1、1V 形墩连续刚构桥施工控制研究摘要 针对V形墩预应力混凝土连续刚构桥的施工监控进行了研究，研究中通过有限元分析计算结果与现场实际施工监测数据对比、分析施工中存在的问题，并用实测数据反复修正有限元计算模型，使有限元计算模型可以精确的模拟实际施工过程，并预测下一阶段施工中的控制应力应变，挠度值等，最终实现指导施工，使施工结果满足设计目标的要求。关键词 V 形墩；连续刚构桥； 施工控制； 应变中图分类号 U445 文献标识码 AV-shaped rigid frame bridge pier construction control1, 2, 3(1.; 2.; 3.) Abstract V-sh
2、aped pier for prestressed concrete continuous rigid frame bridge construction monitoring has been studied, the study results by finite element analysis of monitoring data with the actual construction of comparison, analysis of problems in the construction and use real data repeatedly modified finite
3、 element model So that finite element model can accurately simulate the actual construction process, and to predict the next phase of construction control stress and strain, deflection, etc., and ultimately guide the construction, the construction results meet the design objectives.Key words V-shape
4、d pier; continuous rigid frame bridge; construction control; strain 0 引言随着我国高速公路建设的蓬勃发展, 桥梁建设进入了前所未有的高潮时期。预应力混凝土连续刚构桥以其跨越能力大、整体性能强、受力合理、施工方便等优点,愈来愈受到设计者们的青睐，其中 V形墩连续刚构桥，由于支座处弯矩小，也是连续刚构桥主要的形式。预应力混凝土连续刚构桥大部分施工多采用悬臂施工，但为了加快施工进度也有采用满堂支架施工的，薄壁 v 形墩由于施工困难，尤其在软弱地基条件下，如果控制不当就有可能出现支架沉陷过大，影响桥梁施工安全，同时由于钢绞线连接器的
5、存在加剧了施工风险，因此很有必要对于这种桥型进行施工监控，合理的控制混凝土的压应力，确保施工安全和设计目标的实现。1 工程实例滹沱河特大桥位于大广高速公路固安（京冀界）至深州段，跨越滹沱河，研究主要是对北堤部分上部结构45m+60m+45m的3孔预应力现浇连续刚构箱梁进行施工监测，中孔跨径60m，两边孔各45m，总长150m。上部结构为单箱三室变截面预应力混凝土现浇箱梁，梁底曲线二次抛物线，支点处梁高3.0m，中跨跨中梁高1.5m，箱底宽12.0m，两侧悬臂各2.375 m。桥墩采用V型墩，墩与梁之间刚性联结。箱梁施工时中孔设5.0cm向上的预拱度，边孔设2.0cm向上的预拱度，从跨中向两端成
6、二次抛物线变化。下部结构采用V桥墩，壁厚70cm，宽度1180cm，V墩顶距离500cm。施工工序，主桥采用搭设支架现场浇筑的施工方法，130m长分两次浇筑，首先浇筑第一段，长度90m，它包括60m中孔及边孔各15m长，待混凝土达到设计强度后，穿预应力钢束，进行钢束张拉（在锚固断面使用带联结器的锚具） 。然后，中孔不拆除模板，再浇筑两边孔剩下的30m长梁段，浇筑边孔前应先穿好钢束并与联结器连接好。待混凝土达到设计强度后再进行钢束张拉，最后拆除模板支架。图 1 滹沱河特大桥跨北堤现浇箱梁桥结构示意图Fig.1 Hutuohe Bridge Bridge across Beidi Schemati
7、c Cast22 施工监测方案2.1 桥梁支架变形控制滹沱河特大桥上部结构的施工采用满堂支架就地分段浇筑，必须保证支架的安全度。同时为保证全桥标高达到设计值，应严格控制现浇箱梁施工支架的基础沉降和支架变形，正确设置支架预抬值，因此在正式浇筑混凝土之前，对箱梁支架进行预压以消除塑性变形值，故在支架预压试验中，根据每一级加载对支架预压及施工过程中的变形进行监控，确定主梁立模施工预抬值及成桥线形符合设计要求。由于满堂支架施工最主要的是保证支架的稳定性，过去的桥梁建设中曾出现过由于支架地基遭到破坏，出现支架失稳的危险事故，该桥梁处于滹沱河大堤两侧，地形复杂，地质条件不同部位差别较大，施工季节正好处于滹
