大跨径预应力连续梁桥施工控制关键技术研究
2017-07-17
0 引言
大跨径预应力连续梁桥施工工序非常复杂，要保证施工效果，过程控制至关重要。但是，在实际施工中，由于施工单位对施工控制的重要性主观意识缺乏，对施工控制的具体内容了解不够，导致施工控制不力，使得工后的桥梁结构达不到预期要求，有的工程工后效果甚至与设计要求大相径庭，也有的工程在施工过程中，因结构失稳而倒塌。
为了帮助施工单位提高认识，进一步明确施工控制的具体要求和实施方法，本文结合大跨径连续梁结构特点，明确了施工控制基本原理、主要内容和施工控制方法，并结合工程实例具体分析如何实施施工控制。
1 大跨径连续梁桥施工控制的基本原理
当我们以悬臂法形成桥梁时，成桥状态的施工顺序同其结构内力间有着较为密切的联系，为了能够对实际施工过程中内力演变过程进行良好的分析与研究，我们以图1中的三跨连续梁施工为例对其结构内力的计算原理进行一定的研究。
1.1 梁端悬臂施工内力
从墩顶部位开始的施工，在施工过程中的受力状态与T型钢架类似。因此，梁段施工过程中，最长悬臂成为了其最不利的受力状态，其结构弯矩图如图2所示。
1.2 边跨合拢段内力
边跨合拢是在支架上施工，施工结束拆除支架的过程。在实际施工中，需要以一次落架的方式将其在桥墩上固定，而将其另一端搭在桥梁固端梁上，按结构力学进行表示，不平衡弯矩图如图3。
将其同上述悬臂施工弯矩图进行叠加之后，可以获得合拢之后的累计弯矩。
2 大跨径连续梁施工控制内容
2.1 结构变形控制
桥梁结构在施工中受各类因素的影响会发生变形，严重时会导致主桥结构与设计结构之间出现严重的误差，进而造成桥梁不易合拢，即便成型，其成型状态必然偏离控制目标，最终导致桥梁无法交付使用。鉴于此，在桥体施工中，必须对桥梁结构进行变形控制。
2.2 结构应力的控制
桥梁结构在施工中以及成桥状态的受力情况是否与设计相符，是施工控制的主要内容。若发现实际应力状态与计算盈利状态的差别超限，就要深入分析原因，并采取控制措施，将其控制在允许范围以内，以防结构破坏。
大跨径连续梁结构应力的控制，主要涉及结构构件自重下的应力、结构在施工荷载下的应力以及结构预加应力等。
2.3 结构稳定性控制
在桥梁施工中，因桥梁结构不稳造成结构破坏的事故屡见不鲜，其中一个典型案例就是加拿大魁北克桥，该桥在拦车锚锭�慵芗唇�完工时，由于悬臂端下悬杆的腹板屈曲而发生突然崩塌坠落。
因此，桥梁施工不仅要控制变形和盈利，更要严格控制施工各阶段结构构件的局部和整体稳定。
3 连续梁桥施工控制方法
3.1 合理设计结构参数
结构参数包括：结构构件的截面尺寸、结构材料弹性模量、材料自重、施工荷载、预加应力等。
3.2 预测控制法
预测控制是在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每个施工节段形成前后的状态进行预测，使施工沿着预定方向进行。
对连续梁而言，其主梁刚度较大，已施工完毕的主梁结构、标高无法调整，只能在后续节段逐步进行调控。预测法是连续梁施工控制的主要方法，也是本文所采用的方法。
4 连续梁桥施工控制影响因素和误差调整方法
4.1 影响因素
4.1.1 结构参数
无论我们所使用哪一种控制方式，结构参数都是其中非常关键的一项因素，可以说是我们对施工进行模拟研究、分析的基础，其准确性将直接对分析结果产生影响。而对于桥梁结构参数来说，我们也很难保证实际结构参数能够同设计参数完全符合，两者之间往往会存在着一定的误差。在具体施工过程中，如何对这部分偏差进行分析与计算，使其能够更好地同桥梁结构参数相吻合，是我们必须引起重视的一个问题。
具体来说，结构参数主要有结构构件截面尺寸、结构材料弹性模量、材料容量、热膨胀系数、施工荷载以及预加应力等。
4.1.2 施工工艺
