李世平 薛旭濤 劉 數(shù) 馬曉君 劉 進 王 軍

1. 中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665；2. 中建四局第一建筑工程有限公司 廣東 廣州 510800

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力強，整橋的受力合理，整體性好、剛度大，因此被廣泛應用于貴州等地質(zhì)條件復雜的山區(qū)[1]。該類型橋梁的缺點主要在于其墩梁固結(jié)的連接形式，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間通過剛性連接，不設置支座，導致橋梁本身對溫度變化、混凝土收縮徐變等因素產(chǎn)生的次內(nèi)力十分敏感。因此，需要在施工過程中對橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行監(jiān)測[2]，以保證橋梁施工質(zhì)量和安全，確保在使用過程中不發(fā)生事故。

本次研究依托貴州省松桃至玉屏快速路項目中的某大橋，為高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，全橋墩柱高度最低為79 m，最高達到了112 m。墩身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設計為直立式矩形空心墩，壁厚0.8 m，每隔20 m設置一道橫隔板。該橋的跨度大，主跨的跨徑達到了125 m，主跨使用掛籃懸臂澆筑工藝進行施工。

由于該大橋跨越山谷，為了滿足地形要求，墩柱設計較高，同時地勢環(huán)境惡劣，施工多為高空作業(yè)，極大地增加了作業(yè)風險，給現(xiàn)場管理造成了很大困難。為保證橋梁的施工質(zhì)量和施工安全，對橋梁施工進行全過程監(jiān)控，主要內(nèi)容有橋梁墩柱標高和梁段的應力情況。技術(shù)人員使用有限元軟件對橋梁的受力情況進行模擬，預先計算出施工中各階段橋梁的內(nèi)力和位移，將施工中的實測值與預計值進行比較，在發(fā)現(xiàn)較大的誤差時可迅速調(diào)整施工參數(shù)，使橋梁在施工各階段的內(nèi)力和變形在設計和規(guī)范的允許范圍內(nèi)，保證橋梁的內(nèi)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)線形滿足設計要求[3-8]。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的受力分析

對松桃至玉屏快速路項目中的某大橋建立三維模型，根據(jù)施工圖設置節(jié)點劃分梁段，便于后期比較同一梁段的理論計算值與實際監(jiān)測值的區(qū)別，計算兩者誤差，達到保證橋梁受力安全的目的。該大橋上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆箱梁，設計采用C55混凝土，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.187，容重取24.7 kN/m3。

由于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋進行受力分析時是作為典型的彎壓構(gòu)件考慮，所以結(jié)構(gòu)材料需考慮非線性影響[5]。設混凝土軸心抗壓強度為fc，參照德國學者Rusch的混凝土軸心受壓應力-應變（σ-ε）曲線模型[6]，該模型的本構(gòu)關(guān)系如式（1）所示：

橋梁墩柱設計的材料為C40混凝土，C40混凝土的抗壓強度標準值為26.8 MPa，因此本項目所用混凝土在計算時的名義屈服應力取21.44 MPa。

根據(jù)本橋設計圖，使用Midas Civil軟件建立有限元分析模型，如圖1所示。

圖1 大橋有限元模型

2 橋梁豎向線形誤差調(diào)整方法

受高空作業(yè)限制，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中的豎向線形監(jiān)測和調(diào)整非常困難，由于受到施工圖設計過程中繪圖參數(shù)精度誤差、結(jié)構(gòu)分析理論計算誤差、現(xiàn)場測量誤差等多種因素的影響，導致現(xiàn)場測量結(jié)果和設計圖紙計算理論結(jié)果出現(xiàn)誤差。

在本工程橋梁上部結(jié)構(gòu)的施工過程中，豎向線形誤差預測的理論方法主要是灰色系統(tǒng)預測理論[7]，通過預測預應力張拉后橋梁的預拱度，調(diào)整模板預拱度設置值，使施工過程中橋面的標高誤差能夠盡量縮小，達到理想的計算結(jié)果。

2.1 灰色系統(tǒng)預測方法原理

由于橋梁施工過程中，存在已知和未知2種不同類型的數(shù)據(jù)信息，對于重要未知信息需要提前預測，降低出現(xiàn)誤差的可能性以及誤差的數(shù)值。因此，在橋梁工程施工中需要依靠灰色系統(tǒng)理論建立誤差微分方程模型，針對橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，掛籃就位后需根據(jù)誤差的預測結(jié)果對下一階段的模板標高進行調(diào)整，以達到控制誤差的目的。

2.2 灰色系統(tǒng)誤差微分方程模型建立

結(jié)合灰色系統(tǒng)誤差分析方法，在使用掛籃懸臂澆筑施工時，掛籃就位后需在下一梁段施工前調(diào)整掛籃底模標高，預測其在梁段預應力張拉后的預拱度，在計算得到施工梁段張拉后的理論標高，同時現(xiàn)場測量得到實際標高后，通過之前采集數(shù)據(jù)分析標高的誤差，計算下一階段的預拱度調(diào)整誤差值。微分方程模型建立方法如下：

在第i＋1號梁段施工前，通過計算得到已施工完梁段i在預應力鋼絞線張拉后的理論標高值，同時現(xiàn)場測量得到預應力鋼絞線張拉后的實測標高值，對兩者建立誤差序列，建立誤差微分方程，計算方式如式（2）所示[8]：

對公式（2）中的各項參數(shù)分別進行介紹：x為施工完梁段在預應力張拉后的理論標高值序列；y為施工完梁段在預應力張拉后的實際標高值序列；x(n)為第n號梁段在預應力張拉后的理論標高值；y(n)為第n號梁段在預應力張拉后的實際標高值。根據(jù)每一個梁段在預應力張拉后的理論標高值和實際標高值之差，建立誤差序列，對于第k號梁段，其誤差如式（3）所示：