8、沱河的汛期，主要采用如下方法控制支架的变形，并取得了很好的效果。（1）加强地基处理，采用换填三和土的方法然后夯实的方法来加强地基承载力。（2）在地基处理的基础上，采用细石混凝土条形基础代替传统的方木基础。（3）加强地基排水处理，保证在遇到大雨等天气时基础不存水，防止出现基础塌陷。根据该桥的施工工艺，监测变形点的观测分为三个阶段，第一阶段是浇注前90米箱梁时桥梁关键断面的变形观测；第二阶段是边跨30米箱梁浇注后箱梁的变形观测；第三阶段全桥成桥张拉完成后，拆支架过程中的桥梁的变形监测，其中后两者可以合并观测。图 2 变形观测位置示意图Fig.2 Schematic diagram of defor
9、mation observation position2.2 桥梁应力、温度监测结构在施工过程中以及成桥状态的受力情况是否与设计相符是施工监测的重要内容，通过结构应力的监测来了解实际应力状况，应力监控比变形监控更重要，应力控制不力将会造成结构的破坏，因此在该桥的施工过程中，张拉预应力前后对主梁的应力进行了全过程监控，鉴于桥梁的施工特点选取了中跨1/4L 3/4L边跨的最不利截面埋设钢弦应变计测量温度和应变。图 3 应力控制断面Fig.3 Stress control section图 4 传感器布置图Fig.4 Sensor layout3 桥梁有限元模型分析目前桥梁的结构计算一般采用空间有限
10、元方法进行近似计算，得到各个验算截面的内力 支撑反力和弯曲应力。根据该桥的设计图纸建立结构计算模型，全桥共划分168 个单元，墩梁固结，墩底直接固结，在两边用弹性支承模型盆式橡胶支座 1， 按照04规范考虑温度梯度荷载及车辆荷载，整体升温根据现场的气象条件确定， 有限元计算模型图如下所示：3图 5 桥梁有限元模型图Fig.5 Finite element model of the bridge diagram4 测试数据分析由于各种因素的直接或间接影响，如设计计算所采用材料的力学参数（弹性模量、设计强度、收缩徐变系数等） 、截面尺寸、施工荷载等与实际工程施工过程中所表现的相应参数不完全一致，或
11、施工过程中不可避免的立模误差、测量误差、预应力张拉测试误差等，使得实际桥梁在施工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致，结构的受力和变形表现为非平稳的随机过程，对于结构施工出现的各种情况，比如临时荷载堆放，预应力实际张拉值，实测的温度场融入到监控计算中。并用自适应控制方法，即对施工过程的实测值与预测值进行比较，如果偏差较大，从而对参数进行修正 2。下表为测量成果表 1 中跨跨中第一施工阶段变形监测数据（单位：m）Table 1 Cross-span in the first construction phase deformation monitoring data (unit: m)日期点
12、号 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.17 6.20 6.24西 1 4.1247 4.1246 4.1241 4.1229 4.1238 4.1238 4.1241 4.1293西 2 4.0777 4.0769 4.0770 4.0756 4.0753 4.0754 4.0758 4.0821西 3 4.0236 4.0227 4.0225 4.0211 4.0209 4.0210 4.0217 4.0280西 4 3.9224 3.9220 3.9215 3.9220 3.9223 3.9219 3.9227 3.9271中 跨 跨 中 第 一 施 工 阶 段 变 形
13、 监 测3.90003.95004.00004.05004.10004.15006.09 6.12 6.15 6.18 6.21 6.24 6.27日 期相对变形值（m） 跨 中 西 1跨 中 西 2跨 中 西 3跨 中 西 4图 6 中跨跨中变形曲线Fig.6 Cross-span deflection curve表 2 北边跨 15m 处变形观测数据（单位：m）Table 1 15m at the north side of cross-observation data (unit: m)日期点号 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.17 6.20 6.24西 1 3.9
14、395 3.9400 3.9405 3.9397 3.9401 3.9403 3.9529 3.9635西 2 3.8617 3.8615 3.8610 3.8611 3.8612 3.8609 3.8704 3.8850西 4 3.7320 3.7341 3.7376 3.7329 3.7327 3.7319 3.7456 3.75644北 边 跨 15m处 第 一 施 工 阶 段 变 形 观 测3.70003.75003.80003.85003.90003.95004.00006-10 6-12 6-14 6-16 6-18 6-20 6-22 6-24 6-26日 期相对变形量(m) 西
