连续梁桥挂篮施工监控技术研究―祁水河大桥为例
2017-02-27
1、前言
预应力混凝土梁桥在高速公路，高速铁路中是最常见的桥型。因为该桥型具有变形小，结构刚度好，行车平稳，抗震能力强，养护相对于其他桥型简单等优点。常采用挂篮悬臂浇筑施工。对于采用该方法施工的预应力混凝土连续梁桥来说，桥梁最终结构的形成要经历一个漫长而复杂的过程，而且施工期间桥梁结构体系也将随着施工阶段的不同而不断变化。施工过程中，因设计参数误差、施工误差、测量误差及结构分析模型误差等原因，将导致施工过程中桥梁的线形、内力与理想目标存在一定的偏差，这种偏离如不及时识别和调整，累计到一定程度后将对施工过程中结构可靠度和安全带来严重影响。对于预应力混凝土连续箱梁桥在施工过程中，已形成的悬臂状态事后是无法调整的，当线性误差出现时，将会永远存在，而通过重新调整后续梁段的立模标高能消除的已施工梁段的残余误差十分有限，有时甚至无法完全消除。为此，必须进行施工过程的监控，以确保施工过程中结构的可靠度和安全，确保合龙精度和体系转换的顺利进行，最终使成桥后的桥面线形、内力符合设计要求。
2、 工程概况
该桥梁叫做祁水河大桥位于湘桂铁路衡阳至永州段里程为DK99+805.25，桥全长305.250m，设计线路等级为Ⅰ级，线路情况为双线，线间距4.6m，牵引类型为电力牵引，设计速度为250km/h客运专线。祁水河大桥共有1联（48+80+48）m连续梁，对应的桥墩编号分别为1#-4#。
（48+80+48）m连续梁梁全长177.3m，中支点梁高6.49m，跨中梁高3.89m，边支座中心线至梁端0. 65m。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.2m，底宽6.4m，顶板厚度78-43cm，底板厚度100-50cm，腹板厚度100-50cm，中心梁高由6.49m渐变到3.89m。在端支点、中支点、中跨共设5个横隔板，隔板设有孔洞。箱梁半跨中半中支点截面如图1。
图1 箱梁截面示意图
连续梁共分12段，11#段为合拢段，12#为边跨现浇段。
0#段长8m，中心梁高6.49m，梁底宽6.4m。1#-10#块长为3×3m+4×3.5m+3×4m，梁高由6.49m渐变到3.89m。中、边跨合拢段长均为2m，梁高3.89m。边跨现浇段长7.65m，梁高3.89m。悬浇段最重块为1#块，重150.8t，悬臂挂篮施工最长梁段为4m。
主梁箱梁单“T”共分为10段悬臂浇注，0号梁段长8m，其余1～10号梁段分别为3×300cm+4×350cm+3×400cm，边跨和中跨合拢段均长2米；以两主墩为中心形成两个“T”对称悬臂浇注施工，0号梁段采用搭设托架浇注完成，其余梁段采用挂篮浇注。两边跨现浇段采用满堂支架浇注。全桥合拢顺序为：同时合拢两个边跨，接着合拢主跨。
3、 监控内容
3.1监控原则
为了对成桥的目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。所以对于连续梁桥施工控制主要以主梁线形控制为主。
线形控制主要是严格控制主梁每一节段的竖向挠度及横向偏移。若偏差较大时，必须立即进行误差分析并确定调整方法，为下一节段更为精确的施工做好准备。主梁线形（变形）控制的最终目标是保证主梁的整体标高和局部平顺性，使成桥后（通常是长期变形稳定后）主梁的标高满足上述两方面的要求。其次，主梁的实际轴线与理论轴线的偏差应符合设计和桥梁工程质量评定标准等要求。
3.2监控流程
在各施工阶段中，根据状态变量（控制点位移）的实测值与相应理论值的差值对影响参数进行误差识别；根据已施工梁段的影响参数识别结果，对未施工节段的相应参数进行误差预测；计算影响参数的误差对成桥标高的影响，求出各节段标高的调整值。施工控制流程图2。
施工控制的目的是对成桥目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。
图2 施工监控流程图
3.3桥梁理论计算建模
