn)來控制底板的設(shè)計(jì)標(biāo)高,并作為后續(xù)各懸澆節(jié)段的高程基準(zhǔn)。0#塊的頂板共布設(shè)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn),為方便梁底標(biāo)高的獲取,在箱梁里側(cè)墩頂橫隔板處增設(shè)一高程控制點(diǎn)。0#塊測(cè)點(diǎn)位置如圖1，其他塊參照0#布置。
圖1 0#塊高程觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖
3.1.2截面測(cè)點(diǎn)布置
圖2 懸臂前端觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖
各梁段的觀測(cè)點(diǎn)采用預(yù)埋方式,布設(shè)位置要求便于梁體標(biāo)高的數(shù)據(jù)采集及成橋后線形的復(fù)測(cè),并采取保護(hù)措施。各梁段高程觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在梁段底板前端處,在澆筑過程中采取保護(hù)措施。梁段懸臂前端觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖2所示,其底板觀測(cè)點(diǎn)可用來控制梁底標(biāo)高,亦可對(duì)梁段標(biāo)高進(jìn)行精確控制。
3.1.3主梁平面線形控制測(cè)量
主梁各階段的平面線形控制測(cè)量均在拆模后采用高精度全站儀進(jìn)行。線形控制測(cè)量步驟如下:
(1)主梁各節(jié)段的線形觀測(cè)
在懸澆節(jié)段的過程中,每個(gè)梁段均在懸臂底板布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
(2)調(diào)整模板標(biāo)高時(shí)測(cè)量
監(jiān)控小組現(xiàn)場(chǎng)對(duì)底模進(jìn)行精確測(cè)設(shè),使測(cè)設(shè)的模板標(biāo)高與立模標(biāo)高精確符合,誤差不超過、-0～+10 mm。
(3)混凝土澆筑完后測(cè)量
在混凝土澆筑完,并且達(dá)到測(cè)量條件后,將該梁段的2個(gè)底板測(cè)點(diǎn)與上1個(gè)澆筑梁段的梁頂測(cè)點(diǎn)聯(lián)測(cè)。
(4)預(yù)應(yīng)力張拉前測(cè)量
在混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間滿足預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉條件的前半日內(nèi),對(duì)該梁段2個(gè)底板測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
(5)預(yù)應(yīng)力張拉后測(cè)量
在該梁段預(yù)應(yīng)力張拉完并且模板拆除后半日內(nèi)對(duì)該梁段2個(gè)底板測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
(6)施工過程現(xiàn)場(chǎng)巡視
在每一道工序現(xiàn)場(chǎng)巡視主梁情況,并做好詳細(xì)記錄,發(fā)現(xiàn)異常上報(bào)。
(7)多跨線形的通測(cè)
為確保全橋線形的協(xié)調(diào)性,除各跨須滿足線形控制要求外,還須對(duì)主梁全程線形進(jìn)行多次通測(cè)。
3.1.4施工過程控制精度要求
滿足《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB10415的要求,主梁懸臂澆筑時(shí),施工控制精度如下:
(1)立模標(biāo)高允許偏差:10,-0 mm
(2)梁段軸線偏差≤15 mm;
(3)梁段頂面高程差:±10 mm;
(4)合龍段相對(duì)高程差合龍段長(zhǎng)的1/100,
≤15 mm;
(5)懸臂梁段高程:-5≤h≤15(mm)。
3.2.1應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
鑒于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,以變截面梁段為重點(diǎn)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則為T構(gòu)的左右側(cè)交替埋設(shè),分別布設(shè)在梁段的頂板中間及腹板外側(cè)鋼筋,梁高>4 m的布設(shè)3個(gè),梁高<4 m布設(shè)2個(gè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)均沿縱向布設(shè),測(cè)縱向應(yīng)變。各斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。
圖3 梁體斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖
