大跨度预应力混凝土连续箱梁施工监控方案研究
来源：岁月联盟
时间：2010-08-22
【关键词】 预应力混凝土连续梁，施工监控，应力监控，挠度监控
【Abstract】It is difficult to avoid errors during theconstruction of prestressed continuous concrete bridge with the method of cantilever casting. Thus we need to monitor and control bridge construction. In this article ,with the background of the construction of a large-span prestressed concrete continuous varying section box girder bridge, introduced the purposes, contents, details of construction monitoring and the strategies to adjust the construction error of the construction monitoring，and provided the technical guidance for constructing bridge safely and completing the bridge in a reasonable state.
【Key words】Prestressed continuous concrete beam；Construction monitoring；Stress monitoring；Deflection monitoring
变截面预应力混凝土连续箱梁桥作为一种结构刚度大、跨越能力大的桥型，在桥梁建设中具有广泛的前景。连续梁的分段悬臂浇筑法是目前国内外大跨径预应力混凝土桥梁的主要施工方法，但在施工过程中的诸多因素（如:混凝土弹性模量，浇筑主梁混凝土超方量及单T两侧重量不平衡，混凝土收缩、徐变，桥梁施工临时荷载，挂篮的变形特征，结构体系转换和合龙等）都会影响桥梁结构线形及内力方面与设计出现偏差。当上述因素与设计不符，而且不能及时识别引起控制目标偏离的真正原因时，必然导致在以后阶段的悬臂施工中采用错误的纠偏措施，引起误差积累［1］。因此，需要对挂篮悬臂浇筑施工过程进行监控，制定有效合理的施工监控方案一方面可确保桥梁结构在施工及成桥后受力合理，以使得桥梁结构的成桥线形达到设计状态和要求；另一方面可确保悬臂浇筑施工过程中结构的稳定和安全，以使得整个施工过程安全顺利的进行。
1. 工程概况某主线桥平面位于R=700m圆曲线上，主桥采用45m+2×80m+45m四跨变截面预应力混凝土连续箱梁结构，上部箱梁采用单箱双室截面，变高梁段箱梁底板上下缘均为1.8次抛物线。箱梁顶宽16.5m，底宽9.1m，根部梁高4.8m，跨中2.3m，腹板厚40～60cm，墩顶处箱梁顶板厚60cm，其余处箱梁顶板厚28cm，底板为25～55cm，采用挂篮悬臂浇筑法施工。
2. 施工监控内容大跨桥梁施工控制是一项系统工程，具体而言就是对桥梁上部结构悬臂浇注施工的过程进行应力、变形及稳定性等的监测与控制，其施工监控工作具体包括：
（1）对桥梁设计的进一步分析复核，确保桥梁施工过程及成桥状态的受力与变形符合现行规范要求；
（2）在上部结构正式施工前，对施工组织进行详细审查，对施工方案的安全性进行分析，特别是对挂篮悬浇、施工支架及墩梁固结设施等的复核与安全性分析；
（3）大跨度桥梁的施工均采用分阶段逐步完成的施工方法，为达到成桥的线形和受力状态，需确定与设计成桥状态相应的合理施工初始状态。
（4）对施工过程的结构变形、应力及稳定性进行监测，确保施工过程结构受力及几何形态处于受控状态。
3. 施工监控细则
3.1桥梁结构复核。对挂篮悬臂浇注施工的预应力混凝土连续箱梁结构，需要进行以下几个方面的基础性分析，以确保施工过程安全及施工控制参数的准确性。
（1）施工过程结构应力验算；
（2）成桥正常使用状态下结构应力及变形验算；
（3）成桥极限承载状态下结构强度验算；
（4）施工过程桥梁变形分析，以确定设计预拱度。
3.2预拱度设置。对于悬臂浇注施工的预应力混凝土桥梁，其线形调整主要是通过设置合理的预拱度来实现的。因此，线形控制的关键在于分析预拱度的组成以及确定各组成的取值。预拱度控制主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定: Hi = H0 + fi + f挂篮 + 1/2fp （1）
