镇海湾大桥主桥施工控制

镇海湾大桥主桥施工控制镇海湾大桥主桥施工控制陈建明冯淦清张泽鹏 孙斌贾丽君肖汝诚（广东西部沿海高速公路筹建处）（同济大学桥梁工程研究所） 【摘要摘要】本文介绍了主跨为 l90m 的大跨径连续刚构桥的施工控制精况，提出了一个推算挂篮弹性变形的简单公式，对控制线形的修缮作出了新的尝试，并讨论了连续刚构桥主墩设置预偏量的必要性，以及在施工时主墩未设置预偏量的补救措施，为同类型桥梁的施工控制提供借鉴。【关键词关键词】连续刚构 施工控制一、工程概况一、工程概况镇海湾大桥是广东省西部沿海高速公路上的一座大型跨海大桥。主桥为 105190105m 的三跨预应力混凝土双薄壁墩连续刚构桥，设计荷载为汽车-超 20 级，挂车-120 级。上部结构按上、下行分离式桥设计，桥面半幅净宽 13.5m，为双向六车道。桥面最大纵坡为 3，桥面横坡为 2。横坡通过箱梁腹板高度调整。主梁采用单箱单室变高度混凝土箱梁，主墩处高10.5m，跨中高 3.2m。箱梁底板上下缘均按二次抛物线变化。箱梁悬臂长度为 3.25m，单箱宽 7m。箱梁在 0 号块梁段各设四道横隔板，在边跨端都各设一道横隔板。箱梁按三向预应力设计，其中纵向预应力分别设置了顶板束、底板束和腹板束，两端同时对称张图 2。箱梁单 T 施工从 2 号块开始采用挂篮悬臂对称施工，两个单 T 施工保持同步。悬臂施工完成后先合龙中段，再合龙边跨。二、施工控制的基本理论二、施工控制的基本理论1.1.实施施工控制的必要性实施施工控制的必要性连续刚构桥是一种多次超静定体系，施工过程中各种复杂的因素都有可能引起结构的几何形状及内力状况的改变。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工过程的复杂性，事先难以精确估计结构的实际状态。通过在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，可以根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应的调整。并且在已建结构偏离控制目标时及时调整下一阶段的挂篮定位标高，以保证结构线形的平顺，并监控实际内力分布，使箱梁始终处于安全受力范围内。影响施工过程中桥梁结构线形及内力的因素主要有以下几方面：混凝土弹性模量，浇注主梁混凝土超方量及单 T 两侧重量不平衡，混凝土收缩、徐变，桥梁施工临时荷载，挂篮定位时的温度影响，挂篮的变形特性，预应力索张拉力误差等等。当上述因素与设计不符，而又不能及时识别引起控制目标偏离的真正原因时，必然导致在以后阶段的悬臂施工中采用错误的纠偏措施，引起误差积累。镇海湾大桥跨度大，施工过程复杂，为了保证桥梁施工质量，对该桥进行施工监测和控制是十分必要的。2 2施工控制的实施施工控制的实施施工控制是一个预告施工量测识别修正预告的循环过程，其流程如图 3 所示。其中技术流程是指理论计算的循环过程，实施流程是指参与施工控制的各协作单位的工作关系，下面主要讨论技术流程中的一些重要环节。（l）前期结构分析计算在设计图纸的基础上，采用各参数的理论值（或规范规定取值），通过有限元分析程序，用倒退分析的方法得出块件施工时相对于设计标高的预抬高量，并得出各节段的施工应力。需要注意的是：与连续梁桥不同，由于柔性墩的轴向压缩，主墩顶面与 0 号块也应有预抬高量，在施工中通过增加主墩的高度来设置。（2）测量为了获得桥梁施工中的实际状态，须对主梁进行标高测量：纵桥向每施工节段设一测量截面，每测量截面布置三个测点海一节段施工的挂篮定位、浇筑混凝土、张拉预应力等施工环节均进行标高测量。另外须进行墩顶水平位移测量：墩顶设两个测点，每一施工节段浇筑混凝土前后均进行墩顶位移测量，以监测主墩的水平位移情况。为消除日照温差对梁体变位的影响，可采用以下的方法：a以上各项测量工作须安排在清晨日出前进行，可不计日照温差的影响。b当测量工作不能全部安排在清晨进行时须对测量数据进行日照温差修正。从积累的施工控制经验看，由于日照温度场不易在有限元计算中模拟，所以实践中以采用根据实测数据进行实时修正的方法为主；选择有代表性的节段在典型天气时对箱梁进行 24h 跟踪测量，得出箱梁变位与测量时间的关系，并在测量数据中予以修正。（3）修改设计参数在获得测量数据后，对比其与理论计算值的差别，采用分离变量法可识别出各参数的真实值。在本桥的施工控制中，取定主梁混凝土箱梁抗湾刚度、块件重量与预应力索张拉力为待识别的参数。具体识别方法为：在施工第 n 号块件时，由挂篮移位的梁体变位实测值与理论计算值的差别，可识别出第 n-1 号块件的弹性模量的真实值；同样，由浇筑混凝土时的变位值可识别出第 n 号块件的重量；由预应力张拉时的变位值可识别出第 n 号块件对应的预应力索张拉力。