连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践郭成刚

1、连续箱梁桥悬臂施工监控研究与实践郭成刚 刘和平 摘要：本文介绍了武广铁路客运专线广州段跨京珠高速公路三王石大跨连续梁桥的施工监控思路、方法和执行过程，通过分析影响监控结果的影响因素，制定了合理的施工监控方案。并通过对这座桥梁的监控实践提出了一种有效的应力控制理论，即“界限控制法”和“增量控制法”。文中还详细介绍了监控过程中需要注意的问题和监测常用设备，这为以后大跨预应力混凝土连续梁桥的施工提供了有益的借鉴。关键词：连续梁 悬臂施工 施工监控1 引言预应力连续梁桥作为一种结构刚度大、跨越能力大的桥型，在近几十年得到了长足的发展。随着预应力混凝土工艺的不断完善，采用挂篮悬臂浇筑节段混凝土来建造大跨

2、度混凝土梁桥，目前在国内技术已经相当成熟。连续梁的分段悬臂浇筑法是目前国内外大跨径预应力混凝土桥梁的主要施工方法，由于施工过程中要经历逐段立模浇筑混凝土梁节段，分批张拉预应力钢筋，逐步完成结构体系转换和合拢等众多施工工艺，所以桥梁结构在施工期内将产生复杂的内力和位移变化。为检验每一施工工况是否正常,确保施工安全和质量，尤其是保证成桥线型，必须对上部箱梁结构进行施工力学分析和现场监控，以保证成桥的线型和受力状态与设计一致。2 工程概况488080004880图1 连续梁总体布置图 （单位：cm）三王石特大桥位于广东省韶关市西联镇三王石村,跨京珠高速公路，其中心里程为DIK1989+871，孔跨布

3、置为：632324(48+80+48)预应力连续梁+2241832m简支梁，共32跨全长1097.665米；连续梁位于三王石特大桥的9#12#墩，共设计3跨，梁段全长177.5m。连续梁跨径组合为48m+80m+48m，主桥下部结构过渡墩为矩形墩、承台、钻孔灌注桩基础；主桥上部结构为纵、横、竖三向预应力钢筋混凝土连续T构，变截面连续箱梁，跨中梁中心高3.85m，支点梁中心高6.65m，幅宽13.4m，节段长度为2.7m、3.1m和3.5m三种，箱室宽6.7m，顶板厚度40cm，底板厚40-100cm ,按直线线性变化，腹板厚90cm-60cm、60cm-48cm按折线变化，为单箱单室型式。利用

4、菱形挂蓝逐块悬臂施工。图纸采用中铁工程设计咨询集团有限公司编制的无砟轨道现浇预应力混凝土连续梁通用参考图。连续梁上部结构总体布置形式及截面尺寸如图1、图2所示。图2 -断面图 （单位：mm）12502100900900155013400530859581500370015003 监控方案对高次超静定桥跨结构(多跨连续梁或连续刚构，或斜拉桥)，其成桥的梁部理想的几何线型与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。如何通过施工时的浇筑过程的控制以及主梁标高调整来获得预先设计的应力状态和几何线型，是连续梁桥施工中非常关键的问题。变截面三向预应力混凝土连续箱梁，目前这种形式的桥梁分

5、析理论已经基本成熟；但是在三向预应力混凝土连续梁中，混凝土的收缩、徐变计算理论以及剪力滞后效应及角域应力的特殊性等结构的非线性问题尚需进一步进行研究，如实际桥梁设计时很难获得桥梁的实际的温度场，收缩、徐变的设计计算也很难与实际完全相符。由于对混凝土的收缩、徐变以及温度的影响计算不准确，影响施工正常进行，甚至造成合拢困难等。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工中出现的诸多因素(如材料的弹性模量、混凝土收缩徐变系数、结构自重、施工荷载、温度影响等)的随机影响，事先难以精确估计，而且在实际施工过程中由于施工在测量等方面产生的误差，会使实际结构的原理论设计值难以做到与实际测量值完全

