高墩大跨度连续刚构桥结构特点及施工控制

王金峰1,刘　斌2

(11中港集团桥隧重点技术研究室,湖北武汉　430071;

21中交第二航务工程勘察设计院,湖北武汉　430071)

摘　要:文章结合工程实例对高墩、大跨度连续刚构桥的结构特点进行了介绍;并对高墩、大跨度连续刚构桥悬臂施工的应力、线形监控方法进行了论述。

关键词:高墩;大跨度;连续刚构;悬臂施工;控制

中图分类号:U4481231　　　文献标识码:A　　　文章编号:100323688(2005)0320040204

Character istics of H igh P ier and L ong Span Con ti nuous R ig id

Fram e for Br idges and Con struction Con trol

W AN G J in2feng1,L I U B in2

(11CH EC2Key L ab1of B ridge and T unnel T echnique,W uhan　430071,Ch ina;

2.CT E2W uhan D esign&Consulting Co rp.,W uhan　430071,Ch ina)

Abstract:T he paper describes the structural characteristics of the bridges of h igh2p ier and long2span continuous rigid fram es in the ligh t of engineering p ractices.T he m ethods fo r stress and linear contro l of the constructi on of a bridge of h igh2p ier and long2span continuous rigid fram es w ith the cantilevering technique are also p resented and discussed.

Key words:h igh p ier;long span;continuous rigid fram e;cantilevering constructi on;contro l

　　连续刚构桥是将墩身与连续主梁固结而成的一种桥梁。它是在连续梁桥和T型刚构桥的基础上发展起来的大跨径桥梁最常用的形式之一,具有跨越能力大,伸缩缝少(仅设二道)、平顺度好,行车舒适,施工无体系转换,无需大型支座,顺桥向抗弯、横桥向抗扭刚度大,顺桥向抗推刚度小,能充分适应温度、混凝土收缩徐变、地震的影响等特点。

它完美地结合了T型刚构和连续梁的优点,而又回避了它们的缺点,是一种非常好的桥型。自1988年我国第一座主跨180m的大跨径连续刚构桥——广东洛溪大桥建成通车后,这种桥型在全国范围内得到了广泛的应用和迅速推广。

该类桥梁特别适合于跨越深水、深谷、大河、急流的桥位。

近年来,在西部大开发的交通建设中,穿越山岭重丘区的高等级公路沿线地貌起伏大,架设在陡坡深谷之间的高

收稿日期:2004209213

作者简介:王金峰(1972-),男,工程师,港口与航道工程专业,从事桥隧施工技术研究。墩大跨度桥梁日益增多,给高墩、大跨度连续刚构桥的发展带来了新的机遇。同时在高墩、大跨度连续刚构桥的施工建设中陆续发现一些结构和施工控制方面的新问题。如何有效地提高该类桥梁的施工控制水平,避免在施工中成桥状态和设计的成桥状态的不一致、桥梁受力不合理和在使用中出现病害(如开裂),作到经济合理、安全可靠,是设计和施工中要特别关注的问题。

1　高墩大跨度连续刚构桥的结构特点

墩身高而柔(沿桥向抗推刚度小);跨径大;墩梁固结;主梁变截面(梁高墩顶最大并沿桥纵向递减至合拢段梁高)。

111　桥墩结构特点

主墩高度一般40m以上,甚至高达100m以上。桥墩高而柔,沿桥向抗推刚度小,使其具有对温度变化、混凝土收缩、徐变以及制动力使桥上部结构产生水平位移等良好的适应。如甘肃兰临高速公路G212线湾沟特大桥主墩高14m;内昆铁路花土坡大桥主墩高110m,云南元江大桥主墩高137m;延安洛河特大桥主墩高14315m等。

墩身一般为钢筋混凝土结构。一般设计为直立式双柱型薄壁墩,顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度大,满足特大

2005年6月　　第3期　总第136期　　　　　　　　　　

中国港湾建设

Ch i n a Harbour Eng i n eer i n g

　　　　　　　　Jun1,2005　

To tal136,N o13跨径桥梁的受力要求。可作成实心或空心截面,实心双薄壁墩施工方便,抗撞击能力强,空心双薄壁墩可节省混凝土。

根据墩身的高度和结构计算,双柱间可设联系板梁连接,加强整体性,改善受力。

112　主梁结构特点

跨度大,主跨径一般均超过100m,甚至达到近300m (虎门大桥辅航道桥主跨270m)。有研究表明[1]:随着大吨位预应力体系在工程中的迅速应用和发展,大吨位预应力体系将梁式桥的经济跨径已由200m发展到350m。而这一桥型的设计施工经验,使设计和施工跨径350m的连续刚构桥不仅可行,而且可以与斜拉桥竞争。

