主跨138米预应力砼连续梁桥的施工控制

一、工程概述
金沙洲大桥(糖厂大桥)位于广州市西部，是为了配合金沙洲小区的开发而建的一座跨越珠江的大型城市桥梁。主桥上部结构为93.0m+138.0m+93.0m三跨变高度预应力混凝土连续箱梁结构。全长324.0m，桥宽22.0m，为单箱单室结构。箱梁为三向预应力混凝土结构，顶面宽度为22.0m，箱宽为10.0m。箱梁根部梁高为7.0m，边跨及中跨合拢段梁高为3.0m，梁底下缘按二次抛物线设置。设计荷载为汽车-20级，挂车-100，总体布置见下图。
二、施工控制的内容和目的
桥梁施工控制的目的就是确保施工中结构的安全和确保结构形成后的外形和内力状态符合设计要求。
对于悬臂施工的预应力砼连续梁桥结构来说，施工控制就是根据施工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段的仿真分析，确定出每个悬臂浇筑阶段的立模标高，并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测和对下一立模标高进行调整，以此来保证成桥后桥面线型、合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规定值，以及结构内力状态符合设计要求。
三、施工控制的仿真分析
大跨径预应力连续梁桥的施工采用分阶段逐步完成的悬臂施工方法时，结构的最终形成必须经历一系列的施工过程，对施工过程中每个阶段进行详细的变形计算和受力分析，是桥梁施工控制最基本的内容之一。为了达到施工控制的目的，我们必须首先通过计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段在受力和变形的理想状态，以此为依据来控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终成桥线型和受力状态满足受力要求。
1、仿真分析的计算模型
在进行仿真计算时，将金沙洲大桥主桥简化成平面结构，各悬臂施工阶段离散梁单元，整个桥梁离散为101个梁单元，102个节点，主墩Z1，Z2，Z4简化为活动铰支座，Z3简化为固定铰支座。其成桥结构计算简图见《仿真计算模型的单元及节点划分图》。

仿真计算模型的单元及节点划分图
2、仿真分析的结构设计参数
大多数情况下，采用规范设计参数计算的结构内力和位移均较实测值大，这对设计是偏于安全的，但对于结构施工控制来说是不容忽视的偏差，因为它将直接影响到成桥后结构线型及内力是否符合设计要求。此次仿真分析的设计参数取用原则是：结构设计参数的取值尽量和实际相吻合；对于主要的可以测定的设计参数，则用试验数值；难以测定的则依照设计规范，根据以往的工程经验进行修正。设计参数的具体数值见表一：
设计参数数值表 表一
项 目 设计参数
材 料 50号砼，预应力 钢绞线， ，
砼算参数 弹性继效系数0.3 徐变速度系数0.021 瞬时徐变系数0.8滞后徐变系数0.4 环境相对湿度0.7 砼平均加载龄期10天
预应力计算参数 锚具变形与钢束回缩值4mm，钢绞线松弛损失按控制应力的4.5%，管道摩阻系数u=0.25，管道偏差系数k=0.002
设计荷载 一期恒载 容重 二期恒载:防撞栏7.889 桥面铺装:沥青 预应力锚下控制应力
温度荷载 年温差 ，日照温差顶板升温
支座沉降 10mm