3.2.2測(cè)試儀器
采用預(yù)埋振弦式應(yīng)力計(jì),量測(cè)精度控制在±1.0/100(F·S)以內(nèi),量程:±1 500 με。
3.2.3測(cè)試方式
將待埋設(shè)的應(yīng)力計(jì)按測(cè)試方向在主筋上固定,并將導(dǎo)線引到箱梁頂面,如圖4所示。每個(gè)施工節(jié)段混凝土澆筑完成并且預(yù)應(yīng)力張拉后,均測(cè)試應(yīng)力。根據(jù)施工單位提供的混凝土彈性模量的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。
圖4 應(yīng)力傳感器布設(shè)示意圖
本案例為大跨度橋梁,施工過程及工序復(fù)雜,影響成橋后的線形與受力參數(shù)因素較多,包括結(jié)構(gòu)剛度及自重、施工荷載、混凝土收縮徐變、溫度等[3]。而在線形控制計(jì)算立模標(biāo)高時(shí),都事先將這些參數(shù)假定為理想值。因此施工中可能會(huì)存在實(shí)際值與設(shè)計(jì)值不一致的情況,為了降低這種不一致性,在施工過程中需要對(duì)影響線形和受力的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集,判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)。同時(shí)通過計(jì)算,分析每個(gè)參數(shù)對(duì)主梁線形影響程度,進(jìn)而調(diào)整和修正待澆注的主梁立模標(biāo)高[8]。
因本橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,采用分節(jié)段逐步完成的懸臂施工方法,施工過程漫長(zhǎng)而且復(fù)雜,因此在施工過程當(dāng)中需要對(duì)每個(gè)階段進(jìn)行變形計(jì)算和受力分析[1]。為了達(dá)到線形控制的目的,首先要依據(jù)設(shè)計(jì)資料對(duì)橋梁施工期間的受力及變形進(jìn)行有限元分析計(jì)算,確定每個(gè)階段理想的受力和變形狀態(tài),據(jù)此指導(dǎo)和控制每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)施工,并最終確保成橋后的線形和受力能夠符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)構(gòu)有限元分析的內(nèi)容有:按照施工既定工序,結(jié)合設(shè)計(jì)基本參數(shù),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正裝、形變分析、控制截面應(yīng)變、應(yīng)力及內(nèi)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)預(yù)拱度計(jì)算分析,以確定立模標(biāo)高[9]。常用的有限元計(jì)算軟件有MIDAS/Civil、ANSYS和橋梁博士等。
本橋采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析,將主梁每個(gè)節(jié)段劃分為2個(gè)單元,主梁共劃分為106個(gè)單元。通過模擬該橋的施工過程,預(yù)測(cè)各施工狀態(tài)下的受力和理論變形。全橋有限元計(jì)算模型如圖5所示。
圖5 全橋有限元計(jì)算模型
根據(jù)既定的施工流程模擬本橋的施工過程。結(jié)合懸臂澆注施工方法,本橋的主要施工階段為懸臂施工0#塊-9#塊,中跨合龍,懸臂澆筑部分邊跨段12#和13#塊,邊跨合龍。每個(gè)主梁節(jié)段施工分掛籃前移,混凝土澆筑,以及預(yù)應(yīng)力張拉3個(gè)階段。該橋施工過程共劃分了43個(gè)施工階段,詳細(xì)施工過程見表1。
表1 連續(xù)梁施工階段劃分
結(jié)構(gòu)計(jì)算主要提供如下控制數(shù)據(jù):
(1)各施工梁段的計(jì)算撓度值
①箱梁結(jié)構(gòu)體自重、預(yù)應(yīng)力及混凝土收縮徐變所引起的懸臂前端撓度值;
②掛籃彈性變形;
③活載撓度值。
(2)各施工梁段的立模標(biāo)高
本橋作為大跨度連續(xù)梁橋,其懸臂施工過程中撓度控制是施工控制的關(guān)鍵[10]。其目的是將計(jì)算結(jié)果以及各節(jié)段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果比對(duì),通過調(diào)整梁段預(yù)拱度值,確保成橋線形符合設(shè)計(jì)預(yù)期[11]。懸臂澆筑各節(jié)段立模標(biāo)高計(jì)算公式如下:
(1)