式中: Hi——待浇筑段主梁底板前端立模标高；H0 ——该点设计标高；fi ——该施工阶段及以后各施工阶段对该点挠度影响值，该值包括恒载、移动荷载、徐变、体系转化、预加应力等影响；f挂篮——本节段的挂篮变形值，由加载试验提供；fp ——活载作用下产生的挠度。上述各参数在有限元分析基础上，根据实测信息，对计算预拱度进行调整和预测，确定最佳预拱度［2,3］。
3.3线形监控。通过对悬臂浇筑挂篮变形及主梁线形进行监测，可以掌握悬臂浇筑挂篮体系的变形情况，从变形上来判断挂篮结构的工作性能及安全状况；可检查施工好的混凝土主梁的线形同设计目标线形间的差异情况；还可积累混凝土梁施工过程中悬臂浇筑挂篮的变形资料和混凝土主梁的变形资料，为下阶段主梁预拱度的设置提供，为线形控制服务。因此需进行的监测项目主要包括：挂篮结构、混凝土主梁标高、混凝土主梁中线。
3.3.1线形测点布置及方法。为进行线形监测与控制，需要选择合适的测量控制点，并在模板、混凝土梁段及挂篮的关键位置设置观测点。采用几何水准方法（水准仪＋水准尺）对悬臂浇筑过程各测点的变形情况进行监测，根据标高的变化情况，来推算挂篮和混凝土主梁的变形。测量时应避开温差较大的时段。悬臂浇注正式施工前，应首先确定统一的变形监测网，变形监测基准点埋设在稳定的地方。根据地面基准点，再将基准点引至每一墩顶箱梁0号块底板与顶板。底板作为立模高程控制点，顶板作为挠度监测工作点，并做好明显的红色标识。悬臂浇注施工过程中，一般在底模板前端选3个特征位置，以控制施工立模误差。为了进行悬臂浇筑挂篮在混凝土自重作用下的变形测量，需要对主桁架、底篮及行走滑道的标高进行测量。在主桁架前吊杆上锚固位置、底篮前吊杆下锚固位置及行走滑道的前、中、后位置布置变形测点，横向与两主桁架的位置相对应。对于各施工节段，沿纵向，在各施工节段悬臂前端及0号块中间、前端设置测点；沿横向，在腹板顶板相交处、顶板中部设置测点。各测点采用约30cm长的短钢筋，要求钢筋头露出浇注好的桥面约2～3cm，并要求将露出桥面部分均用油漆涂成红色并编号。悬臂浇筑挂篮施工混凝土桥梁的线形如图2所示。 图2悬浇施工混凝土主梁线形测点布置示意图
3.3.2线形测量工况。在采用挂篮进行各孔悬浇施工时，从线形控制的角度出发，共设置了如下的测量工况
(1)立模后；(2)钢筋绑扎后；(3)混凝土浇筑后；(4)预应力张拉前；(5)预应力张拉后；(6)脱模后；(7)挂篮行走后。
3.4主梁截面应力监测。为了掌握挂篮悬臂浇筑施工混凝土箱梁的应力随施工过程的变化情况及确保混凝土箱梁受力的安全性和合理性，有必要对挂篮悬臂浇筑施工混凝土箱梁的应力进行监测与控制。
3.4.1应力监测方法。采用钢弦式应力计对混凝土桥梁结构的应力进行测试，通过测量测点应变换算应力值。对于钢弦式应力计，是利用传感器内腔中钢弦频率的变化来反映被测物体的应变。钢弦式应力计的输出信号为钢弦的振动频率，其与应变的关系如式（2）。f=12lσρ =12lEｇερ（2）对于混凝土结构，采用钢弦式应力计测得的是总应变，其包括了非应力应变成分，要得到被测位置的真实应力，必须准确扣除非应力应变。而非应力应变又因测量对象及测量位置的不同而异。其应力测量的计算公式如下：σ=E(εT-εｕ)（3）
式中：σ——荷载作用下被测结构测点的应力；E——被测结构材料的弹性模量；εT——应力计直接测得的应变；εｕ——各非应力应变成分的总和。对于埋入混凝土中与粘贴在混凝土表面的应力计而言， 的组成可分别由表达式（4）、（5）给出：εｕ=εc+εs+εt=εc+εs+αΔt （4）εｕ=εtαΔt （5）
式中：εt——温度变化引起的材料变形量；α——钢材的线膨胀系数；Δt——温度变化量； εc、 εs——分别为混凝土徐变和收缩引起的非应力应变成分。在采用钢弦式仪器进行结构的应力测试中，需要特别注意的是温度对测试结果的影响，在应力计算时须将温变引起的自由应变予以扣除。因此，从温度对钢弦式仪器进行应力测试影响的角度考虑，每个钢弦式应力计都必须配置一个温度传感器。对于采用埋入钢弦式应力计进行混凝土结构应力测量，其测量精度还受到混凝土徐变和收缩引起的非应力应变成分等的影响，须采取相应措施对该非应力应变成分进行剔除，目前通常是在应力计附近埋置无应力计进行应力补偿。本应力监测将在目前测试技术基础上，通过增加测量次数，即在各关键工况前后分别测量应变值，通过增量的方法减少混凝土收缩、徐变对应力测试真值的影响。
3.4.2应力测点布置。为了掌握桥梁结构在施工过程中的实际应力状态，须对主梁的关键受力截面进行应力监测。对于主梁，一般选择悬臂根部、1/4L、1/2L处截面作为应力监测截面。其中，主梁悬臂根部截面是施工过程应力监测的重点截面，必不可少。从技术、角度考虑，选择其中的一个T构，对悬臂根部、1/4L、1/2L处截面进行全面的应力监测，对其它T构关键截面选取应力较大测点进行应力监测。应力测试截面测点布置如图3所示。