3、施工阶段的划分
本桥采用悬臂浇筑方法施工，在施工过程中，设置了临时支撑，在计算中除了考虑设置永久支座外，在悬臂施工期间设置了4个临时竖向约束，以模拟实际施工的临时支撑。本次计算实际共划分为23个施工阶段和1个运营阶段，严格和实际施工状态相对应。各施工阶段内容详见表二。
施 工 阶 段 划 分 表 表二
施工阶 段 内容
1 安放临时支座，支架现浇0号块和1号块。张拉顶板T0和T1束
2～20 依次悬臂浇筑2～20号块。依次张拉顶板T2～20束
21 支架现浇26号块到22号块，安装边跨合拢段刚性联结，浇筑边跨21号块，从长束到短束顺序张拉边跨底板预应力束，边跨合拢。
22 浇筑中跨21号块，按从长束到短束顺序张拉中跨底板预应力束，中跨合拢
23 拆除中跨合拢段挂篮，桥面系施工
24 运营阶段
4、施工荷载的模拟
在预应力砼连续梁桥的悬臂施工中，挂篮和模板机具设备重对结构的内力和变形的影响很大，所以在仿真分析中，必须考虑施工荷载－主要是挂篮的影响。一般说来在现浇1号段混凝土时挂篮设备的静载全部落在墩顶上的0号段上，但是，在悬臂浇筑过程中，混凝土的重量不断增加，使挂篮设备上的伸臂发生弹性变形，它使底模板前端的标高也发生同样的变形，类似的变形将同样的发生在以后各阶段的施工中，这种变形在挂篮拆除后却不能得到恢复。因此在各节点的预拱度值中，均应计入这个影响，但是也可以调整的吊带来解决。当浇筑2号段混凝土挂篮设备一般分成两截，分别固定在（或者部分地落在）已完成的悬臂阶段上，由于挂篮具有一定的静载，尤其在大跨度桥梁的悬臂施工中，挂篮设备的重心距离悬臂梁的根部的力臂较大，使结构发生变形，但在挂篮拆除后，又使原来的变形得到恢复。
此次仿真分析计算充分考虑了施工荷载的影响，在仿真分析中模拟了挂篮的安装和拆除，以及挂篮前进的工况，挂篮的计算重量为800KN（其值由施工单位实测得到）。
5、悬臂施工的挠度计算
在桥梁悬臂施工的控制中，最困难的任务之一就是施工挠度的计算与控制。我们所采用的分析软件BRCAD5.1和BSAS的系统会根据不同阶段的受力状态自动考虑混凝土的收缩徐变影响、预加力的影响、温度变化的影响以及支座沉降的影响，其中混凝土收缩徐变的计算考虑了各阶段混凝土应力变化的影响，在预应力损失的计算中，对每个阶段内每个截面上的每组钢束都分别进行了计算。
为了说明的方便，下面列出悬臂桥梁施工时结构的总挠度计算公式（包括短期弹性挠度和已发生的徐变挠度变形）

式中： ――扣除预应力损失后的预加力产生的上拱度
――梁段自身静载（即一期恒载）产生的下挠度
――悬臂施工时的临时施工荷载产生的下挠度
――混凝土随龄期增大的徐变系数
对于桥梁长期荷载作用下的总挠度 的计算，还必须考虑二期恒载和活载的作用所产生的挠度，计算公式为

式中： ――二期恒载产生的下挠度
――静活载作用下产生的下挠度
――混凝土徐变系数终值
综合考虑各种因素后，将各影响参数输入软件中，由软件自动算出各施工阶段每一梁段的挠度，合拢时的挠度，合拢后二期恒载作用下的挠度，以及活载作用下的挠度。
通过仿真分析发现，在施工阶段对结构内力和变形影响较大的设计参数主要梁自身静载、预应力钢绞线的有效预应力；材料的弹性模量E和剪切模量G、施工临时荷载－挂篮、混凝土的收缩与徐变变形的性能以及混凝土加载龄期的变化对变形影响较大，其它的参数影响较小。
根据规范可知，桥梁的预拱度公式为：
所以成桥后桥面标高： 。
6、施工阶段立模标高的确定
在主梁的悬臂浇筑过程中，梁段立模标高的合理确定，是关系到主梁的线型是否平顺，是否符合设计的一个重要问题，如果在确定立模标高时考虑的因素比较符合实际，而且加以正确的控制，则最终桥面线型较好。否则，最终桥面线型会与设计线型有较大的偏差。
众所周知，立模标高并不等于设计中桥梁建成后的标高，总要设置一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形（挠度）。其计算公式如下：

