王 江 班 鵬 伍勁松 張?zhí)鞂?王 倜

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

近年來(lái)，我國(guó)橋梁建設(shè)飛速發(fā)展，作為道路交通工程的重要連接通道，其安全可靠性尤為重要，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、橋梁健康監(jiān)測(cè)、橋梁存在的問(wèn)題和對(duì)策、BIM技術(shù)的應(yīng)用和新測(cè)量方法的應(yīng)用等方面提出不同的看法和研究[1-7]。懸澆梁施工工藝復(fù)雜、不確定性因素眾多，為保證懸澆梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)的安全性、耐久性以及行車舒適性等，實(shí)施過(guò)程監(jiān)測(cè)十分有必要。以武漢北四環(huán)線某跨線懸澆梁工程為背景，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析，采用自適應(yīng)控制的思路對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，有效地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)整作業(yè)，保障了懸澆梁安全施工及精準(zhǔn)合龍。

1 工程概況

該懸澆梁施工場(chǎng)地位于某天然湖泊邊緣，為跨度38 m＋65 m＋38 m的變截面連續(xù)箱梁，全橋劃分為0#～12#節(jié)段，每節(jié)段長(zhǎng)2～7 m，墩柱高20 m，跨越現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)二通道高架橋，施工期間多雨天，對(duì)交通安全通行以及施工場(chǎng)地有較高要求。

懸澆梁段地基下伏軟土層，成因主要為沖積、湖積，地層巖性由淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉土等組成，呈軟塑-流塑狀，埋深2.00～9.00 m。懸澆梁空間位置如圖1所示。

圖1 懸澆梁空間位置示意（單位：cm）

2 選定結(jié)構(gòu)參數(shù)與建立計(jì)算模型

2.1 邊界條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)

橋梁的主墩頂中心節(jié)點(diǎn)在懸臂施工階段，采用臨時(shí)固結(jié)施工，當(dāng)臨時(shí)固結(jié)約束釋放后，釋放縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)約束及水平向約束，同時(shí)為保證模型不出現(xiàn)剛體位移，在中跨跨中節(jié)點(diǎn)約束水平向位移；邊墩處節(jié)點(diǎn)在固結(jié)約束的基礎(chǔ)上釋放水平向及縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。邊跨直線段支架采用豎向約束邊界條件代替，待邊跨合龍張拉后釋放該約束。施加應(yīng)力時(shí)分階段施加自重（自重系數(shù)?。?.04）、二期恒載101.7 kN/m、預(yù)應(yīng)力荷載（按圖紙控制）、掛籃荷載。掛籃荷載（包括兜底防護(hù)）按660 kN集中力、217 kN·m的力矩施加在懸臂端。中跨合龍吊架按400 kN集中力施加（兩側(cè)各200 kN），勁性骨架按84 kN集中力施加（兩側(cè)各42 kN）。

2.2 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，主梁38 m邊跨段有9個(gè)懸臂現(xiàn)澆段，65 m中跨段有18個(gè)懸臂現(xiàn)澆段，2個(gè)邊跨和2個(gè)中跨合龍段將主橋離散成58個(gè)單元，梁段截面參數(shù)按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置，預(yù)應(yīng)力鋼束共206束，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 變截面連續(xù)箱梁主橋計(jì)算模型

3 監(jiān)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

大跨度橋梁施工過(guò)程復(fù)雜，不確定因素眾多，為保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量并便于過(guò)程糾偏，過(guò)程監(jiān)測(cè)十分重要。該工程監(jiān)測(cè)主要包括主梁應(yīng)力、應(yīng)變以及幾何線形監(jiān)測(cè)。

3.1.1 主梁變形監(jiān)測(cè)

在每一梁段懸臂端（距前端10 cm處）設(shè)立2個(gè)標(biāo)高觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)用短鋼筋預(yù)埋，伸出混凝土面1.5～2.5 cm，并用紅油漆標(biāo)明編號(hào)。在7：00和17：00以后用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)標(biāo)高，上、下游觀測(cè)點(diǎn)作為長(zhǎng)期監(jiān)控觀測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中加強(qiáng)觀測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 梁段撓度測(cè)點(diǎn)斷面布置示意

