大跨度PC連續梁橋施工控制方法應用

劉 欣

山東華邦建設集團有限公司,山東 濰坊 262500

0 引言

大跨度PC連續梁橋通常采用分段施工的方案,在懸臂施工、分段合龍、預應力張拉等階段,受到混凝土自重、掛籃變形等因素的影響,全橋整體線形有可能出現較大偏差,尤其在豎直方向,結構應力分布也會發生變化。為了確保連續梁高程控制精度和結構安全,應采取理論計算與現場監測相結合的方法,達到良好的施工控制效果。

1 工程概況

某大跨度PC連續梁跨河橋梁的總長度為295 m,橋跨設計方案為中跨125 m,2個邊跨均為85 m,橋面寬度為32 m,分為A、B兩幅。該公路橋為雙向6車道的一級公路。箱梁頂板和底板的寬度分別為16、10.6 m,為單箱雙室結構。為了便于施工,將PC連續梁劃分為若干個梁段,A幅對應梁段的編號為1#～15#,B幅對應梁段的編號為1′#～15′#,主梁為0#塊。

2 施工控制仿真計算

施工控制的重點為連續梁的線形和內應力,在工程實踐中,需要獲得線形和應力的理論值,再與實際監測值進行對比,進而評價施工控制的效果,仿真計算是求得理論值的有效方法,實施過程如下。

2.1 施工控制仿真模型

在仿真計算中采用有限元分析法,利用Midas Civil軟件建立橋梁的三維模型,共計形成94個梁單元和95個節點。模型計算階段需要輸入多個參數,包括混凝土強度等級、混凝土容重、鋼絞線強度、鋼絞線彈性模量等[1]。結合該項目的實際情況,模型計算參數見表1。

表1 有限元分析模型計算參數

2.2 仿真計算結果

仿真計算的結果包括各梁段混凝土塊體的理論應力、不同施工階段的豎直撓度(反映線形控制效果)。應力值包括梁段頂板應力和底板應力,計算部位涵蓋懸臂根部截面、1/4截面。線形控制主要針對梁段的標高,而這一參數與豎直撓度密切相關[2]。表2為部份仿真計算的應力值示例,表3為部分撓度計算的結果。

表2 懸臂根部截面應力有限元計算結果示例 單位：MPa

表3 成橋階段梁段累計豎直撓度有限元計算結果示例

3 施工控制方法及應用效果分析

3.1 線形控制方法及效果分析

3.1.1 大跨度PC連續梁線形控制的內容

線形控制的主要內容包括PC連續梁的縱向軸線、頂面高程(或者底面高程)、梁體斷面尺寸、同跨對稱點高程以及合龍后懸臂的高差。在軸線、高程、同跨對稱點高程控制中,根據PC連續梁的長度設置允許偏差,當連續梁的總長度L不大于100 m時,軸線偏差不得超過10 mm,頂面高程偏差控制在±20 mm內,同跨對稱點高程偏差不得超過20 mm[3];當L大于100 m時,軸線偏移量不超過L/10 000,頂面高程偏差和同跨對稱點高程偏差不超過L/5 000。在斷面尺寸控制中,高度偏差值不超過±30 mm,頂板、底板以及腹板的厚度偏差應控制在-5～10 mm,合龍后懸臂高差不得超過15 mm。

3.1.2 線形控制方法

3.1.2.1 布設高程控制點

高程控制點決定了PC連續梁在豎直方向的線形,在設置監測點時要考慮一系列因素,如測點的可靠性、施工的便捷性。結合該橋梁的特點,將梁體混凝土中的16 mm鋼筋頭作為控制點。在綁扎鋼筋的過程中,控制鋼筋頭與懸臂梁端的距離(0.2 m),其上端應高于梁頂面,高出部分的長度控制在0.1～0.15 m[4]。針對每個梁段設置4個鋼筋頭監測點,在橋梁的縱向軸線上,測點形成4條測線,最外側的2條測線距離A、B兩幅的翼緣各1 m,內側的2條測線分布在中心線兩側,距離中心線的距離均為1 m,將鋼筋頭刷成紅色。

3.1.2.2 掛籃變形量計算方法

該項目采用掛籃懸臂梁施工方法,掛籃用于承載施工載荷,包括混凝土和鋼筋的自重,如果掛籃發生變形,將會引起橋梁線形變化。為避免這一情況,必須檢驗掛籃的載荷能力,檢驗方法為向掛籃分級施加載荷,并且載荷的質量取最重的橋梁節段。該項目最重梁段的編號為1#,其設計質量為268 t,第1到第4級載荷分別為最重梁段的0%、50%、100%以及120%[5]。測點高程與掛籃載荷的關系顯示,載荷級別按照由高到低掛籃變形引起的測點高程累計變形量分別為0、32、40、47 mm,完全卸載后的最終變形量為22 mm。在掌握試驗梁段的數據之后,可借助經驗公式計算出其他梁段的掛籃變形量,計算方法為：

(1)

式中：梁段n的掛籃彈性變形量記為fn;f1為梁段1的掛籃彈性變形量,其取值從載荷試驗中獲得;L1、Ln對應梁段1和梁段n的長度;M1、Mn為梁段1、梁段n的載荷質量。

3.1.2.3 立模底部標高計算方法

各梁段底部的立模標高與設計高程密切相關,可通過理論方法計算出各梁段的立模底部標高,計算方法為：

Hlmi=Hsji+Hypgi+fgi+Δf

(2)