式中： ――施工i梁段时i梁段的立模标高（梁段最前端某确定位置）
――i梁段设计标高
――施工i梁段时混凝土浇筑前i梁段的总挠度（软件自动算出）;
――施工i梁段挂篮的变形值
其中挂篮的变形值是根据挂篮加载试验，综合各项测试结果，最后绘制出挂篮荷载－挠度曲线，进行内插而得。
此立模标高计算公式简单，概念清楚，使用方便，而且实际使用效果很好。
7、仿真计算主要结果
通过计算结果分析可知，箱梁在悬臂施工过程中，轴力、弯矩曲线较为顺畅，施工阶段截面上下缘均为压应力，而且都在规范允许的范围之内。
在运营阶段，正常使用极限状态下组合1箱梁应力基本上处于全截面受压状态，而且满足规范要求。其它荷载组合除了部分几个截面顶板或底板出现很小拉应力（最大不超过0.5MPa），箱梁应力基本上处于全截面受压状态，箱梁的应力满足规范要求。
承载能力极限状态：从附件中可以看出截面基本满足规范要求。
各个施工阶段的挠度曲线很顺畅。挠度的变化也很正常。
四、施工控制的参数识别和现场测试
1、参数的识别
结构设计参数的变化能导致桥梁结构内力的变化和形状的改变，因此我们在大跨度桥梁的施工控制中，必须对设计参数进行识别和修正。不同的设计参数对结构状态的影响程度是不同的。总的说来，对于连续梁主要的设计参数有以下几个方面：
（1）结构几何形态参数：主要是桥梁结构的跨径、高跨比、线型等，它们表征了结构的形状和结构最初的状态。（2）截面特征参数：截面的面积、抗弯惯性矩等。（3）与时间有关的参数：温度、混凝土龄期、收缩徐变是随着时间而变化的参数。（4）荷载参数：主要是结构构件自重力、施工临时荷载和预加力。（5）材料参数：主要是指材料的弹性模量E和剪切模量G，对于混凝土材料来说，这两个参数有一定的波动，在桥梁的施工控制中要对其进行识别。
这五类设计参数在同一座桥梁的施工控制中并不是每一个设计参数对桥梁结构状态的影响都是一样的，因此我们要对设计参数进行辨别，一方面要确定设计参数的实际值，另一方面要辨别对结构状态影响较大的设计参数即主要参数，为了达到这个目的，对设计参数的识别，总的来讲，有两种方法和手段：其一，通过现场测量来确定设计参数的值。这主要是结构几何形态参数、截面特征参数和材料特征参数，它们可以通过现场测量方法或试验测量手段来确定。其二，通过结构计算分析来确定主要设计参数，也就是设计参数敏感性分析方法。在这里我们主要采用的是第一种方法。
2、现场测试
为了确保施工控制的顺利实施，施工过程中各项技术参数的准确测定至关重要，它是进行施工控制的必要初始参数，它为施工的仿真分析提供了实测依据，是最终实现施工控制目的的最关键的一步。这次我们主要现场测试的内容如下：
（1）应力观测：
在大桥上部结构的控制截面布置应力测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化与应力分布情况。然后把结果及时反馈给设计人员，和计算结果相验证，在计入误差和变量调整后由设计人员分析以后每阶段乃至竣工后结构的实际状态，同时可以根据当前施工阶段向前计算至竣工，预告今后施工可能出现的状态并预报下一阶段当前一安装构件或即将安装的构件是否出现不满足强度要求的状态，以确定是否在本施工阶段对可调变量实施调整。经现场测试，各施工阶段被测梁段的应力值和仿真分析的相吻合，应力变化没有出现异常。
（2）挠度观测：
挠度观测资料是控制成桥线型最主要的依据，根据以往的经验，在每个施工段的断面上上布置五个高程观测点1、2、3、4、5，顺序是从上游至下游排列，间距为6米＋5米＋5米＋6米，控制点3为桥梁中线点，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可以观察箱梁是否发生扭转变形。在施工过程中，对每一截面需进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、预应力钢筋张拉前、预应力钢筋张拉后的标高观测。以便观察各点的挠度和箱梁曲线的变化历程，保证箱梁悬臂端的合拢精度和桥面线型。为了尽量减少温度的影响，挠度的观测安排在早晨太阳出来之前进行。以这些观测数据为依据，进行有效的施工控制。由于测量数据太多，现仅将各施工的控制点3从10号块到20号块在预应力钢筋张拉后理论标高和实测标高值列于下表：
各 节 点 立 模 标 高
断面号 Z2墩 Z3墩
理论标高 实际标高 差值（米） 理论标高 实际标高 差值（米）
10’－10’ 21.621 21.622 0.001 21.621 21.610 0.011
10－10 22.811 22.806 -0.005 22.817 22.809 -0.008
11’－11’ 21.539 21.535 -0.004 21.539 21.528 -0.011
11－11 22.848 22.838 -0.010 22.848 22.841 -0.007