6、一致，两者之间会存在偏差。如不能及时地加以识别和处理，主梁的应力有可能发生积聚而超出设计安全状态发生施工事故。所以在施工中对桥梁结构进行实时监测，并根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应调整是十分重要的。3.1 影响因素在大跨连续梁施工过程中，悬臂施工的关键是准确地控制桥梁结构内力和线型，而影响连续箱梁内力和线型的因素很多，根据以往进行的桥梁施工监控、及检测的经验，结合该铁路大桥的具体情况，主要的影响因素概括起来有以下几个方面：（1）桥梁施工的临时荷载，包括人员、机具、挂篮等；（2）混凝土弹性模量；（3）日照及气温的影响；（4）混凝土收缩、徐变的影响；（5）混凝土浇注质量的控制。包括三向预

7、应力变截面连续箱梁悬臂浇注阶段施工的立模标高及中线偏差、实际混凝土强度等；（6）预应力张拉应力控制。当上述因素与结构设计估计值不符，而又不能及时采集现场数据资料，未进行科学研究与计算分析，其结果必然导致结构合拢后线型与设计偏差较大、结构内力分布不合理，甚至引起结构合拢困难，使建成的桥梁达不到设计的使用要求，为此我们在本桥施工过程中主要根据以上影响因素进行以下监控工作。3.2 监控内容监控组根据三王石特大桥施工进度情况，主要开展了以下监控工作内容：3.2.1线型监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，在每个施工块件上布置5个对称的高程观测点，这样不仅可以测量箱梁的挠度，同时可

8、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、钢筋张拉后的标高观测，以便观察各点的挠度及箱梁曲线的变化历程，以保证箱梁悬臂端的合拢精度及桥面线型。高程控制点布置在离块件前端10 cm处，采用16钢筋在垂直方向与顶板的上下层钢筋点焊牢固，并要求竖直。测点(钢筋)露出箱梁混凝土表面5 cm测头磨平并用红油漆标记。33.533.50.20.2布置0号块件高程观测点是为了控制顶板的设计标高，同时也作为以后各悬浇节段高程观察的基准点。每个0#块件的顶板各布置20个高程观测点，其他节块均布置5个测点，这样布置不仅可以测定全桥纵向线型，而且可以明确绘制各断面的顶

9、板曲线，这样就可以看出桥梁顶板的挠度线型，由于本桥使用挂篮施工，通过线型变化确定对挂篮支撑调整，尤其箱梁内箱的支撑刚度调整，保证桥梁线型，测点位置见图3所示。其它截面测点在每个节段各664443.53.53313.4图3 0号段测点位置布置图设5个。高程的测量采用精密水准仪，浇筑完混凝土后，根据悬臂端埋设的高程测点进行变形观测，并根据施工工况的具体时间安排进行观测。3.2.2应力监测应变监控是连续梁桥施工监控的主要内容之一，它是施工过程中的安全预警系统，是对桥梁的实际受力状态进行评判和确保施工安全顺利的主要依据。结构某定点的应变也同其几何位置一样，随着施工的推进，其值是不断变化的。在某一时刻的

10、应变值是否与分析(预测)值一致，是否处于安全范围是施工控制关心的问题，解决的办法就是进行监测，在箱梁的控制截面布置应变量测点，以观察在施工过程中这些截面的应变变化及应变分布情况，预告当前己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，一旦监测发现异常情况，就立即停止施工，查找原因并及时对可调变量实施调整。应变计按预定的测试方向固定在主筋上，测试导线引至混凝土表面。上部结构(箱梁)总共布置11个断面，分别为每个主跨的根部、1/4跨和跨中，每个边跨的根部、跨中截面和合拢截面。每个根部断面布置8个测点，除腹板2个测点与水平成45方向角布置外(测主应力)，其余6个测点方向均为顺桥向布置；每个1