在式（3）中，a＝max[|x(k)－y(k)|]，其中k＝1,2,…,n。

在橋梁施工過程中，影響施工質(zhì)量的因素有很多種，對于某一種變量，使用δ(k)為數(shù)據(jù)，組成新序列X(0)，進而經(jīng)過計算，由X(0)得出X(1)。以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化誤差分析的精確度如式（4）所示：

式（4）中X(1)(i)按式（5）計算：

X(1)(k)和X(1)(k＋1)的平均值，組成式（6）所示數(shù)列Z(1)：

對于X(0)、X(1)，設有系數(shù)b、v，則各數(shù)據(jù)之間存在的數(shù)學關(guān)系如式（7）所示：

由式（7）可知，灰色系統(tǒng)誤差微分方程為〔式（8）〕：

對于本工程在實際施工過程中灰色系統(tǒng)控制理論的應用，現(xiàn)選用建立的有限元模型中8號橋墩5#塊為例，展示在實際施工過程中，灰色系統(tǒng)控制的應用。此處橋梁標高均以毫米作為單位，便于誤差計算。

8號橋墩5#塊梁段在預應力張拉后的理論標高值為：[83 762 83 758 83 743 83 766 83 752]。

8號橋墩5#塊梁段在預應力張拉后的實際標高值為：[83 764 83 760 83 744 83 769 83 754]。

誤差序列為：[－2－2－1－3－2]。

2.3 線形坐標數(shù)據(jù)的處理與分析

2.3.1 觀測點的設置

在施工過程中，通過灰色系統(tǒng)誤差微分方程模型完成施工誤差修正，使結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)接近理想狀態(tài)。在本工程施工過程中，進行現(xiàn)場標高測量，得到標高控制結(jié)果。

2.3.2 觀測結(jié)果和計算值分析

節(jié)點編號采用有限元計算時建立模型所設置的節(jié)點，以便于統(tǒng)一節(jié)點編號。通過灰色控制理論的計算，針對性調(diào)整對本工程大橋每一梁段的預拱度值，將經(jīng)過計算后橋梁的標高和實際測量的標高進行對比，橋墩施工標高控制結(jié)果如表1所示。

表1 本工程大橋橋墩標高控制結(jié)果

對表1的數(shù)據(jù)進行分析，可看出橋梁的實際標高和計算標高滿足設計要求，且實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和設計標高、計算標高接近。由此可見：通過灰色系統(tǒng)微分方程模型計算后，調(diào)整橋梁預拱度，對橋梁豎向線形誤差的控制效果明顯。

3 大橋應力監(jiān)測

3.1 箱梁控制截面應力測點布置

箱梁應力測點選取在橋梁結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵截面，共在9個截面布置傳感器進行監(jiān)測，箱梁各根部截面應布置12個測點，傳感器的布置方向均為順橋向布置。在試驗前應預先進行試驗室內(nèi)模擬測試，觀測所用儀器的工作情況，確保試驗所使用的傳感器均能正常工作，記錄數(shù)據(jù)真實可靠。

3.2 應力測試結(jié)果分析

使用Midas Civil軟件對模型進行應力計算，統(tǒng)計出對應界面的應力理論計算值，再與監(jiān)測的實測值進行對比分析。應力監(jiān)控作為確保橋梁施工中結(jié)構(gòu)安全的重要手段，在大跨徑連續(xù)梁的施工中得到廣泛應用。使用傳感器對橋梁的應力進行監(jiān)測，同時與有限元模型計算出的理論值進行對比，可以準確判斷出橋梁是否處在安全的狀態(tài)下進行施工。

計算值、監(jiān)測值兩者之間的對比，能夠精準地將橋梁應變控制在合理范圍內(nèi)，最大限度地保證施工安全。

通過對橋梁的應力進行監(jiān)測，并分析數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果表明橋梁混凝土應力和理論值之間吻合性較好，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高。

4 結(jié)語

本文從工程實際出發(fā)，分析了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點和施工監(jiān)控技術(shù)，對其施工過程中的線形控制和應力控制作了簡單的研究，主要研究結(jié)論為：

1）應用以灰色系統(tǒng)理論為核心的施工質(zhì)量控制方法，通過現(xiàn)場線形和應力測量、結(jié)構(gòu)分析計算，進行驗證，并對施工誤差進行修正，確保大橋的施工監(jiān)控和施工質(zhì)量滿足設計要求。

2）在應力監(jiān)測方面，采用Midas Civil軟件進行，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與對應截面Midas軟件理論計算結(jié)果進行對比，確保施工安全。

[1] 劉志宏,詹建輝,黃宏力.高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性分析[J]. 中外公路,2005(6):63-66.

[2] 華孝良,徐光輝.橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析[M].北京:人民交通出版社, 1997.

[3] 邵容光,夏淦.混凝土彎梁橋[M].北京:人民交通出版社,1994.

[4] 劉國超.大跨度曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控技術(shù)研究[D].重慶:重 慶交通大學,2012.

[5] 王金峰,劉斌.高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)特點及施工控制[J].中國 港灣建設,2005(3):40-13.

[6] 王小松.車-橋-風相互作用理論分析[D].上海:同濟大學,2007.

[7] 張永水,顧安邦.灰色系統(tǒng)理論在連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制中的應用[J]. 公路,2001(6):42-44.

[8] 劉思鋒,黨耀國,方志耕.灰色平統(tǒng)理論及其應用[M].北京:北京科技 出版社,2006.