高墩大跨径桥粱施工中的结构及变形监控分析

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【摘 要】在高墩大跨径桥粱的实际施工过程中，受环境和施工技术的影响，桥梁结构的受力状态可能发生较大变化。本文以某在建桥梁为依托，分析了桥梁截面特性、容重、预张力误差、收缩徐变等参数的变化对桥粱结构受力的影响程度。

【关键词】施工监控；高墩大跨径桥；变形监控

高墩大跨径桥是在预应力混凝土连续梁桥和T型刚构桥基础上发展起来的一种新型连续结构。因为这种桥梁力线突出、层次分明，桥面平坦，特别适合地貌起伏较大的山区。从受力角度，高墩大跨径桥梁主梁与桥墩固结、整体性好，有利于抗震；桥墩高而柔，顺桥向抗推刚度小，能减小温度、收缩徐变等附加载荷的次应力影响；抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大，能满足特大跨径桥梁的受力要求。由于上述种种优点，高墩大跨径桥梁在我国南方及西部山区的高等级公路上得到广泛的应用。

然而，由于普遍采用高强材料和薄壁结构，高墩大跨径桥梁施工中的变形和稳定性问题非常突出。又由于此类桥梁大都采用节段施工方法，施工周期较短，混凝土的弹性模量变化、徐变收缩等时效因素的影响显著。总之，受环境和施工技术的影响，桥梁结构的实际状态不能与设计理想状态相符，因而需要在施工过程中对桥梁进行结构和形变的监控。

一．高墩大跨径桥梁的施工控制

施工监测是桥梁施工控制中的最基本手段之一，其目的在于确保在施工过程中桥梁结构的内力和变形始终处于安全容许范围之内，确保成桥状态符合设计要求。施工过程中的结构和变形监控主要从几何控制和变形控制两个方面进行。

几何控制受环境和施工技术的影响，桥梁结构在施工过程中容易发生变形、偏离设计的预期状态，使桥梁难以顺利合拢。几何控制的目的是使桥梁结构在施工中的实际状态与设计预期间的误差在可容许的范围之内，使桥梁达到设计的几何状态。按照《公路工程质量评定标准》，误差容许值与桥梁规模、跨径大小相关。在正式施工之前，应该首先拟定出每道工序的几何控制误差。

应力控制应力监控是大跨径桥梁施工监控的核心工作之一，其目的在于检验桥梁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合。通常通过结构应力的监测来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论应力状态的差别超限就要查找原因和进行调控，使之在允许范围内变化。总所周知，混凝土具有收缩徐变特性，由于应力测试是通过应变测试来实现的，而应变仪采集到的应变数据中，一部分会产生应力，另一部分不会产生应力。不会产生应力的部分应变称为非应力应变，在应力监控的过程中要特别注意到采用合适的理论方法剔除记录到的总应变中的非应力应变，以获得真实的应力值。结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，若应力控制不力将会给桥梁结构造成危害，情况严重者甚至会发生结构破坏。所以，必须严格实施结构应力监控，包括：

1．结构在自重下的应力(实际应力与设计不宜超过5%)；

2．结构在施工荷载的应力（实际应力与设计相不宜超过50%）；

3．结构预加力；

4．温度应力，特别是大体积基础、墩柱等；

5．其他应力，如基础变位、风荷载、雪荷载等引起的结构应力；

6．施工中用到的对桥梁施工安全有直接影响的支架、挂篮、缆索吊装系统等的应力在安全范围内。

二．结构和变形监测方法

施工监测系统是高墩大跨度桥梁施工控制系统中的一个重要部分，各种桥梁施工控制中都必须根据实际施工情况与控制目标建立完善的施工监测系统。通过施工监测系统的建立，跟踪施工过程并动态获取结构的真实状态，不仅可以修正理论设计参数，保证施工控制预测的可靠性，同时又是一个安全警报系统，可及时发现并避免桥梁结构在施工过程中出现的超出设计范围的参数以及结构的破坏。监测的内容包括几何、温度以及力学指标等内容。

