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摘要:大跨度连续梁桥施工控制的主要目的是使成桥线形和内力最大限度地满足设计要求。影响大跨度连续梁桥施工控制精度的因素众多。其中,在施工过程中,温度是影响控制精度的一个非常重要的因素。本文分析了大跨度连续梁桥施工控制的方法、对箱形截面的温度场进行了观测,并用观测结果剔除温度对施工控制的影响。同时还还提出了大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测的一些具体概念,并分析了在监测中应注意的一些相关问题。
关键词:大跨度 公路桥梁 预应力混凝土 施工控制 质量监测
0 引言
桥梁结构设计时,参数的选取、施工状况的确定和结构分析模型等诸多因素的影响,以及混凝土材料的非均匀性和不稳定性,大跨度预应力混凝土连续梁、T型刚构、连续刚构等梁桥施工过程中结构的实际状态与设计状态很难完全吻合。因此在桥梁施工过程中,必须对施工预拱度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。目前施工控制方法主要有三种:一是采用纠偏终点控制法;二是应用现代控制理论中的自适应控制法;三是设计时给予主梁标高和内力最大的误差容许值控制法。
1 桥梁结构的理论计算
目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括:正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,同时,能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力混凝土桥梁,首先必须进行正装计算。施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。一般而言,以正装计算结果作为应力监测的依据,以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。
2 主梁线形测量
2.1 主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量 在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。测点用短钢筋或钢板预埋,并用红色油漆标明编号。标高用水准仪进行测量,根据各节段施工次序,每一节段按三种工况对主梁挠度进行平行独立测量,相互校核。轴线使用全站仪和钢尺等进行测量,采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。视准时,将轴线后视点引至过渡墩,用远点控制近距离点。在主梁顶面混凝土高程测量过程中,同一截面测2～4点,根据其横坡取其平均值,这样可得到主梁顶面的高程值。同时,在不同工况下,由观察得到的主梁挠度(反拱)变化值,与给定立模标高(含预拱度)立模的高程值,也可得到主梁顶面的高程值,两者比较后,可检验施工质量。
2.2 主梁立模标高的测量 用精密水准仪测量立模标高,立模标高的测量应避开温差较大的时段。施工单位立模到位,测量完毕后,监理单位对施工各节段的立模标高进行复测,监控单位不定期进行抽测。
2.3 同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测 当两边施工节段相同时,对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。当施工节段不同时,对称节段的相对高差不满足可比性,此时,可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。在测量过程中,同一对称截面可测多点,根据其横坡取其平均值,可得到对称截面的对应点的相对高差。除保证各跨线形在控制范围内外,主梁全程线形应定期或不定期进行通测,确保全桥线形的协调性。
3 线形控制原理与技术
3.1 预拱度控制 主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定
Hi=H0+fi+(-fi预)+f篮+fx(1)
式中:Hi为待浇筑段主梁底板前端底模标高;H0为该点设计标高;fi为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值;fi预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值;f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值;fx为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。上述各参数在有限元倒向分析基础上,根据实测信息,对计算预拱度进行调整和预测,确定最佳预拱度。