式中：梁段i底板立模標高記為Hlmi;梁段i梁底前端的設計標高記為Hsji;梁段立模的設計標高為Hypgi;梁段i的掛籃變形量記為fgi;Δf為計算時的調整值。

3.1.3 線形控制結果

3.1.3.1 懸臂施工階段線形控制效果分析

該PC連續梁橋梁的懸臂工況有15個,在懸臂施工階段,線形控制的技術措施為對稱合龍,即先邊跨、后中跨,其中小里程邊跨梁段的編號為1′#～15′#,大里程中跨梁段的編號為1#～15#。以該項目8號墩懸臂施工過程的豎直撓度變化值為例,對比有限元分析法計算的理論值和施工時的實測值,結果如表4所示。綜合所有數據,可得到以下結論。

表4 8號墩懸臂施工階段各梁段豎直撓度變化量示例 單位：mm

第一,在澆筑懸臂混凝土之后,受到重力作用,各梁段出現下撓,并且理論計算值略小于實際測量值,二者的偏差在-0.21～1.89 mm。理論值和實測值變化趨勢高度接近,并且不超過15 mm的規范值。

第二,在預應力張拉階段,理論值與實測值的偏差范圍在-1.40～0.93 mm,數值變化趨勢高度接近,并且不超過15 mm的規范值。

在成橋之后,需要對比各梁段設計高程與實測高程之間的差值,其中實測高程通過測量高程控制點獲得,測量儀器為高精度的水準儀。梁段設計高程存在差異,范圍在76.248～77.042 m,實測高程范圍在76.244～77.056 m。高程偏差在-17～16 mm。相比于高程設計值,偏差非常小,滿足規范要求。

3.2 應力控制方法及效果分析

3.2.1 應力控制方法

3.2.1.1 應力控制的原理

在大跨度PC連續梁施工中,需要分段澆筑懸臂梁,隨著混凝土澆筑量的增加,其產生的載荷分別作用于梁頂板和底板,形成拉力和壓力。吊籃移動和預應力張拉也會導致應力分布發生變化。對于分段合龍的橋梁工程,消除應力集中是確保結構安全的重要技術措施。應力控制的原理是在懸臂根部截面、1/4和1/2跨徑截面預埋應力傳感器,混凝土澆筑之后,由傳感器檢測梁段內的應力值。對比實測值和有限元分析法計算的理論值,即可評價施工應力控制效果。

3.2.1.2 應力測量儀器

該項目采用埋入式應力傳感器,型號為JMZX-215HAT,由國內企業設計和制造。每個傳感器都具有獨立的電子編號,其芯片具有一定的智能化水平,可同時采集應變和混凝土內部溫度數據。傳感器采集到的數據同步傳輸至配套的綜合測試儀,進行具體分析。

3.2.1.3 應力測點布置方案

根據PC連續梁的特點,選取11個重要的應力監測截面,2個邊跨各3個、中跨為5個,其中有4個截面分布在懸臂梁的根部附近,其他截面位于中跨的中軸線、中跨1/4跨徑等位置。每個監測截面的傳感器數量為6個,頂板和底板各3個。

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3.2.1.4 應力傳感器安裝方法

第一,為防止混凝土澆筑影響應力傳感器的位置,應使用扎帶將傳感器固定在箱梁縱筋正下方。

第二,傳感器通過數據線傳輸數據,在設置傳感器時,應預留長度足夠的數據線,并且將其適當拉緊、拉直,再利用扎帶將數據線固定在鄰近的鋼筋上。

3.2.1.5 誤差修正方法

應變傳感器在工作過程中有可能受到非力學因素的影響,導致其出現一定程度的測量偏差,常見的影響因素包括混凝土溫度、混凝土彈性模量、傳感器的安裝方式等。例如應變傳感器內部設計有鋼弦,如果鋼弦和鋼筋混凝土的線性膨脹系數存在差異,就可能引起測量誤差。為了消除溫度因素的影響,可對應力計算方法進行修正,新的計算方法為：

ε=(ε1-ε0)+(T1-T0)(Fgx-Fgj)

(3)

式中：將當前的應變測量值、初始狀態應變值分別記為ε1、ε0;T1和T0分別為傳感器當前溫度、初始溫度;鋼弦和鋼筋混凝土的線性膨脹系數分別記為Fgx、Fgj。

環境溫度、水泥的水化生熱都會影響混凝土的彈性模量,可根據以下經驗公式對其進行修正。

(4)

3.2.2 應力控制效果分析

3.2.2.1 懸臂梁應力監測結果分析

應力監測的數據量較大,為便于展示,以下僅列舉其8號墩小里程懸臂梁根部的截面應力實測值和理論值的比較,部分數據見表5。綜合全部懸臂應力對比數據,理論應力與實測應力的變化趨勢高度一致,最大差值僅為1.25 MPa,屬于可控范圍。

表5 8號墩小里程懸臂梁根部截面應力監測值與理論值對比 單位：MPa

3.2.2.2 合龍段應力監測結果分析

該橋梁的合龍段涵蓋3個截面,分別為小里程邊跨、中跨以及大里程邊跨。預應力張拉后,合龍段應力監測值與有限元計算理論值的對比結果見表6。從中可知,實測值整體略大于理論值,最大偏差為1.11 MPa,最小偏差為0.38 MPa,均在允許范圍內。

表6 合龍段截面應力監測值與理論值對比結果 單位：MPa

4 結束語

在大跨度PC連續梁橋施工控制階段,先通過有限元分析法計算出控制指標的理論值,包括各梁段在不同工況下的應力值以及豎直撓度變形量等,再通過設置高程監測點、預埋應力傳感器的方式獲取梁段在不同階段的豎直撓度變化量和應力監測值,對比理論計算結果和實測值的偏差,可判斷出施工過程的線形和應力控制效果。