严村特大桥连续梁悬臂施工线形控制技术
2017-10-30
0 引言
随着我国铁路建设规模的不断扩大，大跨度预应力混凝土连续梁施工技术已经日益成熟，施工过程包括浇筑混凝土、预应力筋张拉、体转系转换等，在施工悬臂过程中主梁挠度变化幅度大，成桥后结构由于梁体自重产生的内力、变形与施工过程有直接关系，应根据施工过程来计算。影响施工悬臂过程和成桥后主梁挠度的因素较多，主要有以下几方面：诸如材料特性、临时施工荷载、构件自重、收缩徐变等设计参数的取值；环境的影响，例如平均温度和日照温差、空气湿度等的影响；量测误差，如千斤顶油压表等引起的误差；施工误差；结构模型简化和计算的误差。
这些因素将对施工产生如下影响：浇筑混凝土及张拉力预应力钢筋时引起的挠度变化与设计值不一致；荷载持续一段时间后，因收缩徐变引起的挠度与设计不一致。
温度、锚下控制应力、收缩徐变、弹性模量对施工质量和安全的影响很大，若施工中没有及时发现其存在偏差，导致该偏差积累下来，很可能会严重影响施工的质量和安全，造成合拢困难及满足不了设计所要求的桥梁线形。
在施工过程中通过实测各梁段标高，利用施工控制软件对以上各种因素进行调整并预告下一施工阶段梁段立模标高，可以有效地保证预应力混凝土连续梁桥合拢精度以及成桥线形。
1 工程概况
南京至安庆铁路新建工程严村特大桥计算跨度为48m+80m+48m双线预应力混凝土连续梁桥。结构形式为3跨预应力混凝土连续箱梁，桥梁全长177.3m，中支点处梁高6.435m，跨中3.835m，直线段高为3.835m。梁底下缘按圆曲线变化，边支座中心线至梁端距离0.65m。箱梁采用单箱单室、变截面、变高度结构。箱梁顶面宽12.2m，箱梁底面宽6m，顶板厚度除零号块附近外均为40cm；底板由跨中的46cm，按圆曲线线变化至根部80.3cm；腹板由45cm至80cm，按折线变化。
2 线形控制的目的和方法
2.1 线形控制的目的
通过梁体施工控制，我们能够掌握实际的施工工序及相关的施工参数和数据，如此有利于实时理论分析和结构验算桥跨结构；针对各个施工环节，通过分析验算结果我们能够得出多项施工控制参数，比如其主梁端的挠度等，从而分析施工误差，并对整个施工状态的安全进行评价。如此能够有效确保结构的受力和变形都在合理的空间内，不会影响到成桥后的结构内力和线形。
2.2 线形控制的方法
本桥采用预测控制法和自适应控制法。预测控制法是指在综合考虑各项影响桥梁结构状态的因素和施工需要达到的目标后，预测控制各个施工环节完成前后的状态，尽量让施工在正常的轨道上。实际状态和预测控制之间通常会出现误差，这种误差及误差大小能够帮助相关人员找到影响施工目标的因素，从而在后期的施工中针对这种误差采取有针对性的措施，如此良性循环下去，最终结构的施工完成就会和预测设计相一致。自适应控制法是指若结构的实测状态和模型计算结果不一致时，可通过调整计算模型参数将误差消除，调整后的计算模型参数就是理想的计算模型参数，将各施工环节都调整为理想的计算模型参数，能够对整个施工过程进行有效控制。
连续梁线形控制循环过程是施工→测量→识别→修正→预告→施工，其本质是让施工在正常的轨道上操作。但事实上任何施工都不可避免地存在误差，即使是理论分析得到的理想状态也存在微小误差，因此施工控制的核心任务是对误差进行分析、识别和调整，预测结构的未�碜刺�。悬臂浇筑是一种典型的自架设施工方法，通常被应用在大跨度预应力混凝土连续梁施工中。由于在连续梁施工中，已成结构（悬臂节段）状态无法在事后进行调整，所以必须在其施工期间采取有效措施控制结构使之处于安全状态，通常采取的方法都是预测控制法和自适应控制法，这两种方法能够针对已有误差在下一未浇筑梁段的立模标高上做出必要的调整。基于此，我们发现要想确保实现控制目标，必须尽量准确预测立模标高，即主要依靠预测控制。