15、 1点西 2点西 4点图 7 北边跨 15m 处变形观测Fig.7 Deformation across the north at 15m综上可以看出，桥梁在整个第一施工阶段，变形非常稳定，浇注混凝土后箱梁整体出现了很小的沉降，在张拉完成后，又有轻微的上抬趋势，整个施工过程没有出现较大的沉降，证明支架的刚度和地基处理后的承载力完全达到了施工的要求，也为立模标高的准确无误奠定了基础，说明整个施工过程方法正确，施工状态良好。表 3 中跨跨中第二、三施工阶段变形观测数据（单位：m）Table 3 Span across the second and third construction phase
16、observation data (unit: m)日期点号 6.26 6.27 6.29 7.3 7.5 7.7 7.10 7.13 7.15 7.17 7.18 7.21 7.22 7.24西 1 4.1294 4.1303 4.1306 4.1309 4.1311 4.1308 4.1289 4.1272 4.1279 4.1198 4.1198 4.122 4.1204 4.1218西 2 4.0828 4.0829 4.0827 4.0832 4.0831 4.0835 4.0815 4.0798 4.0805 4.0732 4.0754 4.0749 4.0738 4.0750西
17、3 4.0284 4.0288 4.029 4.0287 4.0289 4.0283 4.0273 4.0256 4.0263 4.0188 4.0223 4.0208 4.0191 4.0208西 4 3.9278 3.9279 3.9277 3.9280 3.9277 3.9275 3.9268 3.9248 3.9255 3.9181 3.9145 3.9195 3.9181 3.9197中 跨 跨 中 第 二 、 三 施 工 阶 段 变 形 观 测3.90003.94003.98004.02004.06004.10004.14006-21 6-26 7-1 7-6 7-11 7-16
18、7-21 7-26日 期相对变形（m） 西 1西 2西 3西 4图 8 中跨跨中变形观测图Fig.8 Cross plans across the deformation observation根据监测变形变形数据，从图可以知道，在 7 月 10 日拆跨中支架后，箱梁有轻微的下挠，最后趋于稳定，7 月 16 日张拉剩余 30 米的钢绞线后，中跨有一定的下挠，符合理论分析，整个桥梁的施工过程中支架、箱梁的变形稳定，说明施工方法可行，施工状态良好。实际上，混凝土的实测应变包括有：荷载引起的弹性应变，徐变引起的应变，收缩引起的应变，温度变化引起的应变 局部温差引起的应变，湿度变化引起的应变等 6 项
19、，实际需要的是荷载应变计约束应变，自由应变议案该去除 3，在本次施工控制中，由于该桥只有纵向预应力因此横向的收缩应变即为桥梁的自由应变，因此在本次监控中采用了横桥向放置无应力计的方法 4，下面表格是有限元的计算结果和分离结果最后对比：5表 4 拆支架后有限元值和实测值的比较（单位 Mpa）Table 4 After the split bracket finite element and measured values of the comparison (in Mpa)截面号 0 1 2 3 4 5位置 顶板 底板 腹板有限元值 -7.47 -6.81 -9.85 -11.48 -11.56
20、 -9.79 -3.52 -6.91实测值（平均） -9.7 -7.21 -11.6 -13.3 -13.8 -12.7 -5.01 -8.83从上述表格可以看出，全桥应力的实测结果和有限元的理论计算结果比较接近，实测值均大于有限元的计算值，主要有以下几方面的原因造成，一是桥梁施工正好处在地区全年气候最热的时候，现场的实测表明，应变的实测值受温度影响很大，虽然计算中考虑了整体桥梁升温，温度梯度的影响，但与实际差别较大，二是桥上施工的影响，已施工完成的左幅大量支架模板等施工临时荷载堆放增大了混凝土的应力，锚垫板拉裂放张等也使得实测应力与有限元差值增大，三是箱梁剪力滞后效应的影响，使得实测值比理论
21、值偏大。混凝土压应力在养护期间应力由于温度影响在 0 附近波动，在张拉钢绞线后有显著的上升，随着第一施工阶段的结束逐渐趋于平稳，在第二施工阶段张拉钢绞线线后，混凝土的应力又发生轻微变化，最后趋于稳定，并与理论值较为接近。总之，全桥施工过程中应力稳定，与理论计算较为相符，远远小于混凝土的设计压应力，安全储备较大5 结论通过对关键部位和重要工序的严格监测和控制，准确的确定及调整立模标高，优化了施工方案，保证了施工安全进行，使得全桥施工过程中支架稳定，成桥线性流畅，与目标线性符合的较好，同时箱梁应力符合规范要求与理论计算结果符合的较好。说明了数值模拟是可行性的，准确的。本桥的施工过程发现桥梁的挠度变化与张拉预应力有较长的滞后效应，同时积累了在软弱地基，多雨水季节条件下满堂支架施工复杂桥型的经验。参考文献：1许润平. 大跨度曲线连续刚构桥施工控制分析. 铁道建筑技术, 2003（4）.2向中福,桥梁施工控制技术. 北京, 人民交通出版社, 2001.5.3王卫锋, 刘春燕, 范学明. 预应力混凝土连续刚构桥实测应变与应力的转换. 郑州大学学报, 2006（3）: 27-1.4张靖, 何祖发, 大跨度预应力混凝土桥梁施工应力监测中的几个问题. 第十四届全国桥梁学术会议论文集, 2000.11.