3.2 预拱度 指令预拱度是主梁线形控制的主要参数,也是决定主跨和边跨能否顺利合拢,应力分布是否合理的关键。施工预拱度指令,一般由监测监控单位拿出方案,经设代组计算审核后,桥梁专业监理工程师签字才能组织施工。施工预拱度指令除保证其合理性、科学性外,下达时间应保证施工的连续性和及时性。
4 主梁结构应变测量与应力分析
4.1 布点时间 在主梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前,在控制断面预埋传感元件,并做好相应的防护工作。对于预应力混凝土梁桥,主要是测试和控制桥梁结构纵向应力。因此,布点时,传感元件沿纵向(桥的里程或桩号方向)布置,用铁丝捆扎在主梁纵向钢筋的上(下)缘。
4.2 传感元件测试原理及其应变测量 混凝土应力测试传感元件类型较多,目前通常使用钢弦应变计,其测试效果较好。钢弦传感器应变与频率间的关系通常是以标定表和折线图的形式给出的,用二次曲线或三次曲线进行最小二乘拟合,便能得到较好数学表达式。
5 关于测试中几个应注意的问题
5.1 施工应力监测涉及到的资料和数据很多。除设计资料外,施工方面也很多,如施工工艺、施工方案、施工组织设计及挂篮、模板有关数据。桥上主要施工机具设备的重量及其他施工荷载等。事前应认真收集、仔细调查。
5.2 应变计安装要经历混凝土浇注、振捣及混凝土硬化等过程。尤其是混凝土硬化是一个很复杂的变化过程,有水化热温升和自身体积的收缩。为了确定测点初始值,混凝土浇注后应当跟踪观测,以稳定后的测值作为初始值。有些测点需较长时间才能稳定,又要配合施工进行量测,对这部分测点,当发现数据有明显不合理时,可以进行适当调整。
5.3 大跨度桥梁施工过程中,不可避免会出现一些问题,有时会打乱正常施工顺序,施工荷载也会变化,测试时应注意变化,并作好记录。不少变化将直接影响测试结果。另外测试中发现个别测点异常,应及时检查,发现干扰尽快排除。根据经验,当测点附近停放施工机具材料或因上面有积水,也会给测试结果带来影响。
5.4 对能反映结构工作特性应力比较集中的测试部位,应适当多设元件,以防安装或测试过程中造成损坏而测不到关键数据,还可以采用不同的手段或其他类型元件,同时进行测试。
5.5 由于混凝土性质有变易性,在施工应力测试中,应根据工地实际情况,做一些有关混凝土性质的试验和观测,如混凝土弹性模量、于缩量,如有条件还可进行其他方面观测,利用这些数据对测试资料进行分析,可能减少一部分误差。
综上所述,对大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测,至今仍有不少问题没有更好的解求方法。在科学的方法没有建立之前,经验的积累十分重要。当前由于工程发展需要,正推动这项测试工作不断开展,在这大好的时机中,只要坚持不断地实践,不断地分析总结,不断地试验探索,必将使混凝土桥梁施工应力测试工作更快地走向完善。
关键词:大跨度 公路桥梁 预应力混凝土 施工控制 质量监测
0 引言
桥梁结构设计时,参数的选取、施工状况的确定和结构分析模型等诸多因素的影响,以及混凝土材料的非均匀性和不稳定性,大跨度预应力混凝土连续梁、T型刚构、连续刚构等梁桥施工过程中结构的实际状态与设计状态很难完全吻合。因此在桥梁施工过程中,必须对施工预拱度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。目前施工控制方法主要有三种:一是采用纠偏终点控制法;二是应用现代控制理论中的自适应控制法;三是设计时给予主梁标高和内力最大的误差容许值控制法。
1 桥梁结构的理论计算
目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括:正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,同时,能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力混凝土桥梁,首先必须进行正装计算。施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。一般而言,以正装计算结果作为应力监测的依据,以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。
2 主梁线形测量
2.1 主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量 在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。测点用短钢筋或钢板预埋,并用红色油漆标明编号。标高用水准仪进行测量,根据各节段施工次序,每一节段按三种工况对主梁挠度进行平行独立测量,相互校核。轴线使用全站仪和钢尺等进行测量,采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。视准时,将轴线后视点引至过渡墩,用远点控制近距离点。在主梁顶面混凝土高程测量过程中,同一截面测2～4点,根据其横坡取其平均值,这样可得到主梁顶面的高程值。同时,在不同工况下,由观察得到的主梁挠度(反拱)变化值,与给定立模标高(含预拱度)立模的高程值,也可得到主梁顶面的高程值,两者比较后,可检验施工质量。