多跨连续成一体,连续长度长,达1000m左右。如在设计中再考虑一些措施,在条件适宜的情况下,连续刚构的连续长度甚至可达1200～1500m。因此跨越能力很强。例如甘肃兰临高速公路G212线湾沟特大桥主跨115m,三跨一联+115+=243m;内昆铁路花土坡大桥主跨104 m,四跨一联+104+104+=336m;云南元江大桥主跨265m,五跨一联58+182+265+194+70=769m;重庆黄花圆大桥主跨250m,五跨一联137+250+250+250+ 137=1024m。

墩梁固结,无需大型昂贵的支座和临时固结措施,施工中无需体系的转换。

主梁大都为箱形梁,变截面。一般采用挂篮悬浇工艺,属于自架设体系桥梁。梁高在墩顶处最大并沿桥纵向递减至合拢段梁高。根据桥面的宽度、桥梁下部结构设计和桥梁线路的总体设计,主梁大多可设计成为整体单箱单室和左右线分离的单箱单室两种箱形截面。

主梁一般设计为三向预应力体系,以充分发挥混凝土和预应力材料的各自特点和适应桥梁大跨径、轻型化的要求。纵向一般采用大吨位预应力钢铰线群锚体系,横向一般采用一端张拉一端轧花的钢铰线扁锚体系,竖向一般采用一端张拉的高强精轧螺纹粗钢筋。　　　　　　

2　施工控制

211　施工控制的必要性

设计提供的各节段主梁的施工预拱度基于规范要求来确定的设计参数,这往往与施工现场实际情况(例如混凝土材料比重、弹模,预应力钢束弹模、预应力损失,施工环境温度与设计的不同,施工时的荷载与设计考虑的差异等)存在一定的误差,这一误差往往导致设计计算与施工实际有出入。

同时,连续刚构桥梁通常采用悬臂分节段施工,是一个复杂的施工过程,包括主墩施工、主梁0号块施工、主梁悬臂节段施工、合龙段施工等阶段;主梁各节段施工中又包括立模、绑扎钢筋、混凝土浇筑、预应力钢束张拉与灌浆及挂篮行走等工序。连续刚构桥梁各施工阶段是一个连续、系统的施工体系,前期工作的成果直接影响后期阶段的结果,且由于连续刚构桥梁自身的特点,特别是施工标高偏低的情况是很难在后续阶段予以弥补的。

这就需要在桥梁施工过程中,运用施工控制措施[2,3]通过对大跨径连续刚构桥梁进行施工控制,对施工方案的可行性作出评价,确定各施工理想状态的线形和位移,对随后施工状态的线形及位移作出预测,提供施工控制参数,使施工沿着设计的轨道进行,保证施工中的安全和结构恒载内力及结构线形符合设计要求,保证施工质量和安全。212　施工控制内容

施工监控内容有:

(1)箱梁高程线形监控;

(2)箱梁平面线形监控;

(3)箱梁和薄壁墩控制断面应力监控;

(4)箱梁温度监测。

对于大型桥梁一般采用线形监控为主和应力监控为辅的双控措施。本文主要介绍高程线形控制和应力控制的基本方法。

213　施工控制方法

分两部分:结构计算分析及参数调整。

结构计算分析是桥梁监控的理论依据,由工程实际建立理论模型,对结构各阶段的内力及挠度进行计算。理论模型中参数的选用准确与否直接关系它与实际构筑物的吻合程度,模型吻合得好,则由此计算的梁体的内力和挠度就比较准确。

在桥梁的实际施工中,由理论模型计算的某一施工阶段内力、挠度(标高)等会与实际量测结果存在一定偏差,为确保施工质量,必须将偏差控制在容许范围内,当这些偏差超过一定范围时,就应对理论模型中的参数进行调整。21311　高程线形控制

对于高程线形监控目前一般有:

采用纠偏终点控制的方法:即在施工过程中,对产生主梁线形偏差的因素跟踪控制,随时纠偏,最终达到理想线形,这种方法常用Kal m an滤波法。显然,这种方法工作量大,效果不一定理想。

自适应控制方法:即对施工过程的标高和内力的实测值与预测值进行比较,对结构的主要参数进行识别,找出产生偏差的原因,从而对参数进行修正,达到控制的目的。

人工神经网络(BP网络)系统进行预拱度信息预测和调整。BP网络是通过对若干样本的“自学习”,建立网络输入变量和输出变量之间的全局非线性映射关系的[4]。

自适应控制方法易于广大工程技术人员理解和掌握,在多座桥梁的建设中成功应用,现具体介绍如下:自适应控制方法进行箱梁高程线形监控[5],其关键技术有三点:箱梁理论标高的计算;箱梁挠度测试方法;实测数据处理,参数识别,预测立模标高。

