大跨预应力混凝土连续梁桥转体施工监控

许 信，周世军，李兴坤

(1.重庆大学土木工程学院，重庆400040;2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

1 工程概述

霸王河一号特大桥位于内蒙古集宁市葫芦车站附近，为跨越原有京包铁路(既有一级电气化铁路)和霸王河而建。霸王河特大桥主桥桥型布置为(60+100+60)m。大桥平面位于R=1600 m平曲线上，施工时采用曲线曲做，实际施工时箱梁按照线路中心线定位，横向结构尺寸保持径向不变，外形轮廓与线路曲线一致，并且支座也按照曲线径向布置。桥梁上部结构采用单箱单室、变高度、直腹板预应力混凝土连续箱梁。中支点处梁高7.5 m，跨中墩及边跨墩的现浇段处梁高6.4 m，梁底曲线为二次抛物线，箱梁顶宽7.5 m，梁底宽5.0 m，中支点处梁底局部宽为6.4 m，箱梁顶板厚0.36 m，底板厚度由0.4 m变化到1.0m，腹板厚度由0.45m变化到0.8 m，在跨中墩顶各设置一道厚2.0 m的横隔板，两边墩各设置一道厚1.5 m的横隔板。箱梁顶面2.0%的排水坡度在桥面铺装层的时候设置，桥梁结构施工时不考虑。霸王河特大桥总体布置如图1所示。

图1 霸王河一号特大桥主桥(mm)

2 施工方案

霸王河一号特大桥的原施工方案为挂篮施工。但是由于跨越原有的京包铁路线，为了不影响既有铁路的正常运营，减少施工过程中对既有铁路的干扰，施工方案经过专家讨论和认证，将原设计的悬臂施工改为逐段支架施工并且采用转体施工，即在合龙以前桥梁结构先平行于既有京包铁路施工，1号和2号桥墩及其上承台也按照转体角度进行相应的偏转。每个梁段的施工步骤为:搭设支架→预压→模板施工→绑扎钢筋→浇筑混凝土→养护并张拉预应力钢筋→拆除支架。每个梁段按照这个步骤循环进行，直到桥梁结构达到最大悬臂状态，再结合既有线运营、施工要点及天气因素进行转体。转体施工是将梁体顺时针旋转24°，转体成功后按照先中跨后边跨进行合龙。由于内蒙古天气的原因，每年的施工时间只有8个月左右，为了加快施工进度，特将原来悬臂施工的两个梁段合并为一个施工梁段。修改以后主桥箱梁梁段分布为0#长10 m，1#～4#长7 m，5#、6#长 8 m，两边跨合龙段长2 m，中跨合龙段的原设计长为2 m，为了缩短合龙时间和减小对既有铁路线运营影响并且避开铁路上方高压线对施工的影响，改长度为1.5 m并采用钢模板制作。钢模板外刷绝缘漆并永久保留在梁体中，中跨两边6#都延长为6.25 m，边跨现浇段长9.75 m。

桥梁转体采用的是平转法体系。该体系由承重体系、顶推牵引体系和平衡体系三大体系组成。其中承重体系由桥墩下上下转盘和转动球饺组成;顶推牵引体系由牵引千斤顶、助力反力支座和牵引反力支座组成;平衡体系由结构本身、上转盘8对钢管混凝土圆形撑脚、大吨位千斤顶以及T构梁端用钢绞线添加的配重组成。

3 施工监控的目的和内容

3.1 施工监控的目的

桥梁施工监控是施工技术中重要的组成部分，并且贯穿于桥梁施工的全过程。施工监控的目的是确保施工过程中桥梁结构的截面应力分布、挠度变化按照安全合理的范围变化。特别是确保大跨桥梁顺利合龙，使合龙段两悬臂端的实际标高与监控要求预拱度目标偏差不大于允许值，并且使成桥桥面线性良好，结构受力合理。