3 连续梁施工线形控制过程
3.1 施工影响因素分析 在桥梁施工控制过程中，最为关键的是实测值和理论计算值的对比分析，并进一步根据实测值对计算模型进行修正，以期对后续各阶段进行更为精确的预测和控制。以下对影响线形控制的各主要因素进行分析。
3.1.1施工工期安排的影响
悬臂施工的连续梁各梁段混凝土具有不同的龄期，而混凝土各项材料参数与龄期有直接的关系，如随龄期增加混凝土弹性模量呈增大、徐变系数呈减小的趋势。在其线控计算中，首先应根据实际施工进度进行分析计算，并考虑材料参数随时间的变化规律；通�^典型工况（如混凝土浇筑或预应力张拉工况）的实测变形结果推算“等效弹性模量”，并采用修正后的计算模型对连续梁变形进行进一步精确预测和控制。
3.1.2 预应力张拉的影响
准确的预应力钢筋定位和张拉是连续梁施工期间和成桥后受力安全的保障，对线形控制也有一定的影响。在设计计算中，各项损失计算一般是按照规范进行取值，施工中应进行锚口、喇叭口和管道摩阻测试并根据实测结果对预应力张拉值进行调整。悬臂施工的连续梁应加强管道定位工作，并宜在悬臂施工过程中选取两个阶段对顶板预应力管道、合龙后对底板预应力管道分别进行摩阻试验。
3.1.3 收缩徐变及预应力长期损失的影响
在施工过程中，由于混凝土收缩徐变和预应力长期损失的影响，即使作用在结构上部的荷载不变，其线形仍在不断的发生变化。所以，在线形控制的实施过程中，测试工况必须与荷载工况相对应。
3.1.4 结构温差的影响
悬臂施工过程中，顶板顶面直接暴露在大气环境中，受日照温差的影响，悬臂结构会出现连续的上翘和下挠变形。其起因在于截面上下缘的不均匀伸长或缩短，从混凝土浇筑前后和养生期间截面上下缘应变变化可以看出，竖向温差引起的梁体变形与阶段混凝土浇筑的作用基本相当，施工中的变形测试必须考虑该因素的影响。
3.1.5 混凝土的不平衡浇筑的影响
在悬臂施工过程中，两悬臂端混凝土浇筑难以保证严格的对称，两端不平衡荷载将使得梁体发生整体转动。从混凝土浇筑过程中实测梁体挠度变化过程可以看出，混凝土浇筑过程中由于转动所产生的位移远大于浇筑完成后混凝土湿重引起的弹性变形，在混凝土浇筑完成后，虽然大部分梁体转动引起的位移得以恢复，但由于受到转动阻力因素的影响，实测浇筑完成后的挠度为转动引起的刚体位移和混凝土湿重引起的弹性变形的叠加。在线形控制中应考虑该因素的影响并定期对悬臂梁段的标高进行测试；施工中应进一步严格控制悬臂两侧的不平衡荷载。
3.1.6 边跨现浇段支架的影响
在设计和监控计算中，一般将边跨现浇段支架按刚性支撑考虑，即“f预拱度”一项中未考虑支架变形及其下部基础沉降带来的影响。施工中需在立模前对支架进行堆载预压，一方面消除支架本身的塑性变形、掌握弹性变形规律，另一方面压实地基，避免在上部梁体混凝土浇筑后出现较大的沉降变形；施工时应根据上述结果在边跨现浇段立模中予以考虑。另外，由于边跨合龙时需拆除距合龙口0.5m～1.0m支架和模板，在支架设计中应予考虑，避免支架局部拆除时，由于荷载转移导致支架变形从而影响合龙精度。
3.2 建立计算模型
施工初期是根据设计参数建立计算模型，确定每一节段梁体的预拱度，从而确定梁体立模标高。施工过程中根据施工监控数据，通过分析计算，对计算参数不断修正，使计算模型更接近实际结构。计算参数主要包括梁体混凝土容重和弹性模量、预应力钢材技术标准、普通钢筋技术标准、挂篮的弹性变形。
3.3 现场检测方法及数据
