大跨径连续梁桥施工控制

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姓名：杨涛申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：霍凯成

20230501

中文摘要采用对称悬臂浇筑法施工的大跨径预应力混凝土连续梁桥，一般要经历一个繁杂的施工过程，在此过程中将受到大量确定和不确定因素的影响，导致桥梁结构的实际状态偏离理论计算分析状态。为了保证桥梁施工质量和桥梁建设安全，确保连续梁桥成桥后的主梁线形和结构内力符合设计要求，桥梁施工控制是不可缺少的。本文首先以大庆至广州高速马路湖北省麻城至浠水段巴河大桥为工程背景，阐述了大跨径预应力混凝土连续梁桥施工控制的内容及方法、施工控制的基本原理等内容，提出了适合本桥的施工控制方案。采用大型计算软件ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ对巴河大桥主桥施工过程进行模拟分析，详细介绍了建模步骤。有效的把握施工阶段各关键截面的应力和位移状况，为施工控制工作提供可靠的数据。其次，本文对监控过程中的线形误差分析重点进行了探讨，对影响主桥线形的七大因素，作定量的计算、比较。在施工控制过程中，采用ＧＭ（１，１）模型对各个梁段的预拱度调整值做了科学的预计，得出了最优的立模标高。在全桥合龙前，将现场采集的各梁段标高数据，与计算值对比分析并总结，证明白施工控制方案的可行性。最终，介绍了巴河大桥主桥施工过程中应力传感器的选择与布置。从钢弦应变计的安装、调零自身因素的影响，以及混凝土弹性模量、混凝土应变滞后、温度等外部因素的影响探讨了桥体施工过程中的应力误差来源。并提出了应力修正方案。将现场实测应力与理论值作了对比分析，从分析结论可以看出，本桥的施工控制方案切实可行，并取得了良好的效果。武汉理工大学硕士学位论文第１章绪论１．１大跨度连续梁的桥梁建设和发浮现状桥梁发展的历史，就是桥梁跨度不断增长的历史，也是桥型不断丰富的历史。随着科学技术的进步，桥梁的型式越来越多、跨度也越来越大，使得跨越大江大河海湾更加简单。在过去的十多年里，我国大跨度桥梁的建设进入了一个辉煌的时期，修建了一大批结构别致、技术繁杂、设计和施工难度大、现代化品位和科技含量高的大跨度斜拉桥、悬索桥、拱桥、连续刚构桥、连续梁桥，并在这个过程中积累了丰富的桥梁设计和施工经验，现在，我国的桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。连续梁桥是一种古老的结构体系，近年来，连续梁结构体系己成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一，它具有变形小、结构刚度大、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单、抗震能力强等优点。预应力混凝土连续梁桥一般采用变截面，其主要断面形式是箱形截面。预应力混凝土连续箱梁不仅梁高选用变截面，其截面的底板、顶板和腹板的厚度也可变化，以满足梁内各截面的不同受力要求。采用预应力混凝土连续箱梁，可使跨越能力大大增加，目前单孔跨径在４０～１５０ｍ范围内的桥梁，预应力混凝土连续梁桥占主导地位。无论是城市桥梁，还是跨越广阔河流的大桥，预应力混凝土连续箱梁都发挥了它自身的优势，是一种广泛使用的桥型。上世纪７０年代至今，随着预应力技术的发展和不断完善，特别是悬臂、顶推等先进施工方法的出现，更使预应力混凝土连续梁桥如虎添翼而活跃在整个桥梁工程领域。