将主桥主梁分为70个单元，共49个施工工序，成桥后的有限元模型图3。在施工控制过程中，计算桥梁施工的控制参数，同时对计算结果与实测结果进行比对，施工过程中对各个基本参数进行识别，并不断调整，以期达到最优效果。
图3 祁水河大桥成桥后有限元模型图
理论计算采用 “桥梁博士”系统3.0版计算软件建立全桥的平面有限元分析模型，模拟桥梁的施工过程，计算结构的内力和变形。最后确定该桥的全桥仿真理论计算施工阶段49个表1。
表1 祁水河大桥连续梁桥施工阶段信息
3.4立模标高计算
在主梁的悬臂浇筑过程中，梁段立模标高的合理确定，是关系到主梁的线形是否平顺、是否符合设计的一个重要问题。如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终桥面线形较为良好；如果考虑的因素和实际情况不符合，控制不力，则最终桥面线形会与设计线形有较大的偏差。
众所周知，立模标高并不等于设计中桥梁建成后的标高，总要设一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形（挠度）。其计算公式如下：
（3-1）
式中： ―i节段立模标高（节段上某确定位置）； ―i节段设计标高；
―由各梁段自重在i节段产生的挠度总和；
―由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和；
―混凝土收缩、徐变在i节段引起的挠度；
―施工临时荷载在i节段引起的挠度；
―使用荷载在i节段引起的挠度；
―挂篮变形值。
其中挂篮变形值是根据挂篮加载试验，综合各项测试结果，最后绘出挂篮荷载―挠度曲线，进行内插而得。
4、 主梁挠度变形观测
4.1控制精度和原则
1）立模必须在一天中相对稳定均匀温度场（一般为日出前）完成；
2）立模标高允许误差：±5mm；
3）主梁质量控制要求：按施工规程要求对主梁横截面尺寸的误差严格控制；
4）已浇梁段系统控制误差：-5mm～15mm；
5）其他：主梁轴线、桥面平整度等参数允许误差按有关规范取值。
4.2测点布置
挠度测量数据是控制成桥线形最主要的依据。在预应力混凝土连续梁桥箱梁悬臂施工中，通过在每个悬浇梁段上布置9个对称的高程观测点，可以同时观测箱梁的竖向挠度及扭转变形情况。观测点为预留露出混凝土（约5cm）的钢筋头，顶板钢筋头布置在中心和翼缘边缘，底板布置在底板中心和底板边缘，钢筋头都用红漆作了标记，如图5-1所示。在跨中箱梁顶板底板处设置临时水准点。
图4 测点布置
4.3主桥施工阶段的监控成果
在开始挂篮施工之前，对其进行挂蓝预压试验，并观测挂篮试压情况，掌握施工挂篮的弹性变形和残余变形情况；在开始挂篮施工之后，多次观测浇注前后挂篮的变形情况，对后续立模标高做好充分准备。
主要施工阶段，主梁的绕度见图5。最不利活载作用下的挠度见图6。主梁悬臂施工过程中需预拱度，预拱度的值为恒载作用下的挠度值和0.5倍最不利活载作用下的挠度值之和的反拱值。祁水河大桥主梁预拱度的设置见图7，主要施工阶段主梁线形见图8。
图5 主要施工阶段主梁挠度 图6 主梁最不利活载作用下挠度
图7 主梁预拱度图 8 主梁主要施工阶段线形
4.4结果分析
在对祁水河连续梁桥施工阶段的监控发现，挠度变化具有很强的规律性：
1、浇筑混凝土之后，悬臂梁呈下挠变形；张拉预应力后，悬臂梁呈上挠变形；挂篮前移后，悬臂梁呈下挠变形。上述各工况中挠度变形均随着悬臂长度的增加而增大。
2、各种工况下，2#、3#号墩两侧的悬臂端的挠度变化基本对称。
3、各工况下，同一梁段上的9个挠度监测点实测挠度变化几乎相等，说明在各工况下，箱梁没有出现横向扭转现象。
5、 结语
在日益发展的桥梁施工技术过程中，施工监控是非常重要的部分。主要目的是确保施工中的安全，同时保证成桥后各构件的线形和内力状态符合设计以及规范要求。
可以时刻监控桥梁内部的应力变形状态，并且对桥梁施工有巨大的控制和指导作用，保证了桥梁结构的稳定以及安全。
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作者简介：曾奕衡（1985-），男，宝兰铁路中铁二局生产副经理