逐段支架施工不同于悬臂施工，在支架没有拆除之前无法准确控制在拆除支架以后桥梁结构的内力以及线性的变化情况，并且由于混凝土具有非匀质性，材料性质、几何参数的变异性，以及受到温度、湿度、时间等因素的影响，随着每一个施工梁段支架的添加和拆除，桥梁结构在各个施工阶段的内力和线性不可避免的会偏离设计值，而且随着施工过程的进行，这些误差还会逐渐累加。因此，为了保证桥梁施工过程中的稳定和安全，使成桥线型以及内力状态都满足设计要求，施工中必须实施有效的监控控制。

3.2 桥梁监控的内容

大跨度桥梁的施工控制是一个“施工→量测→识别→修正→预告→施工”的循环过程。在这个过程中需要对主梁线型和内力实行双控。它既是一个技术问题，又是一项系统工程。它主要包括两个部分，一个部分是数据采集系统，即在桥上埋设各类传感器和设置监控系统，采集数据;另一个部分是数据分析仿真模拟系统，将采集到的数据进行分析处理，以确定下一个施工阶段的参数。因此，在施工监控中需要细致的观测测试工作和大量计算工作。通过有效的监测监控工作，最终消除设计与实际施工过程差异的影响，保证设计的施工过程和受力状态得以准确实现，确保主梁准确合龙并使最终的主梁线形和内力达到设计状态，减小后期桥面铺装的难度。

3.2.1 桥梁结构仿真计算与施工模拟

霸王河一号特大桥的仿真计算是采用“大跨度桥梁施工动态过程监控仿真分析软件CSRB”，它是由重庆大学土木工程学院周世军教授专门为桥梁监控结构仿真分析研制。在连续梁的施工监控采用先进的自适应控制方法，而在误差分析中采用最小二乘法，已经在今年用于90余座各类型桥梁的监控仿真计算，取得很好的监控效果。程序采用的是正装计算，计算内容包括临时荷载、混凝土收缩徐变、施工临时荷载、结构体系转换、二次荷载和活载效应等。仿真计算过程一共分为两大步，第一步是建立桥梁混凝土结构模型，包括结构离散节点、单元信息、几何材料信息、预应力信息、结构徐变收缩信息、组合单元信息和结构边界条件信息等。整座连续桥梁上部结构共建立238个单元，1号至3号墩的制作简化为活动铰支座，0号墩支座简化为固定铰支座。第二步是输入桥梁施工动态过程，这个过程完全按照实际施工情况来进行动态模拟每个施工阶段的桥梁结构情况，包括支架的搭设与拆除、新增单元信息、新增加或拆除临时支撑信息、新张拉预应力信息、临时固结的封结和释放信息、单元的收缩徐变信息、构件截面几何特性和受理特性的改变信息以及施工荷载信等。而其中施工荷载信息是指一个施工阶段里在已建结构上增减的节点荷载、施工临时荷载、其他广义单元荷载、温度变化、收缩徐变、支座位变、预应力张拉力荷载及调整等信息。在桥梁的施工过程中逐渐通过上述信息的调整来模拟真实结构，从而反映出桥梁结构在每个施工阶段中内力和变形的大小和变化趋势。

3.2.2 线性监测监控

线型监测主要是对竖向和平面线型进行监测监控。监测的时候尽量做到定人、定点、定时、定仪器。定人是为了保证数据的精确性和系统性，减小监测误差;定点是通过预埋钢筋头的方式来建立的。每个截面一共建立5个监控点，其中截面上部左中右三个加上截面底模靠近腹板处两个，如图2所示。值得注意的是，顶板的3个测点是通过预埋钢筋头来实现的，每根钢筋头必须伸入顶板不小于5 cm并且露出混凝土面不超过2 cm，以保证钢筋不会因为施工过程中各种碰撞产生过大变形影响测量精度;定时一方面是为了消除温度对测量数据的影响，在早上日出以前完成数据的采集(根据内蒙古集宁地区日照情况将观测时间定在早上6:30以前);另一方面是指在要在桥梁施工的各个工况进行数据的采集，包括各个梁段的支架搭设以后、全部模板验收以后、混凝土浇筑以后以及预应力张拉以后，观测尽量在上述工况完成后一天内完成。

图2 线型监控点布置(m)