施工监控、监测的一项重要工作是连续梁的实时线形测量。挠度线形监测内容主要包括主梁轴线偏位、结构变形及位移、结构的线形、跨长、主梁高程等。要想良好地控制成桥线形，挠度监测资料的作用不容忽视。结合过往经验，应布置3个对称的高程观测点在每个施工节段上，如此不仅能够测量箱梁的挠度，还能够及时地发现箱梁是否发生扭转变形。在施工期间应对每个截面进行全过程的标高观测，从而观察各点的挠度及箱梁曲线的变化历程，以确保整个施工处于安全正常的范围。在离节段前端10cm布置高程控制点，用16mm直径螺纹钢筋制作测点观测标。悬浇箱梁节段的测点不仅是箱梁的标高控制点和挠度变形观测点，也是控制箱梁中线平面位置的测点。要求所有埋设的测点都严格按照相关规范标准进行操作，且禁止在施工过程中踩踏、碰撞。
3.3.1 试仪器的选择
高程监测是指为精确控制各节段的预拱度，用精密水准仪对主梁各节段控制点的标高进行测量。不仅如此，其还能够测出主梁节段的扭曲程度。另外，利用经纬仪测量主梁轴线。主梁的线形监测以线形通测和局部节段标高测量相结合，在主梁节段浇筑、及挂篮移动后等施工阶段进行。
①0号块高程测点布置。
布置0号块高程观测点的目的是控制顶板的设计标高，同时它也能够作为各悬臂浇筑节段高程观测的基准点。布置9个高程观测点在各个0号块的顶板，具体布置情况如图1、图2所示。
②各悬臂浇筑节段高程测点布置。
设3个测点在各个节段高程测点，对称布置在悬臂板与腹板的交接点，离节段前端10cm，测点露出混凝土面5cm，如图3、图4所示。
3.3.2 观测时间与项目
每个标准梁段施工过程中，分别测量挂篮移动就位后、混凝土浇筑完成后、预应力张拉后三个工况下主梁悬臂前端每个梁段的标高。每完成L/4跨径的梁段施工后，全桥通测一次。
墩顶偏位在主梁每悬臂施工完成4～5个节段进行一次复测。
合拢前，对全桥主梁顶面标高做一次全面复测。 合拢后、桥面系施工完成后，分别对全桥主梁顶面标高、墩顶偏位各做一次全面复测。
最好在早晨太阳出来之前观测挠度，如此可避免温度因素的影响。施工整个环节的观测内容主要包括立模、混凝土浇筑前后、预应力张拉前后以及拆除，能够帮助施工更安全和更有效率地开展。
3.3.3 观测结果
最优控制的先决条件是观测结果的正确性，如表1、表2所示， 量测每一段施工节段的挠度及标高都必须记录详细。要想施工控制分析客观准确，这些数据支持是必不可少的。
3.4 立模标高确定
待建立正确的模型和性能指标后，需参考控制参数和设计参数，结合桥梁结构的各项参数，包括活载、二期恒载、施工荷载、施工状况、结构状态等，放入分析系统中计算，可得到结构按施工节段进行的每一个节段的内力和挠度及最终成桥状态的内力和挠度。接着假设成桥后的理想转台的各节段的预抛高值，得出各施工节段的立模标高及混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、钢筋张拉前、钢筋张拉后的预计标高。
立模标高为：Hlm=Hsj+Hypg+fg1
式中：fg1表示挂篮变形值；Hypg表示计算所得的预抛高值；Hsj表示设计标高；Hlm表示立模标高。
预计标高为：Hyj=Hypg-fi-fg1
式中：fi表示浇筑当前节段的下挠值或张拉钢筋后的总下挠值。
通过实测数据与理论计算立模标高进行比较，如果偏差较大，及时修正计算参数，计算下一段梁体的立模标高，如表3。
4 线形控制成果
大跨度连续梁施工线形控制是一种动态控制方法，通过不断修正计算参数，使计算出来的理论数据更接近实际数据，最终使梁体合拢时，线形满足设计要求。通过对观测数据表格分析，4#～10#梁段混凝土浇筑后，实测挠度与计算挠度相差较大，两者相差为16mm（最大值），过程中进行了较大幅度的调整；挂篮前移与预应力张拉后实测挠度与计算挠度相差较小，两者相差分别为3mm和5mm（最大值）。最终合拢两T构悬臂端标高差13mm，线路中线差9mm，满足规范要求。
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