从国内外已建成的钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土连续梁桥的修建总数来看，预应力混凝土连续梁桥己远远超过半数、充分表现出预应力混凝土连续梁桥的强大生命力。１．２大跨度桥梁施工方法概述大跨度桥梁的施工方法有好多，根据桥体梁浇注时使用的支撑类型，可分为：有支架旌工和无支架施工。其中无支架施工对于跨度大的桥梁而言，应用武汉理工大学硕士学位论文更加广泛。无支架施工方法又可分为：悬臂施工法、转体施工法、顶推施工法等。本文着重介绍悬臂施工法。悬臂施工法是指桥墩顶开始，两侧对称（或不对称）地分段形成梁体节段，直至全桥完成。按混凝土为现浇或预制，悬臂施工法又可分为悬臂灌注法和悬臂拼装法。前者的梁段悬臂壕长是采用挂篮，在桥位处就地灌注节段混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉力筋，前移挂篮，继续下一梁段的施工。后者的梁段接长则是采用吊机，吊装预制梁段就位，再张拉预应力筋，继续下一梁段的施工。悬臂灌注法广为应用，但对跨度不大于１００ｍ，一致孔跨多的状况，为压缩施工周期，也可采用移动支架和平衡悬臂拼装法。悬臂施工时梁体一般分四大部分浇筑，主要程序如下：１．在墩顶托架上浇筑艳号块，并实施墩梁临时固结系统。２．在艳号块上安装悬臂挂蓝，向两侧依次对称地分段浇筑主梁至合龙前段。３．在临时支架或梁端与边墩间的临时托架上支模浇筑现浇梁段。４．主梁合龙段可在改装的简支挂蓝托架上浇筑。多跨合龙段浇筑的顺序按设计或施工要求进行。悬臂施工浇筑具有如下特点：１．预应力混凝土连续梁桥的结构受力状态比较有利于悬臂施工，即悬臂施工时的受力与成桥后的结构受力较为接近。２．有利于适应桥梁的大跨度。作为无支架施工，特别对跨越大江、大河和深沟的桥梁，有利于通航河流建桥，有利于深山峡谷之间建桥，有利于城市立交建桥，不阻碍桥下净空，不影响桥下交通，不影响桥下通航、通车，施工不受季节、河道水位的影响。３．有利于节省施工费用，降低工程造价。悬臂体系施工法挂篮施工法不需大量旋工支架和临时设备，挂篮结构简单，成本低廉，逐段浇筑混凝土无需大型吊装设备。４．有利于旌工作业，加快施工进度。每个阶段施工包括立模、钢筋绑扎、管道定位、混凝土浇筑、预应力张拉、管道压浆等均在挂篮内进行，挂篮可设顶棚和养生设备，可使施工少受环境影响，保证施工的连续性。每墩同时至少有两个工作面平行作业。可几个墩同时施工，各作业面互不干扰，施工速度快，保证施工进度。由于上述特点，平衡悬臂施工法促进了预应力混凝土连续梁桥的进一步发２武汉理工大学硕士学位论文展，并对其他体系桥梁产生了深远的影响１８’９】。如今大跨度连续梁结构体系己成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。目前，在一致的跨度范围内，与其他结构体系比较，大跨度连续梁结构体系常成为首选桥型方案。１．３桥梁施工控制的重要性及实际意义１．３．１桥梁施工事故分析桥梁事故是指桥梁在施工和运营过程中发生的结构损坏、人员伤亡、施工机具倾覆或毁坏等事故。由于各种原因，桥梁施工事故时有发生，给人们的生命和财产造成了巨大损失。以以下举几例典型的桥梁施工事故：１．加拿大魁北克桥（ｏｕｅｂｅｅＢｒｉｄｇｅ）该桥位于加拿大魁北克，建于１９０４—１９１８。桥梁分跨是１５７．１ｍ＋５４８．６ｍ＋１５７．１ｍ，为当今世界钢梁桥的最大跨度。该桥在施工过程中曾遇到两次重大事故。第一次是在１９０７年８月２９日，当其从两岸悬拼出来的钢桁梁己接近合龙时，南侧一下弦杆由于缀条薄弱而被压溃，导致重大损失（８６名工人只１１人幸免于难）。事后，对钢压杆进行了不少试验研究。改变了原设计，将主桁中心距从２０．４ｍ增为２６．