2.2 主梁立模标高的测量 用精密水准仪测量立模标高,立模标高的测量应避开温差较大的时段。施工单位立模到位,测量完毕后,监理单位对施工各节段的立模标高进行复测,监控单位不定期进行抽测。
2.3 同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测 当两边施工节段相同时,对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。当施工节段不同时,对称节段的相对高差不满足可比性,此时,可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。在测量过程中,同一对称截面可测多点,根据其横坡取其平均值,可得到对称截面的对应点的相对高差。除保证各跨线形在控制范围内外,主梁全程线形应定期或不定期进行通测,确保全桥线形的协调性。
3 线形控制原理与技术
3.1 预拱度控制 主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定
Hi=H0+fi+(-fi预)+f篮+fx(1)
式中:Hi为待浇筑段主梁底板前端底模标高;H0为该点设计标高;fi为本施工段及以后浇筑的各段对该点的影响值;fi预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值;f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值;fx为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。上述各参数在有限元倒向分析基础上,根据实测信息,对计算预拱度进行调整和预测,确定最佳预拱度。
3.2 预拱度 指令预拱度是主梁线形控制的主要参数,也是决定主跨和边跨能否顺利合拢,应力分布是否合理的关键。施工预拱度指令,一般由监测监控单位拿出方案,经设代组计算审核后,桥梁专业监理工程师签字才能组织施工。施工预拱度指令除保证其合理性、科学性外,下达时间应保证施工的连续性和及时性。
4 主梁结构应变测量与应力分析
4.1 布点时间 在主梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前,在控制断面预埋传感元件,并做好相应的防护工作。对于预应力混凝土梁桥,主要是测试和控制桥梁结构纵向应力。因此,布点时,传感元件沿纵向(桥的里程或桩号方向)布置,用铁丝捆扎在主梁纵向钢筋的上(下)缘。
4.2 传感元件测试原理及其应变测量 混凝土应力测试传感元件类型较多,目前通常使用钢弦应变计,其测试效果较好。钢弦传感器应变与频率间的关系通常是以标定表和折线图的形式给出的,用二次曲线或三次曲线进行最小二乘拟合,便能得到较好数学表达式。
5 关于测试中几个应注意的问题
5.1 施工应力监测涉及到的资料和数据很多。除设计资料外,施工方面也很多,如施工工艺、施工方案、施工组织设计及挂篮、模板有关数据。桥上主要施工机具设备的重量及其他施工荷载等。事前应认真收集、仔细调查。
5.2 应变计安装要经历混凝土浇注、振捣及混凝土硬化等过程。尤其是混凝土硬化是一个很复杂的变化过程,有水化热温升和自身体积的收缩。为了确定测点初始值,混凝土浇注后应当跟踪观测,以稳定后的测值作为初始值。有些测点需较长时间才能稳定,又要配合施工进行量测,对这部分测点,当发现数据有明显不合理时,可以进行适当调整。
5.3 大跨度桥梁施工过程中,不可避免会出现一些问题,有时会打乱正常施工顺序,施工荷载也会变化,测试时应注意变化,并作好记录。不少变化将直接影响测试结果。另外测试中发现个别测点异常,应及时检查,发现干扰尽快排除。根据经验,当测点附近停放施工机具材料或因上面有积水,也会给测试结果带来影响。
5.4 对能反映结构工作特性应力比较集中的测试部位,应适当多设元件,以防安装或测试过程中造成损坏而测不到关键数据,还可以采用不同的手段或其他类型元件,同时进行测试。
5.5 由于混凝土性质有变易性,在施工应力测试中,应根据工地实际情况,做一些有关混凝土性质的试验和观测,如混凝土弹性模量、于缩量,如有条件还可进行其他方面观测,利用这些数据对测试资料进行分析,可能减少一部分误差。
综上所述,对大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测,至今仍有不少问题没有更好的解求方法。在科学的方法没有建立之前,经验的积累十分重要。当前由于工程发展需要,正推动这项测试工作不断开展,在这大好的时机中,只要坚持不断地实践,不断地分析总结,不断地试验探索,必将使混凝土桥梁施工应力测试工作更快地走向完善。