12’－12’ 21.456 21.448 -0.008 21.456 21.442 -0.014
12－12 22.844 22.872 -0.012 22.884 22.875 -0.009
13’－13’ 21.371 21.358 -0.013 21.371 21.373 0.002
13－13 22.918 22.914 -0.004 22.918 22.905 -0.013
14’－14’ 21.276 21.262 -0.014 21.276 21.279 0.003
14－14 22.961 22.953 -0.008 22.691 22.952 -0.009
15’－15’ 21.168 21.153 -0.015 21.168 21.170 -0.002
15－15 22.992 22.995 0.003 22.992 22.990 0.002
16’－16’ 21.056 21.048 -0.008 21.056 21.052 -0.004
16－16 23.018 23.011 -0.007 23.018 23.015 -0.003
17’－17’ 20.940 20.935 -0.005 20.940 20.938 -0.002
17－17 23.041 23.035 -0.006 23.041 23.032 -0.009
18’－18’ 20.817 20.810 -0.007 20.819 20.798 -0.011
18－18 23.056 23.041 -0.015 23.056 23.036 -0.020
19’－19’ 20.668 20.677 -0.011 20.694 20.683 -0.011
19－19 23.063 23.045 -0.018 23.063 23.046 -0.017
20’－20’ 20.515 20.498 -0.017 20.531 20.523 -0.008
20－20 23.057 23.043 -0.014 23.057 23.041 -0.016
从表中可以看出：
1、理论标高和实测标高最大误差为20mm，理论值和实测值符合较好，在施工不需要调整立模标高，给施工带来了很大的方便。也更好地说明立模标高的计算模式合理，具有很强的实用性。
2、合拢时两个合拢段理论标高和实测标高均为误差为16mm，它们的相对高差为2mm，两者在同一水平线上，合拢时不需要进行压重和纠偏，可以直接合拢。保证了成桥后桥面线型平顺，与设计相吻合。
（3）温度控制
温度是影响主梁挠度的最主要的因素之一，温度变化包括日温度变化和季节变化两部分，日温度变化比较复杂，尤其是日照作用，季节温差对主梁的挠度影响比较简单，其变化是均匀的。因此为了摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况，在梁体上布置温度温度观测点进行观测，以获得准确的温度变化规律。
（4）混凝土弹性模量和容重的测量
混凝土弹性模量的测试主要是为了测定混凝土弹性模量E随时间的变化规律，采用现场取样通过万能实验机进行测定。混凝土弹性模量和容重的测量是在现场取样，采用实验室的常规方法进行测定。
（5）钢绞线管道摩阻损失的测定
在进行钢绞线张拉时，由于管道摩阻会造成预应力不同程度的损失，本测试项目旨在定量地测量钢绞线管道摩阻损失，以确定有效的预应力。
五、施工控制的措施
（1）在悬臂施工过程中，对挠度和施工标高进行施工精密测量。
（2）对悬臂施工实行第三方监测，确保挠度和施工标高的测量准确无误。
（3）预应力钢绞线在具体张拉过程中，及时向设计人员提供有关数据，以便核对延伸量，同时也是验证预应力有关参数的准确性。实测延伸量和理论延伸量符合较好，满足设计要求。
（4）施工单位应将已经施工阶段的实测挠度及标高等参数提前3天反馈给设计人员，以便设计人员对将施工阶段的标高进行调整和控制。
（5）悬臂施工按照对称平衡的原则进行施工，施工过程中应随时注意两悬臂不得出现不平衡荷载。
（6）为了避免不平衡荷载的出现，悬臂施工段除了施工机具外，不得堆放其它物品和材料，以免引起挠度偏差。
（7）在有可能时宜将长臂和边中跨合拢避开台风季节，在每一梁段施工过程中出现台风预报应停止施工，并做好施工的防台风工作。
六、结论
通过金沙洲大桥主桥138米预应力砼连续梁桥的设计、施工和施工控制的实践，我们可以得出如下结论：
1、本文立模标高计算公式概念清楚，使用方便简单，而且实际施工中理论标高和实际标高误差很小，给施工带来了很大的方便。从而也证明了理论计算模式的先进性、正确性。
2、合拢时合拢段的相对高差也在5mm以内，合拢时不需要进行压重和纠偏。保证了成桥后桥面线型平顺，与设计相吻合。
3、确保了施工过程中结构的可靠度和安全性，保证了桥梁变形、梁段的挠度变化和结构的应力状态符合设计要求。

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