８ｍ，将主要压杆钢材改用镍钢，将主要拉杆改为眼杆，将主桁型式改为Ｋ形，重新施工。其次次事故是在１９１６年９月６日，在提升悬挂跨（跨度１９５．２ｍ，重约４７００ｔ）过程中，由于该跨的一个支承铸件破碎而使该跨倾斜片滑落水中，导致７人丧命。随后重新制造悬挂跨，用铅热板（受压时易变形，但不会破碎）作其临时支承，终究使这桥建成。２．欧洲钢箱梁施工事故为一独塔斜拉桥，分跨为７４．５ｍ＋２５８．Ｏｍ＋１０２．Ｏｍ＋８３．０ｍ＋４９．５ｍ。１９９８年９月２４日，正在悬臂施工的主梁发生断裂事故。根据事故调查报告，事故主要的直接原因是：主梁设计结构单薄，特别是底板厚度过薄，有效截面较小，从而导致受压区实际应力偏大。后进行局部拆除和重建加固。５．四川达县洲河大桥该桥是一座岩锚和塔锚并用的斜拉桥，桥一端的拉索直接锚于岩体，另端的锚于索塔，分跨１９０＋７０ｍ，主梁采用混凝土桁架，１９８７年施工。在跨中合龙之前，主梁混凝土桁梁突然破坏坠落江中，造成伤亡１６人的重大事故。～般认为该桥事故与施工质量有较大关系。因忽视施工控制而造成桥梁缺陷的状况并不少见。例如，重庆某斜拉桥，合龙后桥面呈波浪形，线形难以符合设计要求，桥面处理困难；某主跨２４５ｍ的连续梁桥，跨中严重下挠达３２ｃｍ，并伴随出现大量裂缝，不得不投入巨资重新进行加固；某连续梁桥，在施工刚刚完成后其跨中下挠很大，不得不对该“新〞桥进行处理。引发桥梁事故的状况可以分为两大类：一是人为事故，一是自然灾难。由人所引起的事故主要原因有：一是因技术条件所限，当时的工程技术界对该类事故缺乏足够认识所造成的（如魁北克桥、米尔福德港桥）。二是消除事故的知识和措施虽已有人说明，但主持或承办工程的人员则由于各种原因在关键处未予贯彻。三是因管理混乱、工作失误、工程质量低劣等所造成的“豆腐渣〞工程（如重庆市纂江彩虹桥事故）。由于自然灾难（洪水、地震等）所引起的事故，则难以完全避免。从以上的桥梁施工事故分析中可以发现：桥梁事故，除去那些天灾之外，大部分是“人祸〞，包括人为失算、人为过错、人为破坏等。对桥梁事故，只要吸取教训，采取对应措施，就可减少同类事故的再次发生或减轻事故产生的后果。人们从这些事故中得到了教益，改进了设计理论和施工方法，加强了施工４武汉理工大学硕士学位论文控制。假使在施工阶段能够预计到结构危险性（通过在关键截面或者难以模拟分析的危险部位安放测试仪器进行重点控制），发现问题并及时采取适当的补救措施，就可能避免事故的发生。因此，对大跨桥梁实施全过程的施工控制工作是十分有必要的。１．３．２桥梁施工控制的必要性１．补充设计的需要一般设计文件中所提的控制数据（如预拱度、各阶段挠度参考值）是基于理论的设计参数和假定的施工方法给出的；因此，当施工条件发生变化时，这些数据也需要随之修正，否则就难以满足施工实际的需要。施工控制不但能起到补充设计和辅助指导施工的作用，更重要的是对影响施工目标实现的各种因素的研究、监测及有关问题的解决。２．施工过程的需要大跨度桥梁的形成需要经过一个繁杂的过程，当跨度进一步增大时，分段数目也就越多，悬臂长度也就越大，在施工过程中遇到的问题也越多。例如：如何对引起结构状态偏差较大的物理参数进行识别修正；如何保证在各阶段桥梁线形偏差在容许范围内；等等。这些方面的问题，假使不能及时有效地处理，不仅会对结构受力不利，而且可能会使主梁线形不顺畅以致影响行车。为了解决好这些问题，最好的方法就是对施工全过程实施实时控制，控制主梁应力和变形误差处于容许范围内，使全桥施工完成后达到规定的成桥状态。３．结构本身特性的需要对高次超静定桥跨结构（多跨连续梁或连续刚构，或斜拉桥），其成桥的梁部线形和结构恒载内力与施工方法有着密切的关系。也就是说，不同的施工方法和工序会导致不同的结构线形和内力。而且，由于各种因素（如材料的弹性模