在桥梁各个梁段施工的线型控制中，支架搭设以后对梁段底模标高和平面坐标的控制是保障整个线型控制精度的关键，其中梁段的底模立模标高共由3部分组成:H=Hs+f+h。式中第一项Hs为桥梁的设计标高，可以通过设计图纸计算得到;第二项为根据施工仿真分析得到的预拱度值，这个值包含了施工过程中各种荷载以及混凝土收缩、徐变等的影响，但并不是开始计算以后就最终确定，而是要根据施工过程的对桥梁结构应力、应变有影响的因素调整仿真计算模型，并且综合考虑各个梁段线型的实测数据和计算理想状态的误差分析来最终确定;第三项h为支架变形值，这个值是通过支架搭设以后预压得到的，即支架搭设以后通过1.2倍该段梁段施工荷载重预压规定时间来消除大部分塑性变形并确定出立模标高中的支架变形值。在底模立模标高确定以后，在梁段随后的各个工况中对梁段标高进行实时监控，如有误差则协同施工单位进行误差分析，最终采取及时有效的纠偏措施。在线型监控过程中，对于桥梁整体线型控制的需要，必须在各个梁段施工的各个工况对所有已浇梁段的线型监测监控，以保证桥梁施工过程的安全以及桥梁线型的精确。而梁段平面位置则是直接通过设计坐标系统计算得到，最终用全站仪来进行定位，由于桥梁转体以后才能到达设计平面位置，所以转体前各梁段的平面位置要进过精确计算并交由有关部门审核。整个定位过程由粗调、精调和检查三个步骤组成，以保证转体后两边悬臂段在水平位置上能顺利对接并符合设计曲线要求。

在桥梁达到最大悬臂状态以后，由于支架的拆除和桥墩下转体球铰转体系统被开挖出来，桥台失去部分支撑，桥梁T构会产生较大的变形，因此在拆除支架的一周时间内必须每天定点定时进行桥梁变形观测。本工程由于桥梁跨中合龙段方案的改变，通过称重结果显示，桥梁T构的跨中部分比边跨部分重14～16 t，这就导致两边T构跨中部分在一周时间内下沉了7.1～7.4 cm，即比设计预拱度低了4～6 cm。为了保证桥梁合龙时的预拱度要求，施工单位采用钢绞线添加配重的形式来平衡桥梁T构梁端的不均匀沉降。但是添加配重后3 d内，桥梁T构跨中梁端仅上升了约0.3 cm，并没有得到预想的配重效果。经过监控小组和施工单位的考察研究发现，这是由于转体球铰系统以及上下承台间固定螺纹钢的限制，在转体的过程中T构的梁端会随着转体球饺的转动恢复到原来有预拱度高度状态。经过在转体前两天的桥梁预转体，发现桥梁T构预转体3°时桥梁T构跨中部分上升约0.9 cm，桥墩和梁体转动位移基本相符，即桥梁转体24°结束时桥梁T构梁端的标高基本能恢复到设计预拱度要求的状态。由于桥墩浇筑时也相对设计成桥状态转动了相应的角度，因此转体前需要精确计算桥墩转动与桥梁T构梁端控制点转动的转角、位移的关系，在转体的过程中定人、定点、全过程对转体过程进行监测，每转动3°即进行桥墩和梁端的转角和转动位移校对，保证桥梁转体过程中的安全以及转体后桥梁结构线型的精确性。通过桥梁转体全过程的观测，当桥梁两悬臂端转体达到设计平面位置以后，梁体T构在整个转体过程中一号墩中跨梁端上升6.2 cm，二号墩跨中梁端上升6.3 cm，桥梁悬臂端仍然没有恢复到理想标高位置，仍然达不到设计预拱度和合龙的要求，最后通过桥梁转体系统和大吨位千斤顶的微调来使桥梁竖向和平面线型满足设计和监控的要求。

转体后即先后进行中跨和边跨合龙段的施工。合龙段的施工选择在早上气温较低并且温度变化较小的时间段进行，经过在合龙之前的观测并且于铁路部门协商，决定在早上5点进行中跨以及最后边跨合龙段的施工。全桥合龙以后桥梁结构实测预拱度值与理论预拱度值见图3所示，预拱度实测值与理论值差值不超过8 mm，而水平位置通过中线梁段预埋在中线位置的观测点观测到误差不超过6 mm，线形监控的效果良好。