(1)箱梁理论标高的计算

在实施监控之前,必须作好箱梁设计线形、目标线形和预拱度线形计算。设计线形由大桥设计单位提供;目标线形则是在设计线形的基础上,计入活载和长期徐变的作用。一般活载效应按设计规范,长期徐变作用则根据计算和国内

・

1

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2005年第3期　　　　　　　　王金峰,等:高墩大跨度连续刚构桥结构特点及施工控制　　　　　　　　　　　　　　

已建成的同等跨径桥梁设置经验确定。预拱度线形的计算要在大桥施工图中施工阶段的基础上进一步细化,把箱梁一个节段施工过程划分为三个阶段进行,即挂篮移动、浇筑混凝土和张拉预应力筋前后。计算参数中,容重、弹模采用试验数值;收缩徐变采用设计数值。

箱梁三条理论曲线确定后,即可以应用预拱度曲线确定箱梁立模标高:

H

i

立模

=H

i

设计

+∃g +f i ∆+∆i

徐变+f

i

使用

(1)

式中:H

i

立模

为第i 节段的立模标高;H

i

设计

为第i 节段的设计

标高,由设计方提供;∃g 为施工挂篮在现浇梁段自重及施

工荷载(如施工机具、施工人员等)作用下产生的变形,向

下为正,由挂篮荷载试验确定;f i

∆表示在该点i 由于以后的

i +1、i +2……的施工所引起的变形累计值,这一变形直到

施工竣工时结束,包含在i 节段以后浇筑混凝土产生的向下的变形及张拉预应力以后产生的向上的变形累积值,以向下为正,由程序计算;∆i

徐变表示在该点i 由于混凝土的收缩徐变引起的变形累计值,可以根据施工实测及经验数据参考得到;f i

使用

为桥梁在实际营运状态时产生的累计变形,设计中以f

1 2静荷载

进行等代模拟。

在标高的控制中,只要理论模型与实际吻合,就可以根据上式得到立模标高,在节段施工时,准确放样立模标高,即可以达到控制目的。

当实测变形和理论计算变形不相符时,则应调整计算参数,修正理论模型,消除理论与实际的偏差,从而掌握实际变形的规律,通过调整立模标高对桥梁标高进行控制。

(2)箱梁挠度测试方法

箱梁挠度测试方法(测点布置及测量次数)在国内桥梁工程界没有统一的模式。黄石长江大桥观测4次:①挂篮移动后;②节段混凝土浇筑完;③张拉预应力筋前;④张拉预应力筋后。虎门辅航道桥将节段混凝土浇筑完、预应力张拉前测量合并为1次,总共进行3次测量:①挂篮移动后;②张拉预应力筋前;③张拉预应力筋后。

三阶段观测方法(图1)的阶段①、②的测量数据之差反映箱梁节段自重产生的挠度效应;阶段②、③的测量数据之差反映箱梁节段张拉预应力产生的挠度效应;本阶段③、下阶段①的测量数据之差反映挂篮移动产生的挠度效应。最后一个阶段张拉预应力后要测现浇段和已浇段上的测点,其目的是检查每施工一个箱梁节段后实测线形与理论线形是否吻合。

笔者结合鄂黄长江大桥、甘肃兰临湾沟特大桥、甘肃兰临芦家沟特大桥等桥梁的施工监控,认为采用三阶段的观测方法是比较合理和优化的,它既抓住了施工控制的关键阶段,体现了施工控制的本质含义,又满足了施工控制的全面要求,而且还极大地简化了劳动强度,是值得在施工中推广的。

(3)箱梁实测数据处理、参数识别、预测标高

箱梁实测数据处理、参数识别、预测标高是相互关联的

三个环节

。

图1　箱梁悬臂浇筑三阶段测量的位置和内容对于实测数据处理的要求是及时准确。处理时对疑问数据要及时复测、复查,尤其对因施工可能引起测点移动的情况要及时改进;对不同位置的测点分析也要注意,合理取舍。

参数识别是依据三阶段测量的实测值对主要设计参数进行分析,然后将修正过的设计参数反馈到控制计算中,重新给出施工中结构应力、变形(挠度)值,以消除理论值与实测值的偏差。对于连续刚构,设计参数主要是截面特征参数(外形尺寸)、荷载参数(自重、张拉预应力)和材料参数(如弹模、容重)。与时间关联的参数如温度、收缩徐变较难识别。对于那些难以识别的“灰色部分”,如收缩徐变影响,可以采用其他方法,如最小二乘法、回归分析法、人工识别法、卡尔漫滤波法、灰色理论辅助分析等等。

预测标高在参数识别基础上进行,参数识别重点是三阶段测量数据的分析。箱梁节段自重、挂蓝移动、张拉预应力是产生挠度的主要因素,分析时要准确无误。对于温度影响,采用温度—挠度变形测量解决。

