預(yù)拱度梁橋施工階段

1 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有跨越能力好、受力性能好、變形小、伸縮縫少、行車平順舒適、抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工采用懸臂澆筑工藝，雖然方便了施工，但是在橋梁的整個(gè)施工過程中，其結(jié)構(gòu)體系一直處于變化狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移也隨之變化．為了保證橋梁的施工質(zhì)量和施工安全，橋梁施工控制是必不可少的．上海城建學(xué)院的李國(guó)平等 針對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋施工控制提出線形最優(yōu)施工控制的方法和理論，該理論將成橋線形和施工階段結(jié)構(gòu)變位狀態(tài)作為線性、離散、確定性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最優(yōu)控制對(duì)象，根據(jù)連續(xù)梁橋懸臂澆筑的特點(diǎn)，控制目標(biāo)函數(shù)、約束條件、狀態(tài)與變量以及具體實(shí)施方法等，并在上海吳淞大橋和富春江大橋的施工中得到實(shí)際應(yīng)用．對(duì)于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，在多種因素的影響下橋梁的施工會(huì)伴隨一定的下?lián)?，具體包括梁段自重、預(yù)加力張拉與損失、掛藍(lán) ( 支架) 行走、彈性模量、日照和溫度影響、混凝土收縮與徐變及二期恒載． 因此在連續(xù)梁橋的施工過程中各個(gè)梁段的實(shí)際位置會(huì)發(fā)生與預(yù)期位置偏離的現(xiàn)象，使連續(xù)梁橋永久線型與設(shè)計(jì)線型不一．為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的線形美觀，準(zhǔn)確預(yù)致測(cè)連續(xù)梁橋的預(yù)拱度在橋梁的建設(shè)過程中至關(guān)重要． 灰色系統(tǒng)理論于 20 世紀(jì) 80 年代提出，90 年代初開始應(yīng)用于連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控，是一種被筆者以沈陽(yáng)四環(huán)廣泛認(rèn)可的橋梁監(jiān)控理論在建的西蘇堡特大橋?yàn)槔?，利用灰色系統(tǒng)理論合理預(yù)測(cè)橋梁預(yù)拱度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，研究實(shí)際工程中大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的線型控制方法，結(jié)果表明采用灰色系統(tǒng)理論 GM ( 1，1) 模型可以準(zhǔn)確地對(duì)連續(xù)梁橋預(yù)拱度進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法是一種合理的連續(xù)梁橋預(yù)拱度預(yù)測(cè)方法．

2預(yù)測(cè)模型工程實(shí)踐應(yīng)用

工程概況

西蘇堡特大橋主橋全長(zhǎng)為360 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，跨徑組合為70m 2 × 110 m 70 m，橋梁總寬度為39 m，采用雙幅分離式斷面形式，單箱單室連續(xù)箱梁，每幅寬度為16. 5 m．箱梁采用掛籃對(duì)稱懸臂澆筑施工方法，0 號(hào)塊托架現(xiàn)澆長(zhǎng)度為12 m，兩側(cè)各有14 個(gè)懸澆梁段．單幅有4 個(gè)合攏段，即兩個(gè)邊跨合攏段和兩個(gè)中跨合攏段．

根據(jù)實(shí)際情況，采用MIDAS 有限元分析軟件模擬橋梁的施工過程，建立空間桿系梁?jiǎn)卧?jì)算模型，全橋共94 個(gè)單元，每個(gè)節(jié)段的施工過程模擬為一個(gè)階段模型，每個(gè)節(jié)段的施工過程包括移動(dòng)掛藍(lán)、混凝土澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力三個(gè)工況，邊界條件采用與施工過程一致．

3成橋控制結(jié)果

預(yù)拱度設(shè)置是為了防止在施工過程中產(chǎn)生的撓度影響橋梁合攏乃至橋梁的最終線形，理論計(jì)算的依據(jù)也是橋梁各個(gè)施工階段產(chǎn)生的撓度，因此，可以通過對(duì)梁段撓度的分析體現(xiàn)橋梁預(yù)拱度的設(shè)置是否合理．該連續(xù)梁橋已經(jīng)完成14 號(hào)梁段的澆筑，筆者以5 號(hào)墩箱梁小里程樁號(hào)方向施工控制結(jié)果為例，來說明灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于連續(xù)梁橋施工監(jiān)控的優(yōu)越性 ．