11、/4跨断面布置8个，其测点方向均为顺桥向布置；每个跨中断面布置8个，边跨合拢截面布置8个，其测点方向均为顺桥向布置；共计88个。具体位置如图2所示。9#墩10#墩11#墩1234567891011跨中截面合拢截面1/4截面根部截面12#墩图4 传感器布置段面及测点布置图在连续梁桥上，根据对多种应力测试仪器的性能比较，考虑要适合长期观测并能保证足(a) JXH2型埋入式应变传感(b) SS型钢弦频率测定仪图5 应变测试设备及接收装置够的精度，本项目选用丹东市虬龙传感器有限公司生产的JXH2型埋入式应变传感器(如图5a所示)，读数仪器采用配套的SS型钢弦式频率测定仪(如图5b所示)。该传感器采用薄

12、壁圆钢结构，以钢弦作为传感器元件，工作方式为脉冲间歇激发式，具有性能稳定，不受导线长度限制，抗干扰能力强，使用于长期观测等优点。布置应变计的原则为选择关键截面布置测点，测试从混凝土浇筑前开始采集原始数据，浇注后3 小时采集第一次数据，至预应力张拉前测试一次，张拉预应力后测试一次；以后每当荷载出现较大变化或时间间隔3天左右对控制截面进行测量。先期主要测试混凝土的时效（收缩和徐变）应变，后期测试受力应变（应力变化工况）和时效应变（应力不变化时段）。3.2.3温度监测桥梁结构处于一个变化的温度场中，理论上说由于温度变化，桥梁的截面应力和主梁标高每时每刻都在变化，这就给测量结果带来不确定的因素，要完全

13、解决温度问题，有很大的难度。针对三王石特大桥的温度监测，根据以往经验，监控组通过对气温的测量，推算结构温度的影响，也取得了较好的效果。具体做法是在进行其它测试任务时，采用气温表测量箱内和箱外的温度，测量精度控制在0.5以内。为了保证大桥施工达到设计要求的内力状态和线型，使施工各阶段的受力和线型更接近监控计算，必须对结构实际温度进行实地监测与试验，模拟出现场实际的温度场，只有掌握了施工结构温度场分布状态才能有效地克服温度效应对施工结构行为的影响。因此必须对现场温度进行监测和试验。具体测点位置见图6所示。图6 温度测点布置图11图a JMT-36C型温度温度传感器 图b JMZX-300X综合读数

14、仪图7 温度测试元件及读数装置在连续梁桥上，用于桥梁结构温度测试的常见元件有热电阻、热敏电阻、热电偶等。根据对多种温度测试仪器的性能比较，由于热电阻具有构造简单、适用方便、有较高的精确度和良好的敏感度的特点，并考虑要适合长期观测并能保证足够的精度，在本桥的温度监测中将选用长沙金码高科技有限公司生产的JMT36C型温度温度传感器(如图7a所示)为温度监测仪器；读数仪采用和JMT36C型温度温度传感器配套得JMZX300X综合测试议，(如图7b所示)。3.2.4 几何形态挠度监控桥梁的悬臂施工中，施工挠度计算与控制以及科学合理确定悬臂每一待浇梁段或悬拼段的预拱度是至关重要。只有预拱度设置合理，才能

15、保证一个跨径内将要合拢的两个悬臂端可能在同一水平线上，也才能使桥梁上部结构经历施工和运营状态，反复发生向上或向下的挠度后，在结构运营一定时间后达到设计所期望的标高线型。影响挠度的因素有很多，其中最主要的因素包括以下几个方面：1施工阶段的一期恒载，即梁自身静载和预加应力；施工临时荷载；悬浇的挂篮和模板机具设备重；4悬拼的吊梁机具设备重；人群荷载、大自然的温度变化、湿度变化、风荷载；桥墩变位、基础沉降、施工误差等。在本项目监控中，对上述影响因素都做了考虑，采用桥梁专用分析软件Midas进行分析模拟计算，并与实测数据对比，进行曲线拟合，通过目前对各段的线型控制，得到了较好的验证，与设计线型比较吻合。