(4)温度变化对高程线形的影响

影响三阶段测量数据的主要因素是温度。因此,对温度影响箱梁挠度的分析不可缺少。毋庸置疑,精确计算温度影响几乎不可能,因为温度场随时随地都在变化,究竟取什么时刻的温度场作为标准很难确定。一般而言,应用较多的是通过实桥试验获得温度变化与箱梁挠度的关系。

温度对箱梁挠度的影响一般规律是:①温度变化,箱梁挠度变化具有滞后的现象。②温度降低,箱梁上挠;温度升高,箱梁下挠。上挠、下挠的幅度随悬臂长度的增加而增大。③箱梁顶底板面的温差对挠度也产生影响。气温上升时,由于箱梁顶面较梁底温度高,箱外温度较箱内高,箱体产生下挠现象;反之气温下降时,箱梁上挠。

因此为尽量避免温度变化对高程线形的影响,在箱梁阶段施工确立立模标高时,应尽量选择外界温度较稳定、影响较小的时刻进行。

(5)现场量测

变形测点设置在每一节段的两端距端头10c m 处,测点一般对称布置在箱梁截面的特征部位,测点的个数没有统一的标准,一般根据监控的具体要求而定。测点用钢筋头

表示,并牢固地固定在所立模板的特征点上(箱梁截面的特・

24・　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国港湾建设　　　　　　　　　　　　　　　　　2005年第3期

征部位),防止施工时意外变动。为减少温度的影响,挠度观测安排在早晨进行,以使温度影响造成的误差减到最小。观测时,塔尺立于钢筋上,所测标高减去钢筋头高度即为箱梁实测标高。图2为甘肃兰临高速湾沟特大桥箱梁施工监控变形测点布置图;图3为澜沧江桥箱梁施工监控变形测点及应力测点布置图

。

图2

　湾沟特大桥标高监控点布置图

图3　澜沧江大桥标高、应力监控点布置图示

21312　应力控制

施工控制中应对结构分析所确定的结构关键截面的受力情况进行应力监测,适时发出安全预警以采取处置措施和保证结构安全。应力控制是将现场实测值与理论模型计算值相比较,通过二者偏差调整设计参数修正理论模型,通过实测值与理论计算值及规范容许值对比达到应力控制的目的。

目前应力监测一般是通过检测应变来反映,应变的检测通常采用钢弦式应力计和钢筋式应力计。钢弦式应力计由于具有性能稳定、使用简便、受温度影响小且适合于长期观测而得到广泛运用。但使用中应注意对钢弦式应力计初始值的确定,否则,应力绝对值的反映可能不真实,这一点在施工控制工作中应高度重视。

应力控制的测试仪器一般选择岩土工程用钢弦式压力传感器。应力控制截面一般选择0号块根部、L 8、L 4、

3L 8、L

2、合拢段等截面,每个截面的布点时间选在箱梁钢筋布置基本就绪、混凝土浇筑之前,每个截面上的布点一般布置在截面受力的特征部位。如图2澜沧江桥箱梁施工应力测点截面布置10点;某汉江桥箱梁施工监控应力测点

7点布置截面如图4。

同样为减少温度的影响,应力观测安排在早晨进行,

这

图4　某汉江大桥应力监控点布置图示

样可以将由温度影响造成的误差减到最小。

3　几点看法

(1)对大跨径连续刚构桥梁进行施工控制是十分必要

的

设计文件提供的预拱度一般均不能满足施工实际要求,施工控制不但能起到补充设计和辅助指导施工的作用,更重要的是能起到对影响施工目标实现的各种因素的深入研究、监测及相关问题的解决,对深刻认识大跨径连续刚构桥梁的受力特点,变形特点、提高大跨径连续刚构桥梁的设计、施工水平是十分有意义的。

(2)施工监控工作应向桥梁运营阶段延伸

桥梁运营期间的应力和挠度监测能进一步检验施工控制效果,能完善和提高设计和施工控制技术水平,同时能预

测和预报桥梁运营期间可能出现的病害。

(3)施工控制技术有待进一步研究和完善

施工控制分析专用程序的完善有助于减少工作量及避免人为出错。在影响箱梁挠度的众多因素中,对温度因素应特别重视,徐变及温度因素影响需深入研究和进一步完善。

(4)充分重视施工过程的管理

施工中应高度重视设计线形、目标线形和预拱度线形的计算,深刻体会施工各阶段箱梁受力、变形状况;认真做好监控所需的试验数据,如挂蓝变形、混凝土重度、混凝土弹模等。这些数据对准确计算、预测起到重要作用,不可忽视。同时应认真控制好箱梁截面特征参数、荷载参数等。参考文献:

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