在识别出各参数后，须及时将它们反映在有限元计算中，以获得修正的下一块件的挂篮变位预抬高量。（4）挂篮变形值的确定挂篮的变形由弹性变形和非弹性变形两部分组成，其中挂篮结构内部的非弹性变形可在挂篮组装完毕后通过外力加载法消除。本桥采用的挂篮由施工单位自行设计，单个挂篮总重约 66t，而悬臂浇筑的混凝土块件最大重量为 206t，其比值为0.32，属轻型挂篮，因此其弹性变形值较大，并且由于块件重量不同而引起的挂篮弹性变形值的差异应引起足够重视。在本桥的施工控制中，采用了一个非常简单的公式来推算挂篮的实际变形（见图 4）：注意 hn是混凝土底模前端的变位，是本节段挂篮定位标高与混凝土后标高的差值，它包括由已施工节段变位引起的刚体位移和挂篮的弹性变形两部分。对于大部分施工节段，ln=ln-1，上式简化为fg=hn-（2hn-1-hn-2）由以上公式可得到已施工节段的挂篮变形，再参考挂篮组装后的荷载试验结果可总结出挂篮的弹性变形规律，进而可较准确地预测持施工节段的挂篮弹性变形值。（5）控制线形的修缮在施工过程中，由于结构实际情况与理论计算的差异以及挂篮定位标高放样的偏差，必将导致已建部分在成桥时呈现的线形曲线出现不能消除的误差。如果不顾及这种误差继续以后节段的施工，可以造成全桥的线形反折突然，波动较大。鉴于这种情况，须对未施工节段的控制线形作出修改。在本桥的施工控制中采用了拉格朗日差值法：由上式可得出持施工节段的控制线形与设计标高的差值 fn，还须比较 fn与标高偏差允许范围 Hmax的大小，取-HmaxfnHmax。（6）挂篮定位标高的确定挂篮定位标高的控制点选择在待施工箱梁节段底板前端处的底摸上，由下式计算得到： H=H0+H+fg+fn式中 H挂篮的定位标高；H0箱梁底面设计标高；H倒退分析计算得到的预抬高量；fg挂篮的弹性变形；fn待施工节段的控制线形与设计标高的差值。三、处理一个特殊问题：主墩的垂直度修正由于连续刚构桥在外形上与连续梁桥相似，并且连续梁桥的施工控制已得到足够的重视并积累了一定的经验，因此，往往一些工程师简单地将两种桥型的施工控制等同起来。但是，在连续梁桥中，上部结构的变形由于支座的作用不会传递到下部结构中；与此不同，连续刚构桥的桥墩与箱梁块件固接，利用薄壁墩的柔性变形来抵消箱梁的纵桥向位移。分析一下施工过程就可发现，在中跨合龙后张拉中跨底板预应力束的过程中，主墩会由于梁作受轴向压缩和上拱而向中跨方向倾斜，而且随着徐变的发展，此倾斜还有扩大的趋势。有限元分析也反映了这一点。根据计算，在镇海湾大桥中，预应力来张拉完毕，主墩顶端会向中跨倾斜 1.9cm，三年徐变后会扩大至 4.6cm。本桥的主墩高为 28.826m，而设计要求主墩的垂直度偏差不得超过l1000，显然垂直度的要求不能得到满足。对于发生在连续刚构桥中的这种特殊情况，最可靠的解决办法是在施工中不但箱梁要设置预抛高，主墩也要有一定的预偏量。但是，施工控制人员进场开始实施施工控制时，主墩施工已经结束且没有注意到这个问题。作为补救措施，控制人员提出以下措施：在中跨合龙前用千斤顶在两个单 T 的悬臂端之间施加推力，迫使两个主墩产生预偏量，然后安装临时固接支架，在浇筑合龙段混凝土前拆除千斤顶。据计算，使主墩产生 3cm 的预偏量所须的推力为 2600kN，而且对主墩和箱梁的受力不会产生不利的影响，甚至此作用力可抵消一部分成桥后的徐变内力。同时，作此处理会引起一些其他方面的问题：千斤顶下的混凝土局部承压须仔细验算；中跨合龙临时固接支架在设计中是基本不受力的，但现在须在千斤顶拆除后承担相应的推力，其受力性能须作仔细验算，包括应力、先稳及支架内部传力途径的安全性。四、控制成果四、控制成果1.整体线型采用上述理论对镇海湾大桥实施施工控制后，全桥线形变化平顺，并且两幅桥变化规律基本一致。本桥从 7 号块件开始实施施工控制，边跨合龙时中踏实测线形与控制线形的高差如图 5 所示。其最大偏差为 1.4cm。2.中跨合龙精神两幅桥中跨合龙高差精度分别为 1.2cm 与 0.5cm，达到了国内同类型桥梁合龙精度先进水平。五、结论五、结论（1）本桥施工过程中的主要变形为挂篮变形、结构温度变形和改变荷载引起的结构弹性变形。这些变形及其误差都可通过本文方法识别计算；（2）挂篮的弹性变形值可结合计算与实测值推算得到。结合挂篮荷载试验的结果，可以准确把握挂篮的变形规律，预测即将施工节段的挂篮变位；（3）为保证梁体整体线形的平顺，在实际线形偏离控制目标时，可采用本文方法分析偏差产生的原因，并对未施工节段的控制线形作出适当的调整；（4）为保证主墩的垂直度要求，连续刚构桥的主墩应设置预偏量，用来抵消中跨合龙后预应力来引起的主墩变位。