3.1.2 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本次監(jiān)測(cè)擬選用型號(hào)為JMZX-215型混凝土鋼弦式應(yīng)變傳感器作為混凝土內(nèi)部埋入式鋼弦計(jì)，配合使用綜合測(cè)試計(jì)，以測(cè)得的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變，通過(guò)換算得出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力變形特點(diǎn)，測(cè)試預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)力最重要，縱向箱梁應(yīng)力測(cè)試截面選擇在懸臂施工的各個(gè)“T”構(gòu)的根部和合龍口附近。測(cè)試截面共有5個(gè)，1#、2#、4#、5#截面有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3#截面有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)試截面布置情況如圖4所示。

圖4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置示意

3.2 主梁應(yīng)力分析

3.2.1 主梁恒載內(nèi)力計(jì)算分析

對(duì)于該橋梁結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)，恒載內(nèi)力包括橋梁自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載和掛籃荷載。對(duì)該橋梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，橋梁施工過(guò)程中的每一段均呈倒“V”形波動(dòng)，究其原因，是現(xiàn)澆段施工懸臂變形所致。在第15節(jié)段和第45節(jié)段附近發(fā)生了較大的軸力突變，該處正好位于橋墩附近，由于橋墩的支撐作用，豎向力發(fā)生較大變化，對(duì)應(yīng)的彎矩反而比較小。

3.2.2 主梁應(yīng)力分析

由圖5中的主梁應(yīng)力模擬值變化情況可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力值變化趨勢(shì)呈對(duì)稱的“V”字形，0#～17#單元與30#～43#單元應(yīng)力呈遞增趨勢(shì)，在17#單元與43#單元處應(yīng)力驟減，究其原因，主要是17#單元與43#單元位于兩墩柱附近，墩柱的支撐力導(dǎo)致應(yīng)力減小，隨著邊跨的施工，懸澆段離墩柱越來(lái)越遠(yuǎn)，應(yīng)力逐漸增大。18#單元與44#單元應(yīng)力范圍為－6.39～－4.45 MPa，2#與5#監(jiān)測(cè)值范圍分別為－3.06～－1.59 MPa、－6.30～－4.68 MPa，結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力均處于正常范圍內(nèi)。在30#單元附近，應(yīng)力值處于一段“平行區(qū)”，為－7 MPa，3#現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值范圍為－4.22～－2.69 MPa，小于模擬值，說(shuō)明0#段結(jié)構(gòu)施工應(yīng)力處于正常范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)根部上緣應(yīng)力值范圍為－1.51～－0.71 MPa，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)根部上緣應(yīng)力值范圍為－3.06～－1.59 MPa，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)根部上緣應(yīng)力值范圍為－4.22～－2.69 MPa，4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)根部上緣應(yīng)力值范圍為－5.34～－3.75 MPa，5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)根部上緣應(yīng)力值范圍為－6.30～－4.68 MPa。通過(guò)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值均在模擬值范圍內(nèi)，滿足施工的要求。

圖5 主梁應(yīng)力模擬值分布

3.3 主梁變形分析

3.3.1 預(yù)拱度

根據(jù)上述建立的模型，計(jì)算每個(gè)施工節(jié)段不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以獲得計(jì)算預(yù)拱度，施工過(guò)程中考慮的因素有：箱梁結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)（縱向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)）、混凝土的收縮徐變、掛籃質(zhì)量及合龍階段的平衡配重、成橋階段結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、體系轉(zhuǎn)換后的預(yù)應(yīng)力及混凝土收縮徐變引起的二次內(nèi)力、二期恒載等。

在施工過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及各施工節(jié)段撓度的變化等，采用最小二乘法等控制理論方法對(duì)下一施工階段的預(yù)拱度進(jìn)行預(yù)測(cè)，在施工過(guò)程中進(jìn)行不斷調(diào)整，在下節(jié)段掛籃定位前及時(shí)報(bào)送施工立模的標(biāo)高指令表。其施工預(yù)拱度分布情況如圖6所示。

