梁橋施工控制

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摘要：本文敘述了主跨138米預應力砼連續梁橋的施工控制工程。

關鍵詞：預應力砼梁橋施工

一、工程概述

金沙洲大橋(糖廠大橋)位于廣州市西部，是為了配合金沙洲小區的開發而建的一座跨越珠江的大型城市橋梁。主橋上部結構為93.0m+138.0m+93.0m三跨變高度預應力混凝土連續箱梁結構。全長324.0m，橋寬22.0m，為單箱單室結構。箱梁為三向預應力混凝土結構，頂面寬度為22.0m，箱寬為10.0m。箱梁根部梁高為7.0m，邊跨及中跨合攏段梁高為3.0m，梁底下緣按二次拋物線設置。設計荷載為汽車-20級，掛車-100。

二、施工控制的內容和目的

橋梁施工控制的目的就是確保施工中結構的安全和確保結構形成后的外形和內力狀態符合設計要求。

對于懸臂施工的預應力砼連續梁橋結構來說，施工控制就是根據施工監測所得的結構參數真實值進行施工階段的仿真分析，確定出每個懸臂澆筑階段的立模標高，并在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測和對下一立模標高進行調整，以此來保證成橋后橋面線型、合攏段兩懸臂端標高的相對偏差不大于規定值，以及結構內力狀態符合設計要求。

三、施工控制的仿真分析

大跨徑預應力連續梁橋的施工采用分階段逐步完成的懸臂施工方法時，結構的最終形成必須經歷一系列的施工過程，對施工過程中每個階段進行詳細的變形計算和受力分析，是橋梁施工控制最基本的內容之一。為了達到施工控制的目的，我們必須首先通過計算來確定橋梁結構施工過程中每個階段在受力和變形的理想狀態，以此為依據來控制施工過程中每個階段的結構行為，使其最終成橋線型和受力狀態滿足受力要求。

1、仿真分析的計算模型

在進行仿真計算時，將金沙洲大橋主橋簡化成平面結構，各懸臂施工階段離散梁單元，整個橋梁離散為101個梁單元，102個節點，主墩Z1，Z2，Z4簡化為活動鉸支座，Z3簡化為固定鉸支座。

2、仿真分析的結構設計參數

大多數情況下，采用規范設計參數計算的結構內力和位移均較實測值大，這對設計是偏于安全的，但對于結構施工控制來說是不容忽視的偏差，因為它將直接影響到成橋后結構線型及內力是否符合設計要求。此次仿真分析的設計參數取用原則是：結構設計參數的取值盡量和實際相吻合；對于主要的可以測定的設計參數，則用試驗數值；難以測定的則依照設計規范，根據以往的工程經驗進行修正。設計參數的具體數值見表一：

設計參數數值表表一

項目設計參數

材料50號砼，預應力鋼絞線，，

砼算參數彈性繼效系數0.3徐變速度系數0.021瞬時徐變系數0.8滯后徐變系數0.4環境相對濕度0.7砼平均加載齡期10天

預應力計算參數錨具變形與鋼束回縮值4mm，鋼絞線松弛損失按控制應力的4.5%，管道摩阻系數u=0.25，管道偏差系數k=0.002

設計荷載一期恒載容重二期恒載:防撞欄7.889橋面鋪裝:瀝青預應力錨下控制應力

溫度荷載年溫差，日照溫差頂板升溫

支座沉降10mm

3、施工階段的劃分

本橋采用懸臂澆筑方法施工，在施工過程中，設置了臨時支撐，在計算中除了考慮設置永久支座外，在懸臂施工期間設置了4個臨時豎向約束，以模擬實際施工的臨時支撐。本次計算實際共劃分為23個施工階段和1個運營階段，嚴格和實際施工狀態相對應。各施工階段內容詳見表二。

