楊福生 黃 鑫 張 坤 苗戰(zhàn)濤

(1.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100142； 2.河南省公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，河南 鄭州 450000)

·橋梁·隧道·

波形鋼腹板矮塔斜拉橋的施工線形監(jiān)控

楊福生1黃 鑫1張 坤1苗戰(zhàn)濤2

(1.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100142； 2.河南省公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，河南 鄭州 450000)

介紹了波形鋼腹板矮塔斜拉橋施工監(jiān)控的內(nèi)容和方法，以朝陽(yáng)溝特大橋?yàn)槔?，通過(guò)Midas Civil有限元軟件，對(duì)全橋進(jìn)行了施工全過(guò)程仿真計(jì)算，并闡述了該橋梁的線形監(jiān)控措施，使成橋后的線形滿足了規(guī)范要求。

斜拉橋，波形鋼腹板，線形監(jiān)控，仿真計(jì)算

1 概述

波形鋼腹板斜拉橋成橋狀態(tài)線形的影響因素復(fù)雜，為確保橋梁施工成橋后的線形符合預(yù)期要求，需對(duì)斜拉橋的每一個(gè)施工階段進(jìn)行詳盡分析、驗(yàn)算。在求得主梁撓度、塔柱位移等施工控制參數(shù)的理論計(jì)算值后，對(duì)施工順序做出明確規(guī)定，在施工中加以有效的管理和控制，確保斜拉橋在施工過(guò)程中的變形始終處于安全的范圍內(nèi)，成橋后主梁的線形符合預(yù)先的期望。本文以朝陽(yáng)溝特大橋?yàn)槔?，結(jié)合仿真分析進(jìn)行施工監(jiān)控，使成橋后的線形滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2 監(jiān)控內(nèi)容及監(jiān)控方法

2.1 監(jiān)控內(nèi)容

本文僅進(jìn)行主梁標(biāo)高和塔柱變位觀測(cè)，考慮混凝土收縮、徐變、溫度變化等引起的標(biāo)高變化，保證竣工成橋時(shí)結(jié)構(gòu)的線形與設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)保持一致。

2.2 監(jiān)控方法

施工監(jiān)控采用自適應(yīng)控制方法來(lái)指導(dǎo)施工監(jiān)控工作，通過(guò)施工過(guò)程的反饋測(cè)量數(shù)據(jù)不斷更正用于施工控制的跟蹤分析程序的相關(guān)參數(shù)，使計(jì)算分析程序適應(yīng)實(shí)際施工過(guò)程。

1)結(jié)構(gòu)施工前期分析。對(duì)每一工況進(jìn)行有限元理論分析，精確模擬施工全過(guò)程，獲得結(jié)構(gòu)各施工階段的期望狀態(tài)，給出各施工過(guò)程中變形的期望值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行施工誤差靈敏度分析，確定各施工步驟的允許誤差及誤差出現(xiàn)后的位移調(diào)整方案。

2)變形跟蹤測(cè)量。根據(jù)前期分析結(jié)果和主橋?qū)嶋H的施工情況，對(duì)每一個(gè)節(jié)段的變形控制點(diǎn)進(jìn)行變形測(cè)量。

3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算分析調(diào)整。根據(jù)施工過(guò)程中位移控制點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)出現(xiàn)超過(guò)規(guī)范規(guī)定的誤差，分析誤差出現(xiàn)的原因，確定調(diào)整誤差的措施，調(diào)整后續(xù)的施工要求。施工監(jiān)控工作流程圖如圖1所示。

3 施工控制仿真分析

3.1 仿真計(jì)算分析方法

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil對(duì)全橋施工階段全過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，得出各種荷載作用下橋梁各構(gòu)件的變形，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和其他施工測(cè)試參數(shù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別與調(diào)整。經(jīng)多次迭代予以修正后，獲得每個(gè)階段的控制高程。

3.2 建立計(jì)算模型

計(jì)算模型是仿真分析計(jì)算和校核的基礎(chǔ)。對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，對(duì)各離散單元賦予計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行全橋的施工過(guò)程分析，得到整個(gè)施工過(guò)程的計(jì)算模型。

3.2.1 桿系單元基本假定

1)波形鋼腹板與箱梁頂、底板混凝土共同工作，不發(fā)生相對(duì)滑移或剪切連接破壞；箱梁整體受力，縱向彎曲受力時(shí)，斷面的平截面假定成立；2)由于波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)，縱向彎曲時(shí)波形鋼腹板不承受縱向力(拉、壓力)；3)縱向彎矩由混凝土頂、底板承受，剪切由波形鋼腹板承受，且剪應(yīng)力沿梁高方向均勻分布。

3.2.2 波形鋼腹板截面等效

1)截面承彎只考慮頂、底板混凝土的作用，忽略波形鋼腹板對(duì)截面的貢獻(xiàn)；2)頂、底板混凝土不承受剪力，剪力完全由波形鋼腹板承擔(dān)；波形鋼腹板根據(jù)剪切彈性模量等效為混凝土腹板；3)內(nèi)襯混凝土段波形鋼腹板等效為混凝土腹板。