图3 霸王河一号特大桥理论预拱度示意(mm)

3.2.3 应力监测监控

应力监测监控元件在选择的时候应该遵循测试元件便于埋设、在施工过程中易于保护并且数据易于获得等原则，本次应力监控通过对比多种应力测试仪器的性能，最后选择钢弦式应变计和配套的频率接收仪器作为应力测控仪器。钢弦式应变计测试应力是一种间接测试应力的方法，首先是在元件埋设的时候，一般来说钢弦式应变计是应该埋在混凝土里面以测量混凝土的应力，但是从以往的实践经验来看，预埋在混凝土中是需要将应变计先固定在纵向钢筋上来实现，但是由于桥梁施工的现场环境比较复杂，元件固定不牢的话会在混凝土浇筑的过程中导致元件偏移甚至脱落，以至于测得的数据不准确，固定在纵向钢筋上太紧的话钢筋的应力又会影响元件受力情况，以至于测得的数据失真。鉴于这种情况，本次测量采用的方法是直接将元件焊接在纵向钢筋上，为了防止偏心，元件焊接的时候采用两段绑夹焊，让元件直接测钢筋上面的应力，然后再用现在已经研究比较成熟的钢筋和混凝土的应力应变关系来换算混凝土的应力，通过这种方式来获得比较精确的混凝土应力，达到应力监测监控的目的。由于混凝土在浇筑以后会收缩徐变，而钢筋不会，在钢筋和混凝土粘接完好的情况下钢筋和混凝土的变形就会不同，这种变形差异必将使结构截面的应力重分布。设混凝土的自由收缩徐应变为εsh，在钢筋约束下产生的收缩变形减小为εc，钢筋与混凝土的弹性模量为ES和Ec，n表示钢筋和混凝土的弹性模量比值，钢筋混凝土相应的配筋率为μ，根据截面的平衡方程可以分别计算出钢筋和混凝土的应力为:

根据施工监控过程中得出的钢筋应力即可根据钢筋和混凝土之间的应力比例关系算出相应截面混凝土的应力大小。本次监控一共采用钢弦式应变计控制8个关键截面，即纵向上两个墩顶0#截面、四个1号块中间截面以及2号墩跨中2号块中间截面，埋设位置为顶板上层钢筋和底板下层钢筋，具体布置如图4所示。

图4 钢弦式应变计横截面布置

应力监测监控元件预埋完毕以后则从紧后的施工工序开始对桥梁的应力进行监控，在桥梁施工的每个施工阶段的混凝土浇筑前、浇筑后、钢筋张拉以后以及支架前移以后4个工况进行监测，并且为了尽量减小温度对采集数据的影响应该与标高数据采集同步。在桥梁施工达到最大悬臂状态和转体的过程中，应该每天与标高采集同步进行应力数据的采集，保证桥梁在转体过程中的安全性。根据现场应力监控情况来看，实测的混凝土应力值和理论分析计算的应力值相差不大，转体过程中也未出现异常情况，其中顶板应力实测值比理论值小，相差值在1 MPa左右，底板应力实测值比理论值大，相差值在0.3 MPa范围内，以2号墩墩顶0号块中间截面为例，其应力随着施工过程变化，如图5所示(应力显示受压为正)。

4 施工监控总结

霸王河一号特大桥施工中，在施工、监理以及测量小组等部门的协同努力下，大桥最终顺利转体并且合龙成功，而且从成桥的整体线型上看，桥梁高程实测值与理论值相差不超过8 mm，水平位置误差也控制在6 mm左右，成桥线性自然美观，大桥转体并正常合龙以后应力测试结果显示正常，线性和应力均满足设计要求。但是，可以看到，这次监控在线型和应力上都存在误差，特别是转体前由于两悬臂端不对称导致在线型上误差还是不可忽视的，这是由于混凝土材料的非线性以及施工的复杂多变性，由此可见影响监控结果的因素很多，现在还不能完全做到对施工阶段桥梁线型和应力的控制，还需要通过不断的实践和研究来完善。

图5 2号墩墩顶0#中间截面应力随施工过程变化

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