施工质量同施工控制之间有着非常密切的联系，也将直接对控制目标的实现产生影响。在实际施工中，我们所选择的施工工艺将对施工效果与质量产生较大的影响，选择施工工艺时，需要对构件的安全、制作等方面可产生在的误差进行全面的掌握与分析，以保证施工的各个环节能得到有效的控制。 4.1.3 施工监测
施工监测也是我们对桥梁实现控制的一项重要方式。具体监测内容主要有变形监测及应力监测等。但是，施工监测会随着数据的采集、仪器的安装以及施工环境等不同而产生着一定的误差。
可以说，在我们开展结构监测的过程中，误差是始终存在的，而为了能够使工程具有更高的质量以及更好的准确度，就需要我们对监测的可靠性进行控制，并从测量设备、方式及控制分析等方面入手，提高施工监测的准确度，最大限度降低误差。
4.2 桥梁施工误差调整方式
4.2.1 参数法
参数法是在实际施工过程中，根据桥梁挠度以及内力等信息，采用最小二乘法对参数进行识别与修改，如预加应力、徐变系数及经济节段重量等。通过对结构的实时分析，确保对原有设计值进行调整与校核的基础上对施工控制值及标高进行修正。但是，由于该方式过于依赖对参数的分析、调整，不能在施工过程中进行动态控制，该方式在实际应用有一定的限制。
4.2.2 最佳成桥状态法
该方法对最佳施工阶段、最佳成桥状态进行了定义，即通过施工状态变量同目标约束条件的良好联系使约束条件能够同状态变量间形成一种解析的函数关系，并能够通过对该状态变量的适当调整将每一个施工环节都形成最佳的施工阶段，并以此实现最佳成桥状态。但是，由于最佳成桥状态法不具备反馈预测功能，属于一种较为被动的控制方式。
4.2.3 无应力法
该方法将成桥过程中所具有的无应力曲率以及无应力长度作为桥梁安装施工的一种重要控制因素，以获得较高的成桥质量。实际施工过程中，由于施工误差、制作误差及参数误差等情况的存在，会导致参数还原后的线形及结构内容同设计方案存在一定的差异，而且这种差异会随着误差的增加而加大，使最终成桥状态与设计间存在一定的偏离。由于该方法不需要对误差进行控制及修正，使其并不能对实际施工状态进行预测。
5 例谈大跨径连续梁桥的施工控制系统
5.1 工程概况
云南省大理州某跨河桥梁，主桥为45m+80m+45m三跨预应力混凝土连续梁桥，侨联由两幅完全分离的平行桥梁组合而成，采用双向4车道设计。主梁为单箱单室结构，箱梁顶底的宽度分别是13.74m、7.74m，顶宽墩中心处平均梁高4.4m，跨中及梁端支座处梁高2.0m。该跨河大桥采用挂篮悬臂现浇工法施作而成，4个主墩配有4个T构，“T构”左右两侧各设9个悬浇节段。主墩临时固结采用钢管混凝土支撑，在悬浇过程中承受箱梁的不平衡弯矩。合拢时，按照“先边跨后中跨”的顺序依次完成合拢，最后将临时支撑拆除完成主桥转体施工。
根据施工方案把本工程划分为几个阶段，明确每一阶段所包含的施工步骤，分阶段开展施工活动。比如，悬浇施工段可以划分为挂篮前移、混凝土浇筑、预应力张拉三个步骤，再结合现场条件，对照施工图布置各个阶段模型的单元数、荷载以及边界条件。施工时，应该重点关注几个荷载条件：箱梁结构自重、预应力效应、混凝土的收缩徐变、挂篮重量及合拢阶段的平衡配重、成桥阶段结构体系转换、体系转换后的预应力及混凝土收缩徐变引起的二次内力、二期恒载等。
5.2 施工控制流程及施工控制体系
5.2.1 施工控制体系
①实时测量。
在整个施工阶段，实时测量是采集现场信息、客观反映桥梁实际工况的主要途径。测量所得的数据、资料对于科学地开展桥梁施工具有至关重要的作用。实际测量必须保证测量数据的可靠性及精度。具体内容有混凝土应变监测、箱梁温度分布以及线形控制测量等。
②仿真模拟。
在桥梁施工过程中，需要根据测试参数、构筑物尺寸、空间位置进行仿真模拟，并结合实际测量所得数据进行拟合分析，以确保计算结果与实际工况保持一致。具体来讲，需要实地勘测施工现场，并如实记录材料物理力学性能参数、施工荷载条件以及施工截面几何参数，这样才能为桥梁施工提供参考依据。
