悬臂梁桥施工监控中梁段施工预拱度调整技术

尚德惠

(山西路桥第一工程有限责任公司，山西太原 030006)

1 概述

任何桥梁施工，特别是大跨径桥梁的施工，都是一个系统工程。在该系统中，设计图纸是目标，而自开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中，将受到许许多多确定和不确定因素(误差)的影响，包括设计计算、桥用材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的差异，施工中如何从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实之值，对施工状态进行实时识别(监测)，调整(纠偏)、预测对设计目标的实现是至关重要的。预应力混凝土连续刚构桥是在预应力混凝土连续梁和T型刚构基础上发展起来的墩梁固结的一种新型连续结构，连续刚构桥悬臂施工节段多、工期较长，其纵面高程受多种因素影响，容易出现较大的悬臂标高误差，甚至出现两相对悬臂端标高相对误差太大，使合龙困难的情况。若为保证线形而采取措施强迫合龙，必将在结构中产生不利的附加内力，影响结构受力安全，所以，必须对其标高进行严格控制，确保成桥线形与内力状态符合要求。在此类桥的线形施工控制时，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，其计算公式如下:立模标高=设计标高+施工预拱度+成桥预拱度+挂篮变形。

在上述公式中，成桥预拱度是为了抵消桥梁在运营过程中的长期收缩徐变效应，跨中最大成桥预拱度一般取8L/10 000～15L/10 000左右，挂篮变形值一般由现场挂篮预压试验、考虑梁段自重及已施工梁段观测挂篮变形数据等综合确定。

施工预拱度可以通过结构仿真计算得到桥梁各施工阶段及二期恒载作用下的累计变形值，并将其反向施加到梁段的立模标高上，从而使施工完成后的桥梁基本上达到结构理想状态的理论线形［1］。尽管每个阶段都严格控制施工时的结构几何尺寸、容重、收缩和徐变、弹性模量、预加力等等可以人为控制的因素，但是仍不可避免地会出现实际结构状态与理想结构状态的偏差，随着桥梁跨径和结构复杂性的增大，这种误差已经到了影响结构的几何线形的程度［1］，并可能导致桥梁合龙困难，成桥线形与设计要求不符等问题，给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不同程度的影响。为了消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性，需要对计算得到的控制参数结果进行修正，以保证结构施工的结果能够与设计吻合。上述参数可通过试件或试块试验、现场测试等手段选取，或根据施工中实测到的结构反应来修正计算模型中的这些参数值，然后不断重复这一过程，但施工中每个块段的施工参数并不一定一致，且模型计算值与实际变形值的偏差影响因素很复杂，这种偏差可能来自于施工本身的误差，也可能是环境误差的干扰，还可能是测量系统的误差。因此进行参数识别后仍不可避免地会出现实际结构状态与理想结构状态的偏差。为了避免这种偏差的累计，可采用最小二乘法用修正后阶段变形值与实测阶段变形值的误差进行直线拟合，对后续块段的阶段误差值进行预测，得到误差预测值，并将已完成的悬臂端头块段的较大误差值使用抛物线分配得到误差分配值，而施工预拱度调整值=误差分配值－误差预测值。这里的误差预测值是为了对实际参数与设计参数的偏差进行规律总结及预测，是为了达成实际线形与设计线形一致，而误差分配值的意义是如果前一梁段实际变形比计算值低，则后续若干块也同样调低一些，逐渐连续的弥补已经发生的误差，而不是一次调整到位，保证线形不出现“波浪”。

2 实际应用

某高速公路大桥为分离式预应力混凝土连续刚构桥。其跨径组成为62 m+3×115 m+62 m，桥墩最高为85 m，属于高墩大跨径预应力混凝土连续刚构桥，最大施工块段号为15号块，16号块为合龙段，为了确保大桥成桥后结构内力、线形符合设计要求，对此大桥施工过程进行了全程施工监控。桥型布置图见图1。

图1 桥型布置图（单位：cm）

理论值的计算采用桥梁博士软件建立全桥模型，将桥梁结构离散为164个梁单元，103个主墩单元，单元的划分充分考虑了悬臂施工时各梁段的长度等情况。结构计算参数的取值尽量采用了现场实际试验测得的数值。施工荷载的模拟以施工单位实际试验测得的数据为准。以2号墩小里程侧悬臂端施工块段10号块线形误差的控制为例，5号块～9号块为已经浇筑完毕的块段，在9号块浇筑完成后，首先对模型的参数进行识别。识别的主要参数为:实测梁体几何尺寸、材料容重、材料弹性模量、混凝土方量，其中材料容重与弹性模量通过试验取得，方量通过统计取得。梁段的变形主要通过精密水准仪在各工况后进行测量取得，在进行挠度测量时，尽量安排在早晨太阳出来之前进行，以消除日照温差的影响。参数识别后对模型重新计算，通过表1可看出通过对参数进行修正后，理论阶段变形值虽然更接近实测变形值，但仍无法消除全部的误差，为了更好的消除后续块段的理论变形值与实际变形值的误差，先将5号块～9号块误差值用最小二乘法拟合，求出10号梁段的误差预测值，误差值的拟合图见图2。

表1 各梁段理论阶段变形及实测阶段变形对比表

图2 误差值直线拟合图

使用图2直线拟合出的公式，计算出10号块的误差预测值为:－0.3×6－3.14= －4.94 mm;并将9号块浇筑后存在的误差值－4.7 mm向后进行逐段抛物线分配，设9号块端头的误差值为－4.7 mm，跨中合龙前的块段15号块为0 mm，可求得10号块段的抛物线误差分配值为－3.73 mm;根据公式施工预拱度调整值=误差分配值－误差预测值，就可得到10号块段的施工预拱度调整值为1.21 mm。在11号块～15号块段每个悬浇梁段反复进行这一过程，即可完成后续各块段施工预拱度的调整。

3 结语

预应力混凝土连续刚构桥施工过程比较复杂，在施工监控的线形控制中，引起理论计算与实际结构变形之间误差的因素很多，对已完成块段的实际参数进行识别时，因参数的识别需要若干个块段的磨合，且后续梁段的参数与已完成块段并不一定一致，这将导致梁段实际线形与理论线形有偏差，而本文通过对已完成块段理论变形与实际变形偏差的拟合得到预测值，并将已完成块段与实际线形的偏差值采用抛物线分配到后续梁段，可最大程度的避免后续梁段的误差累计，避免桥梁合龙困难，成桥线形与设计要求不符等问题。

［1］葛耀君.分段施工桥梁分析与控制［M］.北京：人民交通出版社，2003.