16、下面就连续梁桥各梁段立模标高的确定方法简要介绍一下。立模标高的计算公式主要按下式确定：立模标高为： 上式中，分别为立模标高，设计标高，计算预抛高和挂蓝变形值。设计标高由设计院提供，预抛高值由软件模拟计算得到（本文中采用Midas模拟分析得到），挂蓝变形值由通过预压试验得出的回归方程得到。3.3三王石大桥施工控制目标本项目工作的目标是：把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于三王石特大桥跨京珠高速公路连续梁工程的实际施工过程，对该桥施工期间的线型、混凝土应力等内容进行有力的控制和调整，即：根据施工全过程中实际发生的各项影响桥梁内力与变形的参数，结合施工过程中测得的各阶段主梁内力(应力)与变形数据，

17、随时分析各施工阶段中主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正对策，以保证施工安全、优质、高效地进行，并确保在全桥建成以后桥梁的内力状态与外形曲线与设计尽量相符。3.4 监控成果及分析在应力的监控中，本桥采用界限控制法和增量控制法相结合的方法。界限控制法，即在施工过程中，结构内部所允许出现的最大应力值，超过此值则认为出现异常，则应提出预警。本文中所述三王石特大桥连续梁，由结构分析和以往的试验资料表明，控制截面的混凝土拉应力最大不超过2.5MPa，最大压应力不超过19.6MPa。增量控制法，即利用应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数。对于主梁的应力指标而言，由于采用的测试设备、人员

18、操作误差、以及工人的施工水平等，根据国内目前的使用情况来看其应力测试的准确度尚不能令人十分满意。并且设计计算和施工监控、监测计算一般只能给出线性平面应力的大小，而施工中存在箱梁的剪力滞后效应及角域应力的特殊性，因此应力的测试结果通常不用于直接的误差分析，而是利用应力测试的增量结果作为施工的应力预警参数。监控单位对于测试中出现的应力异常变化及时作出预警报告。341应力测试数据由于监控数据很多，这里不能全部列出，表中只列出11#墩01断面(8-8)的应力(应变)施工到4#块的监测数据和理论计算数据。通过数据对比，大部分实测数据和软件计算值是比较吻合的，这既说明了软件模拟的正确性，也体现了桥梁在施工

19、过程中施工工序是正确的，大桥的质量是可以保障的，整个施工过程中没有出现异常现象。11#墩1#块工况测点位置应力（广州） 应力（武汉）理论值混凝土浇筑后底板左0.238 0.729 0.075 底板中-0.007 0.174 0.075 底板右1.965 2.344 0.075 腹板中（左）2.429 2.418 0.006 腹板中（右）2.022 1.437 0.006 顶板左1.083 0.583 -0.063 顶板中0.592 0.580 -0.063 顶板右0.748 1.070 -0.063 预应力筋张拉后底板左-1.568 -1.691 -0.188 底板中0.302 -0.401

20、-0.188 底板右-1.004 0.434 -0.188 腹板中（左）1.583 1.275 0.726 腹板中（右）0.353 -1.467 0.726 顶板左2.148 1.993 1.827 顶板中1.621 1.606 1.827 顶板右1.548 2.307 1.827 11#墩2#块混凝土浇筑后底板左0.585 0.338 0.153 底板中2.262 0.688 0.153 底板右0.751 0.489 0.153 腹板中（左）0.618 0.238 0.736 腹板中（右）-0.403 0.188 0.736 顶板左3.379 3.242 1.550 顶板中3.229 3.0

21、75 1.550 顶板右2.625 3.198 1.550 预应力筋张拉后底板左-0.458 -0.672 -0.296 底板中2.808 0.802 -0.296 底板右0.052 1.747 -0.296 腹板中（左）1.130 1.505 1.531 腹板中（右）-0.228 -0.539 1.531 顶板左6.549 5.974 3.583 顶板中9.545 7.920 3.583 顶板右5.194 5.017 3.583 表1 11#墩01断面(8-8断面)应力监测数据续表111#墩3#块工况测点位置应力（广州） 应力（武汉）理论值混凝土浇筑后底板左-1.392 -1.634 0.1

22、48 底板中1.347 0.001 0.148 底板右-0.299 2.776 0.148 腹板中（左）2.317 2.645 1.538 腹板中（右）0.642 -1.271 1.538 顶板左5.003 4.618 3.158 顶板中4.762 4.748 3.158 顶板右3.972 5.126 3.158 预应力筋张拉后底板左-1.100 -1.294 -0.361 底板中1.775 0.231 -0.361 底板右-0.124 3.260 -0.361 腹板中（左）2.541 3.098 2.332 腹板中（右）0.931 -1.027 2.332 顶板左6.720 6.577 5.