③计算分析。
大跨径连续箱梁桥的施工控制是一个预告、施工、测量、识别、修正、预告的循环过程。在施工控制中，最为关键的是要保证结构的安全性，保证结构的受力及尺寸都处于合理误差范围之内。在施工现场，结构状态同测量误差、数据参数及结构分析模型之间也有着密切的联系，通过工程控制过程中的计算分析，将桥梁施工按动态系统进行分析，能够帮助我们更好地掌握其真实的状态。
5.2.2 施工控制流程
5.3 参数敏感性分析
对于可能对桥梁施工产生影响的全部参数来说，在同一工程的施工中不一定会同时出现。而且，不同参数对于桥梁状态影响程度也不同。在这种情况下，就需要我们通过对设计参数的分析来确定参数的实际值。一般来说，我们可以采取如下方法：
第一，以现场测量的方式确定参数。这些参数主要包括材料截面特性参数、几何形态参数和材料特性参数，工作人员可以通过实验测量及现场测量方式进行确定。
第二，结构计算分析。即通过对结构的计算，对相关设计参数进行确定，并分析参数对工程质量的影响程度。对参数进行敏感性分析时，应按照下述步骤进行：首先，需要将参数变化幅度控制在10%；其次，对目标进行选定，并合理调整设计参数值，构建敏感性方程。
最后，应结合影响程度设定主要、次要参数，并在施工控制过程中对参数进行修正。
5.4 断面应力测点布置
对截面进行测试时，需要对施工不同阶段所具有的受力特点进行充分的分析。根据本工程特点，我们在悬臂根部、L4/和合拢段等部位分别布置了测点。施工时，墩顶截面的正压力过高，在施工中可能出现箱梁悬臂施工墩顶临时固结或应力集中的问题，为规避这个问题，可以将实际墩顶监测截面移到近墩的0#块与1#块交会的20cm截面处。应力控制截面如图5所示。
实际应力需要通过应变测试工作的开展来反映。由于混凝土受温度、徐变等因素的影响，测量获得的应变是由混凝土收缩、温度涨缩及应力作用共同引起的。应变测量时机的选择，应尽可能选择日照温差较小的时间完成，以最大程度降低来自温度的干扰。而对混凝土所存在的徐变及收缩效应，则可以根据实际测量获得的数据及理论计算对其进行适当修正。
5.5 施工控制效果
①预应力管道定位网钢筋间距严格控制在60m以内，曲线也未超过30cm的允许范围。
②浇筑时，混凝土下落的自由倾落高度未超出2m的控制范围。严格执行了“先浇底板、再浇中间腹板、最后浇筑顶板”的施工控制要求，养护期10天，符合混凝土成型要求。
③预应力张拉时，严格按施工控制要求，使用具有1.5倍张拉力的防震型千斤顶，其校正系数小于1.05。并且是在梁体强度及相应弹性模量达到了混凝土设计强度的100%后，经过7天的养护才进行纵向预应力张拉，张拉效果符合预期要求。
6 结论
要想更好地开展桥梁施工控制工作，一个完整、科学的施工监测系统是必不可少的，只有这样才能够帮助我们更好地对施工参数、技术等进行控制。本文中，我们对大跨径预应力连续梁桥施工控制关键技术进行了一定的研究，并在实际施工中进行应用，使工程质量得到了有效控制。
参考文献：
[1]邓立东.连续梁桥施工控制方法研究[J].中国水运（下半月），2010（01）：44-46.
[2]陈新新.大跨度预应力混凝土连续梁桥施工技术[J].科技创新导报，2010（05）：55-58.
[3]孙建刚.大跨度连续梁桥施工控制[J].西部探矿工程，2009（01）：155-157.
[4]黄磊.预应力混凝土连续梁桥施工控制技术[J].中国水运（下半月），2009（03）：78-82.
[5]李宜远，黄箭.连续梁桥预应力混凝土施工控制因素及分析[J].广东科技，2009（06）：144-147.
[6]黄伟.大跨度连续梁桥施工监测控制技术[J].土工基础，2009（03）：11-14.