3.4.3应力测试工况在施工过程中选择各节段混凝土浇筑完毕、预应力张拉完毕、挂篮前移到位以及各合拢段浇筑前后、合拢段预应力张拉后、上二期荷载前后等作为应力测试工况。同时要求每隔一段时间定期测量（半年内每两月一次，半年到一年之间3个月一次）。应力测试工作最好在温度较为恒定时进行，同时须进行温度的测试。
3.5主梁温度监测。温度是影响主梁挠度的最主要因素之一，温度变化包括日温度变化和季节变化两部分，日温度变化比较复杂，尤其是日照作用，季节温差对主梁的挠度影响比较简单，其变化是均匀的。因此为了摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况，在梁体上布置温度观测点进行观测，以获得准确的温度变化。
3.5.1测量方法。采用经封装的热敏电阻作为监测传感器，用自动采集单元进行温度场测试数据采集，采样间隔将依据温度场的变化速率进行设置。如对混凝土水化热的测量，可按15分钟采样一次，而对混凝土结构大气温度效应的测量可半小时一次。
3.5.2温度测点布置。该桥主梁截面形式为单箱双室，其施工过程及成桥运营期间的温度效应往往较为明显，对结构的受力和变形影响较大，从把握结构受力及控制桥梁线形的角度，有必要选取一典型主梁截面（d-d）布设温度传感器，用自动采集单元进行主梁温度场的监测，其测点布置如图4所示。为了保证测量结果的可靠性，在相应位置设置一辅助测试截面（a-a），其测点布置与主测试截面相同，即共设置两个温度场测试截面，每个截面布置35个温度测点。
3.6施工误差调整策略
3.6.1施工监控方法。大跨度桥梁的施工均采用分阶段逐步完成的施工方法，在主梁各节段施工过程中，结构的实际状态并不总是与其理想吻合。桥梁结构的实际施工状态与理想施工状态总是存在着一定的误差，即理论预测存在误差。桥梁施工控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与理想设计状态相吻合。要实现实际与预测相吻合，就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计状态的所有因素，以便对施工过程进行有效控制。自适应施工控制方法是目前最常用、最先进的施工控制方法。自适应控制是在反馈控制的基础上，加上一个误差识别过程。当结构的实测状态与理论状态不相符时，分析误差产生的原因，根据该原因重新调整计算，使模型的输出结果与实测结果相一致。自适应控制是一个预告-施工-量测-计算-参数识别-分析-修正-预告的循环过程。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。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。
3.6.2施工误差调整。引起理论预测误差的原因是多方面的，归纳起来主要有以下几个方面：结构参数误差、施工误差、施工监测误差、结构分析模型误差及温度变化不一致等。结构参数是施工控制中进行结构施工模拟分析的基本资料，它主要包括构件截面尺寸、材料弹性模量、容重、收缩徐变系数、热膨胀系数、施工荷载、预加应力等［4］，其正确性直接影响分析的结果。实际研究表明，模型误差及设计参数误差是引起大跨度桥梁施工控制的误差主要因素之一。基于自适应的控制方法，对大跨度预应力混凝土桥梁悬浇施工过程中的预测误差调整，采取如下策略：
(1) 采用准确模型进行施工过程的模拟仿真分析，以尽量较小模型误差；
(2) 比较实测值与理论预测值，若两种误差在允许范围内，则按原预测值继续下一节段的施工，否则进行第(3)步工作；
(3) 进一步分析误差的原因，特别对实际的设计参数进行识别，采用较为准确的设计参数进行结构分析，据此确定下一节段的立模标高等施工参数，对今后的施工状态进行预测。
4. 结语施工监控在大跨度预应力混凝土连续梁桥的建设中是必须的，是一项技术系统工程，施工监控的项目组织应和项目的施工组织计划协同制定，在充分分析设计数据的基础上，合理地制定监控方案，采用自适应控制法对桥梁进行施工控制，以确保施工过程中的安全，同时保证成桥后各构件的线形和内力状态符合设计要求。
［1］刘应战, 郑明玉. 预应力混凝土连续箱梁施工控制［J］. 山西建筑, 2005,13(5): 79.
［2］王照临. 控制理论基础［M］. 北京:国防出版社, 1998,11-23.
［3］石德斌, 程浪舟, 朱文清. 大跨度变截面预应力混凝土连续梁桥施工监控［J］. 铁道标准设计, 2006(2):51-53.
［4］向中富. 桥梁施工控制技术［M］. 北京：人民出版社, 2001,28-29.［文章编号］1619-2737（2010）02-23-15
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