大跨度预应力混凝土刚构桥施工监控方案设计研究

韦 剑

(广西龙马高速公路有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

大跨径预应力混凝土刚构桥是高速公路跨越较大山谷、河流的主要桥型之一,相较于其他桥型,由于其受力明确、结构形式相对简单、便于施工等特点,在西南山区高速公路建设中应用普遍。合理的合龙状态是大跨径预应力刚构桥施工阶段的重要目标,其内容包括符合设计要求的理想线形及满足受力要求的设计应力状态。如何在复杂的施工环境中获得预应力混凝土刚构桥合理的合龙状态是多年来工程技术人员及研究人员关注的重点,邹兰林、郑兴友、封冠英培等[1-3]通过对悬臂浇筑刚构桥的强制合龙进行研究,对比分析了不同合龙工艺对桥梁合龙后的线性及受力影响情况;王英等[4]通过对悬臂浇筑材料参数模态敏感性进行分析,研究合龙状态下材料参数的变化对合龙结果的影响,另外,还有学者研究收缩徐变、合理预拱度等对桥梁合龙状态的影响[5-9]。

本文通过对拟建实际工程进行施工监控方案的设计,力求达到真实反映施工过程中桥梁的状态,最终达到符合设计的合龙状态。

1 工程概况

拉仁2号高架大桥位于河池市凤山县凤城镇弄者村好另峒东南约400 m,上跨峰丛洼地,是天峨至北海公路(天峨经凤山至巴马段)TJ№4合同段(K56+000～K72+400)控制性工程。

桥梁跨径组合为(75+120+75) m,全长279 m,上下行分幅。上部结构采用单箱单室直腹板箱梁,箱梁顶板宽16.5 m,厚30 cm,主墩顶变厚到80 cm;翼缘悬臂长3.75 m,根部厚65 cm;底板宽9 m,厚度由支点处70 cm按1.8次抛物线变化;腹板厚度1#～3#段为90 cm,9#～15#段及合龙段为55 cm,4#、8#为渐变段;中边跨合龙段长度为2 m。主墩墩顶设置4道80 cm厚度的中横梁。具体桥型布置见图1～2。

图1 拉仁2号桥桥型布置图

(b)跨中截面

箱梁梁体采用C55混凝土浇筑。主桥节段施工分为0#～15#节段、中跨合龙段、边跨现浇段、边跨合龙段。0#节段长14 m,1#～6#节段长均为3 m,7#～10#节段长均为3.5 m,11#～15#节段长均为4.0 m,中跨合龙段长2 m,边跨现浇段长14 m,边跨合龙段长2 m。

主桥箱梁采用三向预应力体系,纵向预应力钢束分别采用21束、19束、17束φs15.2-1860高强度低松弛钢绞线,控制张拉应力为0.75 fpk;竖向、横向预应力均采用3束φs15.2-1 860高强度低松弛钢绞线,控制张拉应力为0.75 fpk,其中竖向预应力采用二次张拉工艺。

2 监控的目标

桥梁监控的目标从整个施工的过程可以划分为两个阶段,分别是桥梁竣工阶段和主梁合龙阶段。对于悬臂法浇筑的刚构桥,在竣工阶段,为抵抗桥梁收缩徐变引起的后期桥梁梁体下挠,设计人员会赋予桥梁各个节段一定的预拱度,以确保桥梁在服役期内线形与设计状态相符,从而控制梁体的受力状态。因此,竣工阶段的监控原则是以线形控制为主、受力控制为辅,确保桥梁竣工时桥梁的线形与设计线形相一致或误差在可控范围内。

根据确认的桥梁竣工状态进行结构倒拆,通过移除桥面荷载、二期恒载,从而得到主梁合龙状态,并进一步获得从最大悬臂状态到0#块浇筑时的主梁线形及受力状态,从而为施工过程中提供各阶段施工监控目标,并在施工过程中加以控制,从而使悬臂浇筑的T构在合龙后达到倒拆确定的合龙线形。