施工階段劃分表表二

施工階段內容

1安放臨時支座，支架現澆0號塊和1號塊。張拉頂板T0和T1束

2～20依次懸臂澆筑2～20號塊。依次張拉頂板T2～20束

21支架現澆26號塊到22號塊，安裝邊跨合攏段剛性聯結，澆筑邊跨21號塊，從長束到短束順序張拉邊跨底板預應力束，邊跨合攏。

22澆筑中跨21號塊，按從長束到短束順序張拉中跨底板預應力束，中跨合攏

23拆除中跨合攏段掛籃，橋面系施工

24運營階段

4、施工荷載的模擬

在預應力砼連續梁橋的懸臂施工中，掛籃和模板機具設備重對結構的內力和變形的影響很大，所以在仿真分析中，必須考慮施工荷載－主要是掛籃的影響。一般說來在現澆1號段混凝土時掛籃設備的靜載全部落在墩頂上的0號段上，但是，在懸臂澆筑過程中，混凝土的重量不斷增加，使掛籃設備上的伸臂發生彈性變形，它使底模板前端的標高也發生同樣的變形，類似的變形將同樣的發生在以后各階段的施工中，這種變形在掛籃拆除后卻不能得到恢復。因此在各節點的預拱度值中，均應計入這個影響，但是也可以調整的吊帶來解決。當澆筑2號段混凝土掛籃設備一般分成兩截，分別固定在（或者部分地落在）已完成的懸臂階段上，由于掛籃具有一定的靜載，尤其在大跨度橋梁的懸臂施工中，掛籃設備的重心距離懸臂梁的根部的力臂較大，使結構發生變形，但在掛籃拆除后，又使原來的變形得到恢復。

此次仿真分析計算充分考慮了施工荷載的影響，在仿真分析中模擬了掛籃的安裝和拆除，以及掛籃前進的工況，掛籃的計算重量為800KN（其值由施工單位實測得到）。

5、懸臂施工的撓度計算

在橋梁懸臂施工的控制中，最困難的任務之一就是施工撓度的計算與控制。我們所采用的分析軟件BRCAD5.1和BSAS的系統會根據不同階段的受力狀態自動考慮混凝土的收縮徐變影響、預加力的影響、溫度變化的影響以及支座沉降的影響，其中混凝土收縮徐變的計算考慮了各階段混凝土應力變化的影響，在預應力損失的計算中，對每個階段內每個截面上的每組鋼束都分別進行了計算。

為了說明的方便，下面列出懸臂橋梁施工時結構的總撓度計算公式（包括短期彈性撓度和已發生的徐變撓度變形）

式中：――扣除預應力損失后的預加力產生的上拱度

――梁段自身靜載（即一期恒載）產生的下撓度

――懸臂施工時的臨時施工荷載產生的下撓度

――混凝土隨齡期增大的徐變系數

對于橋梁長期荷載作用下的總撓度的計算，還必須考慮二期恒載和活載的作用所產生的撓度，計算公式為

式中：――二期恒載產生的下撓度

――靜活載作用下產生的下撓度

――混凝土徐變系數終值

綜合考慮各種因素后，將各影響參數輸入軟件中，由軟件自動算出各施工階段每一梁段的撓度，合攏時的撓度，合攏后二期恒載作用下的撓度，以及活載作用下的撓度。

通過仿真分析發現，在施工階段對結構內力和變形影響較大的設計參數主要梁自身靜載、預應力鋼絞線的有效預應力；材料的彈性模量E和剪切模量G、施工臨時荷載－掛籃、混凝土的收縮與徐變變形的性能以及混凝土加載齡期的變化對變形影響較大，其它的參數影響較小。

6、施工階段立模標高的確定

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標高的合理確定，是關系到主梁的線型是否平順，是否符合設計的一個重要問題，如果在確定立模標高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確的控制，則最終橋面線型較好。否則，最終橋面線型會與設計線型有較大的偏差。

眾所周知，立模標高并不等于設計中橋梁建成后的標高，總要設置一定的預拱度，以抵消施工中產生的各種變形（撓度）。其計算公式如下：

式中：――施工i梁段時i梁段的立模標高（梁段最前端某確定位置）

――i梁段設計標高

――施工i梁段時混凝土澆筑前i梁段的總撓度（軟件自動算出）;

――施工i梁段掛籃的變形值

其中掛籃的變形值是根據掛籃加載試驗，綜合各項測試結果，最后繪制出掛籃荷載－撓度曲線，進行內插而得。

此立模標高計算公式簡單，概念清楚，使用方便，而且實際使用效果很好。

7、仿真計算主要結果

通過計算結果分析可知，箱梁在懸臂施工過程中，軸力、彎矩曲線較為順暢，施工階段截面上下緣均為壓應力，而且都在規范允許的范圍之內。

在運營階段，正常使用極限狀態下組合1箱梁應力基本上處于全截面受壓狀態，而且滿足規范要求。其它荷載組合除了部分幾個截面頂板或底板出現很小拉應力（最大不超過0.5MPa），箱梁應力基本上處于全截面受壓狀態，箱梁的應力滿足規范要求。