圖6 預(yù)拱度分布

由圖6可知，0#塊成橋預(yù)拱度最大值為35 mm，在兩橋墩處成橋預(yù)拱度值最小，幾乎為0，兩邊跨施工預(yù)拱度與成橋預(yù)拱度呈相反趨勢(shì)。

3.3.2 位移

通過(guò)計(jì)算，并將結(jié)果與圖7對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，撓度均滿足規(guī)范要求。從數(shù)值模擬可以看出，施工自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃托架、墩身固結(jié)以及二期恒載都影響著橋梁結(jié)構(gòu)的變形，其中墩身固結(jié)的拆除對(duì)結(jié)構(gòu)位移變化的影響最大。隨著節(jié)段的施工，施工自重逐漸變大，施工階段的位移（變形）也不斷變大，且變形的速率呈上升趨勢(shì)；而每個(gè)階段預(yù)應(yīng)力的張拉使得變形相對(duì)減小，對(duì)結(jié)構(gòu)線性的保持有正面影響，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在施工過(guò)程中需要加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力施工工藝的規(guī)范性，以此保證施工質(zhì)量的可靠性，同時(shí)需要注意墩身固結(jié)拆除對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

圖7 二期恒載結(jié)構(gòu)變形

3.3.3 成橋梁面線形控制

中跨合龍完成張拉后，全橋線形已基本定形，此時(shí)進(jìn)行全橋線形通測(cè)，將實(shí)測(cè)平均高程、設(shè)計(jì)高程繪制成曲線，以便于直觀了解全橋線形（圖8）。由圖8可知，實(shí)測(cè)高程與設(shè)計(jì)高程基本平行，最大相差28 mm，平均相差21 mm，滿足設(shè)計(jì)不超過(guò)橋長(zhǎng)1/5 000，即28.2 mm的要求[8]。

圖8 成橋梁面線形

4 橋梁施工參數(shù)識(shí)別控制框架

橋梁施工過(guò)程以理想成橋狀態(tài)為目標(biāo)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的倒拆計(jì)算等方法確定橋梁結(jié)構(gòu)各施工階段的理想狀態(tài)。結(jié)構(gòu)參數(shù)是施工控制中進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工模擬分析的基本資料，主要包括構(gòu)件截面尺寸、材料彈性模量、容重、收縮徐變系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、施工荷載和預(yù)加應(yīng)力等，其正確性直接影響分析的結(jié)果。為了在施工中不斷修正因設(shè)計(jì)參數(shù)的誤差而導(dǎo)致的各個(gè)控制項(xiàng)目的失真，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別是必需的。

因橋梁施工偏差在事后無(wú)法調(diào)整，故正確的超前預(yù)報(bào)尤為重要[9-10]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正并反饋到控制計(jì)算中，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等理論期望值來(lái)減小偏差，保證橋梁施工質(zhì)量。根據(jù)以上分析，提出橋梁施工參數(shù)識(shí)別控制系統(tǒng)，其流程如圖9所示。在懸澆梁位移監(jiān)測(cè)中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，在各節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉前進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正并反饋到控制計(jì)算中，重新給出變形理論期望值，以此循環(huán)直至施工結(jié)束。

圖9 橋梁施工參數(shù)識(shí)別控制系統(tǒng)流程

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)以及數(shù)值仿真技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)代控制理論，考慮預(yù)應(yīng)力、二期恒載、混凝土收縮、徐變、掛籃和溫度等施工影響因素，對(duì)懸澆梁進(jìn)行了全過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬和監(jiān)測(cè)，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)懸澆梁施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，主梁的應(yīng)力狀態(tài)和成橋后的主梁測(cè)試標(biāo)高均滿足設(shè)計(jì)要求，總體線形平順。

2）通過(guò)分析識(shí)別結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)狀態(tài)的差異性，提出了“施工—測(cè)試—判斷—修正—預(yù)告—施工”的動(dòng)態(tài)控制框架體系，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行前期預(yù)報(bào)和后期調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了施工動(dòng)態(tài)管理。

3）建議全橋設(shè)置永久觀測(cè)點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)主梁撓度變化；主要控制斷面設(shè)置應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)控制斷面的內(nèi)力變化，為橋梁的養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)資料。