3 刚构桥施工监控全参数及技术要求

根据《公路桥梁施工监控技术规范》中对监测参数的要求,对于梁式桥,应监控桥墩应力、主梁高程、应力、轴线、温度等参数。另外,根据《大体积混凝土施工标准》(GB50496-2018),对于混凝土体,其最小边>1 m时,应进行大体积混凝土水化热监控,对于刚构桥,其桥台、承台、桥墩、0#块等构件最小尺寸通常会超出规范最小限值要求,因此需要进行混凝土施工水化热检测。对于尺寸较大的0#块,水化热的监控通常根据委托单位的要求决定是否开展。同时,根据地方管理部门的要求,对于墩高>30 m的桥墩,还应进行墩身竖直度的监测。

根据上述规范并结合《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T-3650-2020),梳理刚构桥施工监控量测的参数及其技术要求列表如表1所示。

表1 预应力混凝土刚构桥施工监控全参数及其技术要求表

4 上部结构监控方案设计

4.1 主梁高程监测

主梁高程的测量是刚构桥施工监控中的最主要参数,其目的是确保在悬臂施工的过程中,各个节段的梁端高程在一定的范围内,并通过施工过程汇总下发监控指令,对节段中的高程误差进行调整,使主梁在合龙后高程满足要求。在刚构桥的监控过程中,采用双控的方式进行桥梁的监控,即“高程监控为主,应力监控为辅”。其最直接的原因是,当梁体浇筑线形符合设计要求的情况下,结构的内力是可控的;同时,由于环境、施工荷载等原因的影响,应力传感器所监测的结果往往误差较大,规范容许的监测误差也不能够在一定精度上保证施工过程的顺利进行。因此,主梁高程的监控尤为重要,高程的测量内容主要有以下三个方面。

4.1.1 测点的布置

主梁高程的测量通常需要在桥址周围设置桥梁永久性观测点,用于桥梁施工过程中及桥梁竣工后的观测参照。在测量的过程中,采用全站仪转点的方式将观测点引至桥墩墩顶,定位相对观测点,再用精密水准仪进行施工过程中的测量。

4.1.2 测量次数

每个节段在施工过程中均需进行测量,测量过程分为4个步骤:节段浇筑前立模测量、节段混凝土浇筑后测量、预应力张拉前测量和预应力张拉后测量。同时,在每浇筑4～6个节段后,需对已浇筑全部节段进行全桥线形测量。

4.1.3 主梁截面高程观测控制点

对于高程的观测,应在测量梁端采用短钢筋,在桥梁浇筑时一并浇筑,通常每个截面在肋板中心线上布置。对于该桥,应在三个肋板中心线的顶板处布设高程观测控制点,测量时通过水准仪进行读数,对照0#块的水准点反推观测节段上的高程。0#块上的水准点应每周校核一次,确保测量精度。见图3。

图3 主梁截面高程测点布置示意图

4.2 主梁轴线监测

主梁轴线偏位的监测是为了确保主梁施工过程中梁体轴线符合设计线形的要求,通常采用全站仪进行监测,测量的方法为在每个梁段浇筑后对梁段进行布点测量。对于各个梁段中已经产生的误差,其调整方法与高程调整的方法一致。

4.3 主梁应力监测

主梁应力的监测是对梁体受力状态的直接反映,通过有限元计算出各个阶段施工过程中梁体的应力水平,通过预埋的应变传感器对梁体应变进行测量并换算为梁体应力进行对照,确认梁体受力状态是否可控。同时,梁体的应力监测是保障施工过程中安全的重要措施,对施工有着十分重要的意义。

4.3.1 截面应力监测的内容和方法

对于刚构桥,其主梁截面应力的监测主要是对各阶段施工过程中特定截面的应力进行监测和合龙状态下应力的监测,主要的监测对象是截面的法向应力。

通常采用的测量方法是通过预埋的应力传感器进行直接测量。传感器一般采用钢线式应变计,其工作性能较为稳定,且测量精度高,也可采用电阻式传感器和光栅式传感器。通过将传感器预留的信号线引至梁顶进行集中测量。