结构分析方法：桥梁施工过程的结构分析一般采用有限元法。有限元法是随着计算机的发展以及为适应复杂结构分析需要而发展起来的一种有效的数值分析方法，将连续体分成有限个微小单元，单元间相互由节点连接的理想节点系统。

几何监测：在每个桥墩承台顶、桥墩顶各设2个对角观测点在悬臂浇筑梁段前端主梁顶面的腹板中心和箱梁截面中心处布设三个测点，在每个标准梁段的施工过程中，观测挂篮移动后、硅浇筑完成后和预应力张拉完成后挂篮移动前、四个工况下主梁悬臂节段前端6个梁段的标高。在合拢前、后，对全桥的标高作一次全面复测。

应力监测：在每跨支点附近截面、1/4截面、3/4截面和跨中截面处布置应力观测元件，以观察在施工过程中这些位置的应力变化及应力分布情况。

三．桥梁结构和变形的影响因素

1．结构自重的影响

桥梁施工大都采用现场浇筑的混凝土结构，由于容重变化、超厚、涨模所引起的结构自重出现误差是经常发生的事情，并且有不少桥梁误差还比较大，如天津永和桥的自重误差就达5%以上。由于现在桥梁结构设计中钢筋数量普遍偏多，实际施工中钢筋混凝土的容重就偏高，而设计规范中的取值则偏低。旅工过程中，模板的放样也存在很大的误差，加上模板有一定的刚度，容易出现胀模现象，这些都有可能导致结构截面尺寸偏大，造成结构自重增大。基于结构自重对桥梁的较大影响，在监控过程中要对其进行必要的参数估计和调整。具体办法可通过在悬臂根部截面处的箱梁顶底板内埋置应力传感器来确定块件的实际重量。

2．结构刚度的影响

桥梁的结构刚度主要由结构材料的弹性模量、截面几何特性和以及结构的支撑条件来决定，和桥梁的结构变形有直接关系。对通常遇到的超静定结构来讲，弹性模量对结构分析结果有一定的影响，但施工成品构件的弹性模量总与设计采用值有一定的差别。根据实际经验，施工中的混凝土弹性模量一般偏高10%左右。所以，在施工过程中要根据施工进度做经常性的现场抽样试验，随时在控制中对弹性模量的取值进行修正。

3．预加应力的影响

预加应力是预应力混凝土结构内力与变形控制考虑的重要结构参数，但预加应力值的大小受很多因素的影响，包括张拉设备、管道摩阻、弹性模量等。控制中要对其取值误差做出合理的估计。初始施加预应力误差对主梁挠度和主梁截面应力有非常大的影响。

4．收缩徐变的影响

在桥梁施工过程中，混凝土结构材料收缩、徐变对结构内力、变形有较大的影响。这主要是由于大跨径连续梁桥施工中混凝土普遍加载龄期小、各阶段龄期相差大等引起的。收缩徐变较大时发生的变形甚至可以导致桥梁产生裂缝。现有的计算理论又不能较好地反映其演化历程，使得许多桥梁在运行多年甚至才几年时间，就出现了跨中严重下挠的现象。

四．结论

高墩大跨径桥梁施工中的结构和变形监控目的就是要确保桥梁施工过程中结构的安全，保证桥梁成桥线形及受力状态符合设计要求。桥梁结构在施工过程中经历多次体系转换，随着施工过程变化，桥梁实际状态与设计理想状态的误差必然导致主梁各节段的内力值和位移值与设计值偏离。为保证工程质量，需要有一个科学合理的施工控制系统，来综合考虑各种影响因素，严格监控整个施工过程中结构的变形、应力情况，达到指导施工的目的，以确保桥梁的成桥线形及结构受力状态符合设计要求。

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