3.2.3 計(jì)算參數(shù)選取

仿真分析計(jì)算模型中，主梁頂、底板混凝土均采用C55，主塔采用C50；鋼材采用Q345D鋼材；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線。

3.2.4 計(jì)算荷載

本橋施工階段荷載主要為恒荷載，包括結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮徐變效應(yīng)、二期恒載及預(yù)應(yīng)力。

3.2.5 結(jié)構(gòu)模型

桿系模型采用Midas Civil進(jìn)行建模，主梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，波形鋼腹板等效為混凝土腹板，主梁380個(gè)單元，斜拉索104個(gè)單元。階段按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及懸臂施工流程進(jìn)行劃分，共66個(gè)施工階段。橋梁按曲線橋模擬，曲線半徑3 900 m，有限元模型如圖2所示。

3.2.6 施工流程及施工階段劃分

根據(jù)施工總體步驟以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，全橋劃分484個(gè)單元，劃分為65個(gè)施工階段和1個(gè)運(yùn)營(yíng)階段。每個(gè)塊段的懸澆過(guò)程分為：掛籃就位與立模→混凝土澆筑→張拉預(yù)應(yīng)力筋與拆?！鷴旎@前移4個(gè)受力階段。

3.3 仿真分析計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到箱梁累計(jì)位移和索塔偏位計(jì)算結(jié)果。

4 線形監(jiān)控

4.1 線形監(jiān)控流程

對(duì)實(shí)測(cè)狀態(tài)與原定理想狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，濾除隨機(jī)誤差并進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和調(diào)整，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，重新進(jìn)行模型計(jì)算，從而對(duì)原定理想狀態(tài)進(jìn)行修正得到新的理想狀態(tài)，據(jù)此預(yù)告下階段位移控制值和立模標(biāo)高。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)梁段前端設(shè)一個(gè)測(cè)試斷面，每個(gè)斷面的高程設(shè)置點(diǎn)如圖3～圖5所示。各測(cè)點(diǎn)距離箱梁中心的間距見(jiàn)表1。

表1 高程測(cè)點(diǎn)距離箱梁中心距離

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4.3 線形監(jiān)控成果分析

4.3.1 懸臂澆筑階段線形成果分析

懸臂澆筑階段主梁階段劃分示意圖如圖6所示。本橋主梁劃分為18個(gè)梁段進(jìn)行施工。

1)P2墩高程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。a.混凝土澆筑前后變形實(shí)測(cè)值與理論值最大偏差為1.7 cm，其中偏差±1 cm內(nèi)梁段數(shù)為28個(gè)，占總數(shù)82.5%。b.鋼束張拉前后變形實(shí)測(cè)值與理論值最大偏差1 cm，斜拉索張拉前后變形實(shí)測(cè)值與理論值最大偏差1 cm，變形符合線形監(jiān)控要求。c.P2墩各梁段梁底實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論標(biāo)高最大偏差為1.8 cm，其中偏差±1 cm內(nèi)梁段數(shù)為28個(gè)，占總數(shù)73.8%?？傮w梁底線形基本平順，滿足監(jiān)控要求。

2)P3墩高程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。a.混凝土澆筑前后變形實(shí)測(cè)值與理論值最大偏差為1.7 cm，其中偏差±1 cm內(nèi)梁段數(shù)為27個(gè)，占總數(shù)79.4%。b.梁段鋼束張拉前后變形實(shí)測(cè)值與理論值最大偏差1 cm，梁段斜拉索張拉前后變形實(shí)測(cè)值與理論值最大偏差1.1 cm，變形滿足監(jiān)控要求。c.P3墩各段梁底實(shí)測(cè)標(biāo)高與理論標(biāo)高最大偏差為1.8 cm，其中偏差±1 cm內(nèi)梁段數(shù)為29個(gè)，占總數(shù)76.3%。總體梁底線形基本平順，滿足監(jiān)控要求。

4.3.2 頂推階段合龍口頂板位移結(jié)果分析

頂推過(guò)程中對(duì)合龍口兩側(cè)箱梁頂板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到合龍口的軸向和豎向位移。在每個(gè)合龍口兩側(cè)的箱梁頂板上各布置3個(gè)測(cè)釘，其中1個(gè)測(cè)釘在箱梁中心，另外2個(gè)測(cè)釘分別在1號(hào)和4號(hào)箱室中間，如圖7所示。