4.3.2 应力监测截面的选择及应力测点的布置

应力监测截面通常选择主梁在施工期间、成桥状态下的内力控制截面。对于悬臂浇筑的刚构桥,在施工期间,其受力控制截面为箱梁根部。在悬臂浇筑的状态下,悬臂箱梁墩顶为最大负弯矩处,因此根部截面为控制截面;在合龙状态下,1/4跨通常是内力的反弯点,受力极其复杂,因此1/4跨截面为控制截面,但仍需通过计算进行进一步的修正调整。

应力测点主要布设在梁体的顶板和底板中。钢弦式应变计的长度方向应为顺桥向。测点的布置如图4所示。

图4 箱梁截面应力测点布置示意图

4.4 梁体温度监测

梁体温度的监测是为了修正梁体应力检测的结果。由于施工环境并非理想的恒温环境,梁体在浇筑过程中会受到环境温度的影响,导致应力测试结果与理论值偏差较大。梁体的温度测量分为两个内容,对应桥梁设计规范,分别是整体温度和梯度温度。整体温度的测量可以直接测量或对预埋温度传感器的试块进行测量;梯度温度则需要在梁体截面中预埋温度传感器进行测量。预埋的温度传感器通常采用电阻式温度传感器,可与应变传感器一并布置,方便测量。

5 下部结构监控方案设计

5.1 桥墩应力监测

桥墩应力采用钢弦式应变计进行测量,测点布置在距离墩底0.5～1 m处,在桥墩浇筑过程中提前预埋。应注意应变计方向与桥墩竖直方向一致。

5.2 桥墩竖直度监测

竖直度的监测是确保桥墩施工空间姿态在施工结束后符合设计要求的重要指标。量测的方法为采用全站仪进行测量,通过在预定截面预埋的钢筋头上安装目标棱镜进行空间坐标测量,又或者采用粘贴反光靶标、无棱镜测量等方法进行测量。其中,无棱镜测量结果误差较大,仅适用于施工条件受限制的情况。桥墩竖直度测点分别布置在墩底截面和浇筑完成节段墩顶,通常每施工两个节段测量一次,并将测量结果在后续施工立模节段进行调整。

5.3 承台水化热监测

承台混凝土硬化过程中会产生大量的水化热,若对混凝土的水化热不采取疏导措施,那么承台很容易产生温度裂缝,从而严重影响结构安全和耐久性。混凝土在浇筑过程中,由于胶体材料的水化反应会释放大量的热量,而混凝土自身导热性能较差,会导致大量的热量聚集在混凝土内部,热量的散失过程根据所浇筑混凝土体积的大小通常需要数周的时间。由于混凝土抗拉强度较低,在内部受热膨胀的过程中,外部混凝土对内部膨胀的混凝土形成约束,从而导致外部混凝土开裂。

为将混凝土的水化热维持在可控范围内,通常采用布置冷却系统的方式对大体积混凝土进行降温,但是不同温度区域对降温速率、内外温差又有要求,需要对冷却系统加以控制。因此通常采用在混凝土体内布设温度传感器的方法进行混凝土体温度的监测,进一步控制冷却系统的供水流量及入水温度。

温度传感器通常采用有线的电阻式温度传感器,采用测量长边、短边和对角线的方式进行温度场的测量,不同厚度的混凝土体以一定间距分层布置。根据本文拟定工程,布设温度测点如图5所示,共布设4层,各层间距平均布置。

图5 温度测量元件在承台中的分层布置示意图(cm)

6 结语

刚构桥的监控量测工作是确保刚构桥合理合龙状态的关键,做好每个阶段的量测工作,并及时将调整建议及监控指令反馈到施工过程中,确保桥梁合龙后达到设计的理想状态,为桥梁的运营安全提供保障。