承載能力極限狀態：從附件中可以看出截面基本滿足規范要求。

各個施工階段的撓度曲線很順暢。撓度的變化也很正常。

四、施工控制的參數識別和現場測試

1、參數的識別

結構設計參數的變化能導致橋梁結構內力的變化和形狀的改變，因此我們在大跨度橋梁的施工控制中，必須對設計參數進行識別和修正。不同的設計參數對結構狀態的影響程度是不同的。總的說來，對于連續梁主要的設計參數有以下幾個方面：

（1）結構幾何形態參數：主要是橋梁結構的跨徑、高跨比、線型等，它們表征了結構的形狀和結構最初的狀態。（2）截面特征參數：截面的面積、抗彎慣性矩等。（3）與時間有關的參數：溫度、混凝土齡期、收縮徐變是隨著時間而變化的參數。（4）荷載參數：主要是結構構件自重力、施工臨時荷載和預加力。（5）材料參數：主要是指材料的彈性模量E和剪切模量G，對于混凝土材料來說，這兩個參數有一定的波動，在橋梁的施工控制中要對其進行識別。

這五類設計參數在同一座橋梁的施工控制中并不是每一個設計參數對橋梁結構狀態的影響都是一樣的，因此我們要對設計參數進行辨別，一方面要確定設計參數的實際值，另一方面要辨別對結構狀態影響較大的設計參數即主要參數，為了達到這個目的，對設計參數的識別，總的來講，有兩種方法和手段：其一，通過現場測量來確定設計參數的值。這主要是結構幾何形態參數、截面特征參數和材料特征參數，它們可以通過現場測量方法或試驗測量手段來確定。其二，通過結構計算分析來確定主要設計參數，也就是設計參數敏感性分析方法。在這里我們主要采用的是第一種方法。

2、現場測試

為了確保施工控制的順利實施，施工過程中各項技術參數的準確測定至關重要，它是進行施工控制的必要初始參數，它為施工的仿真分析提供了實測依據，是最終實現施工控制目的的最關鍵的一步。這次我們主要現場測試的內容如下：

（1）應力觀測：

在大橋上部結構的控制截面布置應力測點，以觀察在施工過程中這些截面的應力變化與應力分布情況。然后把結果及時反饋給設計人員，和計算結果相驗證，在計入誤差和變量調整后由設計人員分析以后每階段乃至竣工后結構的實際狀態，同時可以根據當前施工階段向前計算至竣工，預告今后施工可能出現的狀態并預報下一階段當前一安裝構件或即將安裝的構件是否出現不滿足強度要求的狀態，以確定是否在本施工階段對可調變量實施調整。經現場測試，各施工階段被測梁段的應力值和仿真分析的相吻合，應力變化沒有出現異常。

（2）撓度觀測：

撓度觀測資料是控制成橋線型最主要的依據，根據以往的經驗，在每個施工段的斷面上上布置五個高程觀測點1、2、3、4、5，順序是從上游至下游排列，間距為6米＋5米＋5米＋6米，控制點3為橋梁中線點，這樣不僅可以測量箱梁的撓度，同時可以觀察箱梁是否發生扭轉變形。在施工過程中，對每一截面需進行立模、混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、預應力鋼筋張拉前、預應力鋼筋張拉后的標高觀測。以便觀察各點的撓度和箱梁曲線的變化歷程，保證箱梁懸臂端的合攏精度和橋面線型。為了盡量減少溫度的影響，撓度的觀測安排在早晨太陽出來之前進行。以這些觀測數據為依據，進行有效的施工控制。由于測量數據太多，現僅將各施工的控制點3從10號塊到20號塊在預應力鋼筋張拉后理論標高和實測標高值列于下表：