由合龍口軸向位移結(jié)果可知：1)加配重后，懸臂端理論變形3.2 cm。實(shí)測(cè)P2墩小里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大下?lián)?.9 cm，平均下?lián)?.6 cm；P2墩大里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大下?lián)?.7 cm，平均下?lián)?.6 cm；P3墩小里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大下?lián)?.3 cm，平均下?lián)?.1 cm；P3墩大里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大下?lián)?.7 cm，平均下?lián)?.6 cm。2)頂推完成后P2墩小里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大下?lián)?.8 cm，平均下?lián)?.5 cm；P2墩大里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大上拱4.4 cm，平均上拱4.2 cm；P3墩小里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大上拱5.6 cm，平均上拱5.4 cm；P3墩大里程18號(hào)塊各測(cè)點(diǎn)最大下?lián)?.6 cm，平均下?lián)?.5 cm。3)頂推完成后，P1-P2合龍口各測(cè)點(diǎn)軸向間距最大減小1.9 cm，平均減小1.8 cm；P2-P3合龍口各測(cè)點(diǎn)軸向間距最大增大6.4 cm，平均增大6.4 cm；P3-A4合龍口各測(cè)點(diǎn)軸向間距減小3.6 cm，平均減小3.5 cm。

由此可見(jiàn)，在頂推過(guò)程中，合龍口頂板各測(cè)點(diǎn)位移變化量與理論值基本相當(dāng)，且變化趨勢(shì)與理論值一致。

4.3.3 頂推完成后合龍口底板標(biāo)高結(jié)果分析

合龍口底板標(biāo)高是檢驗(yàn)合龍線形的重要參考依據(jù)，合龍口的每個(gè)斷面底板分別測(cè)量4個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)的位置為12號(hào)～15號(hào)測(cè)點(diǎn)，取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為合龍口底板的實(shí)測(cè)高程。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：3個(gè)合龍口底板實(shí)測(cè)高差與理論高差最大相差-1.4 cm，位于大里程邊跨合龍口，合龍誤差滿足監(jiān)控要求。

4.3.4 成橋橋面高程結(jié)果分析

對(duì)全橋合龍完成后的體內(nèi)束張拉、體外束張拉和斜拉索調(diào)索等關(guān)鍵工況下的全橋箱梁頂面高程進(jìn)行測(cè)量。成橋橋面高程測(cè)點(diǎn)沿主梁縱向布置；測(cè)點(diǎn)在橫斷面上布置在護(hù)欄和箱梁中心線附近。1)體內(nèi)束張拉完成后橋面高程結(jié)果分析。體內(nèi)束張拉完成后橋面實(shí)測(cè)高程與預(yù)計(jì)高程平均相差0.4 cm，符合橋梁線形施工監(jiān)控精度要求的測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)的80%，滿足線形要求。2)體外束張拉完成后橋面高程結(jié)果分析。根據(jù)體外束張拉完成后橋面高程測(cè)量數(shù)據(jù)，符合橋梁線形施工監(jiān)控精度要求的測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)的84.2%，滿足線形要求。3)斜拉索調(diào)索完成后橋面高程結(jié)果分析。

根據(jù)斜拉索調(diào)索完成后橋面高程測(cè)量結(jié)果，斜拉索調(diào)整完成后關(guān)鍵截面橋面實(shí)測(cè)高程與預(yù)計(jì)高程平均相差0.4 cm，符合橋梁線形施工監(jiān)控精度要求(±20 mm)的測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)的83.3%，說(shuō)明斜拉索調(diào)整完成后關(guān)鍵截面處的橋面線形良好。

5 施工監(jiān)控結(jié)論

本橋施工通過(guò)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)了施工期間的全過(guò)程監(jiān)控。在懸臂澆筑階段，懸臂梁段變形和箱梁高程基本符合橋梁線形施工監(jiān)控要求；頂推階段合龍口底板標(biāo)高符合橋梁線形施工監(jiān)控精度要求；體內(nèi)束、體外束張拉完成后，橋梁線形滿足規(guī)范要求。

該橋施工監(jiān)控實(shí)踐表明，大跨度橋梁進(jìn)行施工期間的全過(guò)程監(jiān)控是十分必要的。該橋施工監(jiān)控的成功經(jīng)驗(yàn)也為今后類似橋梁的施工監(jiān)控提供了良好的借鑒。

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On linear monitoring of corrugated steel web plate of short tower cable-stayed bridges

Yang Fusheng1Huang Xin1Zhang Kun1Miao Zhantao2

(1.ChinaConstructionCommunicationsENGRGGroupCorp,Ltd,Beijing100142,China; 2.HenanRoadEngineeringTestDetectionCenterCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper introduces the content and method for the monitoring corrugated steel web plate of short tower cable-stayed bridges, undertakes the whole-process simulation calculation with Midas Civil finite element software by taking Chaoyanggou Super-large Bridge as the example, and illustrates the linear detection measures of the bridge, so as to ensure the linear of the bridge to meet the regulations.

cable-stayed bridge, corrugated steel web plate, linear detection, simulation calculation

1009-6825(2017)02-0160-03

2016-11-03

楊福生(1978- )，男，高級(jí)工程師

U448.27

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