式中:Hlmi為i節(jié)點(diǎn)的立模標(biāo)高,其中i節(jié)點(diǎn)為待澆筑段箱梁底板前端點(diǎn);Hsji為i節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高,因設(shè)計(jì)時(shí)提供的是軌底標(biāo)高,所以各節(jié)段梁底的設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)按照設(shè)計(jì)軌底標(biāo)高和梁高反推出來;∑fdi為i節(jié)點(diǎn)在施工過程中由恒載引起的向下的撓度累積值;fli為i節(jié)點(diǎn)由靜活載所引起的撓度值;fgl為掛籃彈性變形量。
5.1.1合龍后全橋標(biāo)高
在螳螂江大橋各節(jié)段施工監(jiān)控中,根據(jù)實(shí)測(cè)前期梁段的高程,計(jì)算本段梁體施工及后續(xù)梁段施工對(duì)本段梁體變位的影響,以及本段梁體的立模標(biāo)高,保證橋梁合龍精度和成橋線型符合設(shè)計(jì)要求。在每節(jié)段主梁施工中,提供了梁段的立模標(biāo)高,實(shí)測(cè)了混凝土結(jié)硬后及張拉鋼束后梁體的標(biāo)高。以7#墩墩為例,主跨合龍后,在跨中鋼束張拉之前全橋梁底高程具體數(shù)值見表2。
表2 7#-墩全橋合龍后梁底高程 單位:m
螳螂江大橋合龍后,橋梁梁底的成橋線形與理論標(biāo)高差值符合成橋線形和橋面高程的設(shè)計(jì)要求。
5.1.2施工過程中橋梁標(biāo)高
施工過程中各節(jié)段標(biāo)高和變形數(shù)據(jù)很多,也不一一列出,以7#墩主要梁段標(biāo)高和變形為例,變化見表3和表4。
施工過程中,梁底實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論標(biāo)高差值大部分控制在2 cm以內(nèi),符合設(shè)計(jì)要求。
表3 7#墩-8號(hào)塊(邊跨側(cè))實(shí)測(cè)標(biāo)高和變形 單位:m
表4 7#墩-8號(hào)塊(中跨側(cè)) 實(shí)測(cè)高程和變形 單位:m
5.2.1合龍后主梁應(yīng)力
跨中合龍時(shí),以7#墩為例,主橋底、頂板應(yīng)力實(shí)際測(cè)試值與理論計(jì)算值見表5和表6。
表5 主橋7#墩底板應(yīng)力 單位:MPa
表6 主橋7#墩頂板應(yīng)力 單位:MPa
實(shí)測(cè)主橋底、頂板混凝土未出現(xiàn)拉應(yīng)力,混凝土無開裂現(xiàn)象。
實(shí)測(cè)主橋頂、底板混凝土最大壓應(yīng)力小于12.0 MPa,實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)的差值指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值符合良好。
5.2.2施工過程主梁應(yīng)力
因施工過程中測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值太多,僅以8#墩0號(hào)塊測(cè)點(diǎn)隨施工階段變化的情況為例,詳見表7。
表7 8#墩-0號(hào)塊應(yīng)力隨施工過程變化 單位:MPa
實(shí)測(cè)8#墩0號(hào)塊頂、底板混凝土均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,混凝土無開裂現(xiàn)象。實(shí)測(cè)8#墩0號(hào)塊底、頂板混凝土最大壓應(yīng)力均小于12.0 MPa,滿足相應(yīng)規(guī)范要求,應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值符合良好。
盡管設(shè)計(jì)人員在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)盡可能考慮了施工中出現(xiàn)的情況,但是由于影響因素太多,事先難以精確估計(jì),因此在施工過程中對(duì)梁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)施工過程中的控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整是保證橋梁質(zhì)量的重要一環(huán)[12]。
本案例經(jīng)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控驗(yàn)證,各施工工序引起的橋梁變位的實(shí)測(cè)值和理論值符合良好,各施工階段高程控制準(zhǔn)確,誤差在規(guī)范允許范圍之內(nèi),成橋線形流暢,達(dá)到線形控制的預(yù)期目標(biāo)。但根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn),為保證橋梁運(yùn)營(yíng)質(zhì)量,除施工過程的監(jiān)測(cè)監(jiān)控外,后期還應(yīng)進(jìn)行靜動(dòng)載實(shí)驗(yàn)及運(yùn)營(yíng)階段的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí)根據(jù)后期監(jiān)測(cè)資料分析研究混凝土收縮徐變對(duì)本橋的影響程度,為今后同類型橋梁提供借鑒資料。