23、261 顶板中6.793 6.618 5.261 顶板右5.855 6.592 5.261 11#墩4#块混凝土浇筑后底板左-0.866 -1.181 0.442 底板中2.018 0.345 0.442 底板右0.110 3.743 0.442 腹板中（左）3.102 3.550 2.342 腹板中（右）1.276 -0.929 2.342 顶板左6.435 6.067 4.675 顶板中6.483 6.290 4.675 顶板右7.601 6.160 4.675 预应力筋张拉后底板左-0.924 -1.407 -0.258 底板中1.836 0.174 -0.258 底板右0.052 3.

24、957 -0.258 腹板中（左）3.437 4.000 3.129 腹板中（右）1.621 -1.125 3.129 顶板左7.400 7.221 6.747 顶板中7.769 7.812 6.747 顶板右6.840 7.238 6.747 注：表中正值为压应力，负值为拉应力标高量测数据标高量测是线型控制的一项重要手段，也是目前监控过程中的一项主要手段，它是保证桥梁成桥线型的主监控内容，所以尤其是工作人员在测量过程中一定要严谨，认真。对于线型的控制，其核心任务就是在实际的监控中不断的采集现场实测数据，把每阶段的实测挠度变形增量跟软件计算结果进行对比，并对各种误差进行分析、识别、调整，当对比

25、结果超出正常范围内的允许误差时，就需要对理论模型按照前面介绍的方法进行调整，直至理论值与实测值比较吻合。同时对结构未来状态作出正确预测。现将三王石特特大桥连续梁11#墩各断面5#高程点数据列表如下：表2 11#墩5#高程点标高对比数据11#墩5#高程点方向截面位置距墩中心距离（m）设计标高(m)调整后设计标高实测标高广州10# -11#39.0 80.405 80.423 80.4009# -10#35.5 80.387 80.405 80.378 8# -9#32.0 80.370 80.387 80.365 7# -8#28.5 80.352 80.372 80.356 6#-7#25.0

26、 80.335 80.352 80.335 5#-6#21.5 80.317 80.333 80.323 4#-5#18.0 80.300 80.315 80.300 3#-4#14.5 80.282 80.302 80.285 2#-3#11.4 80.265 80.295 80.278 1#-2#8.7 80.249 80.277 80.236 0#-1#6.0 80.236 80.251 80.232武汉0#-1#-6.0 80.149 80.164 80.145 1#-2#-8.7 80.135 80.163 80.134 2#-3#-11.4 80.120 80.150 80.130

27、 3#-4#-14.5 80.102 80.122 80.109 4#-5#-18.0 80.085 80.098 80.084 5#-6#-21.5 80.067 80.081 80.064 6#-7#-25.0 80.050 80.065 80.048 7#-8#-28.5 80.032 80.050 80.039 8#-9#-32.0 80.015 80.030 80.014 9#-10#-35.5 79.997 80.012 79.999 10#-11#-39.0 79.980 79.995 79.982 通过各断面5#点高程数据最后的线型分析，成桥线型与设计线型比较吻合，符合精度要求。3.4.3温度监测数据通过对箱梁结构中预埋温度传感器的实时监测，并结合当地气象部门的相关气象信息，通过温度变化趋势，数据对比，分析，最终得出了桥梁结构本身的温度场，与软件计算值比较吻合，收到了很好的效果，为桥梁结构的监控实施提供了更全面的信息。.1通过温度监测比较整理得出如下规律：混凝土在浇筑初期温度上升迅速，水化热效应明显，大概26小时后达到温度峰值，对于本桥来说温度最高达到57.6，为腹板中间的位置。随后温度开始缓慢下降，大概经过45天的时间后，混凝土内部温度开始稳定，并随当