各節點立模標高

斷面號Z2墩Z3墩

理論標高實際標高差值（米）理論標高實際標高差值（米）

10’－10’21.62121.6220.00121.62121.6100.011

10－1022.81122.806-0.00522.81722.809-0.008

11’－11’21.53921.535-0.00421.53921.528-0.011

11－1122.84822.838-0.01022.84822.841-0.007

12’－12’21.45621.448-0.00821.45621.442-0.014

12－1222.84422.872-0.01222.88422.875-0.009

13’－13’21.37121.358-0.01321.37121.3730.002

13－1322.91822.914-0.00422.91822.905-0.013

14’－14’21.27621.262-0.01421.27621.2790.003

14－1422.96122.953-0.00822.69122.952-0.009

15’－15’21.16821.153-0.01521.16821.170-0.002

15－1522.99222.9950.00322.99222.9900.002

16’－16’21.05621.048-0.00821.05621.052-0.004

16－1623.01823.011-0.00723.01823.015-0.003

17’－17’20.94020.935-0.00520.94020.938-0.002

17－1723.04123.035-0.00623.04123.032-0.009

18’－18’20.81720.810-0.00720.81920.798-0.011

18－1823.05623.041-0.01523.05623.036-0.020

19’－19’20.66820.677-0.01120.69420.683-0.011

19－1923.06323.045-0.01823.06323.046-0.017

20’－20’20.51520.498-0.01720.53120.523-0.008

20－2023.05723.043-0.01423.05723.041-0.016

從表中可以看出：

1、理論標高和實測標高最大誤差為20mm，理論值和實測值符合較好，在施工不需要調整立模標高，給施工帶來了很大的方便。也更好地說明立模標高的計算模式合理，具有很強的實用性。

2、合攏時兩個合攏段理論標高和實測標高均為誤差為16mm，它們的相對高差為2mm，兩者在同一水平線上，合攏時不需要進行壓重和糾偏，可以直接合攏。保證了成橋后橋面線型平順，與設計相吻合。

（3）溫度控制

溫度是影響主梁撓度的最主要的因素之一，溫度變化包括日溫度變化和季節變化兩部分，日溫度變化比較復雜，尤其是日照作用，季節溫差對主梁的撓度影響比較簡單，其變化是均勻的。因此為了摸清箱梁截面內外溫差和溫度在截面上的分布情況，在梁體上布置溫度溫度觀測點進行觀測，以獲得準確的溫度變化規律。

（4）混凝土彈性模量和容重的測量

混凝土彈性模量的測試主要是為了測定混凝土彈性模量E隨時間的變化規律，采用現場取樣通過萬能實驗機進行測定。混凝土彈性模量和容重的測量是在現場取樣，采用實驗室的常規方法進行測定。

（5）鋼絞線管道摩阻損失的測定

在進行鋼絞線張拉時，由于管道摩阻會造成預應力不同程度的損失，本測試項目旨在定量地測量鋼絞線管道摩阻損失，以確定有效的預應力。

五、施工控制的措施

（1）在懸臂施工過程中，對撓度和施工標高進行施工精密測量。

（2）對懸臂施工實行第三方監測，確保撓度和施工標高的測量準確無誤。

（3）預應力鋼絞線在具體張拉過程中，及時向設計人員提供有關數據，以便核對延伸量，同時也是驗證預應力有關參數的準確性。實測延伸量和理論延伸量符合較好，滿足設計要求。

（4）施工單位應將已經施工階段的實測撓度及標高等參數提前3天反饋給設計人員，以便設計人員對將施工階段的標高進行調整和控制。

（5）懸臂施工按照對稱平衡的原則進行施工，施工過程中應隨時注意兩懸臂不得出現不平衡荷載。

（6）為了避免不平衡荷載的出現，懸臂施工段除了施工機具外，不得堆放其它物品和材料，以免引起撓度偏差。

（7）在有可能時宜將長臂和邊中跨合攏避開臺風季節，在每一梁段施工過程中出現臺風預報應停止施工，并做好施工的防臺風工作。

六、結論

通過金沙洲大橋主橋138米預應力砼連續梁橋的設計、施工和施工控制的實踐，我們可以得出如下結論：

1、本文立模標高計算公式概念清楚，使用方便簡單，而且實際施工中理論標高和實際標高誤差很小，給施工帶來了很大的方便。從而也證明了理論計算模式的先進性、正確性。

2、合攏時合攏段的相對高差也在5mm以內，合攏時不需要進行壓重和糾偏。保證了成橋后橋面線型平順，與設計相吻合。

3、確保了施工過程中結構的可靠度和安全性，保證了橋梁變形、梁段的撓度變化和結構的應力狀態符合設計要求。