從圖2 中可以看出，數(shù)值和曲線均沒有明顯的突變．采用灰色系統(tǒng)理論之后由于調(diào)整了橋梁的立模標(biāo)高，合攏之后橋梁的實(shí)測(cè)標(biāo)高值與設(shè)計(jì)標(biāo)高值變化趨勢(shì)吻合，保證橋梁線型符合設(shè)計(jì)線型．根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用灰色系統(tǒng)理論后合攏段懸臂端對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)最大高差為15 mm，在20 mm 之內(nèi)，為橋梁的順利合攏提供保障，達(dá)到了施工監(jiān)控的預(yù)期目的．

4 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋懸臂施工是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，可以看成是一個(gè)灰色過程．筆者以西蘇堡特大橋?yàn)槔瑧?yīng)用灰色系統(tǒng)理論GM (1，1)模型，預(yù)測(cè)連續(xù)梁橋施工過程中的預(yù)拱度，由相關(guān)公式推導(dǎo)得到11 號(hào)梁段的預(yù)拱度與實(shí)際值相對(duì)誤差為4. 02% ，其他梁段的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差均不超過8% ，預(yù)測(cè)結(jié)果滿足精度要求，橋梁合攏前，即最大懸臂端澆筑完成，對(duì)應(yīng)懸臂端控制點(diǎn)的最大高差為15 mm，能夠保證橋梁的順利合攏．因此，灰色系統(tǒng)理論可以對(duì)連續(xù)梁橋施工過程中的位移狀態(tài)進(jìn)行有效的控制，保證橋梁線形符合設(shè)計(jì)要求，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值． 2100433B

0前言

橋梁撓度的產(chǎn)生的原因有永久作用撓度和可變荷載撓度。永久作用（包括結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝和附屬設(shè)備的重力、預(yù)應(yīng)力、混凝土徐變和收縮作用）是恒久存在的，其產(chǎn)生撓度與持續(xù)時(shí)間相關(guān)，可分為短期撓度和長(zhǎng)期撓度。永久作用撓度可以通過施工時(shí)預(yù)設(shè)的反向撓度（又稱預(yù)拱度）來加以抵消，使竣工后的橋梁達(dá)到理想的線性。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的預(yù)拱度通常按如下規(guī)定設(shè)置：當(dāng)預(yù)加應(yīng)力產(chǎn)生的長(zhǎng)期反拱值大于按荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度時(shí)，可不設(shè)預(yù)拱度；當(dāng)預(yù)加應(yīng)力的長(zhǎng)期反拱值小于按荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度時(shí)應(yīng)設(shè)預(yù)拱度，其值應(yīng)按該項(xiàng)荷載的撓度與預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期反拱值之差采用。對(duì)于位于豎曲線上的橋梁，應(yīng)視豎曲線的凸起（或凹下）情況，適當(dāng)增（或減）預(yù)拱度值，使竣工后的線性與豎曲線接近一致?？勺兒奢d撓度雖然是臨時(shí)出現(xiàn)的，但是隨著可變荷載的移動(dòng)，撓度大小逐漸變化，在最不利的荷載位置下，撓度達(dá)到最大值，一旦汽車駛離橋面，撓度就告消失。因此在橋梁設(shè)計(jì)中需要驗(yàn)算可變荷載撓度來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛度特性。

1預(yù)拱度計(jì)算

1.1 構(gòu)件的預(yù)拱度

預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件的撓度由兩部分疊加而成：一部分是由外荷載（永久荷載和施工荷載）產(chǎn)生的撓度f₁，另一部分是預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱f₂，兩者的差值就是本文定義的受彎構(gòu)件的撓度f，即f=f₁-f₂。為了保證在外荷載和預(yù)應(yīng)力作用下，梁體既不上彎也不下凹，就必須在梁體預(yù)制過程中設(shè)一個(gè)預(yù)拱度，其值與撓度 f 大小相等，但方向相反。

1.2 預(yù)拱度計(jì)算

（1）計(jì)算模型。以 35 m 中跨 T 梁梁體在預(yù)制、吊運(yùn)、存放階段的拱度變化作為研究對(duì)象，梁體承受預(yù)應(yīng)力和自重作用。假定梁體為等截面，梁的已知條件如下：梁體全截面共配鋼鉸線 30 束，分 3 個(gè)孔道，上中下 3 個(gè)孔道鋼鉸線的束數(shù)分加為9、9、12，鋼鉸線直徑Φ_j=15.24 mm，公稱截面積140 mm,彈性模量E_p=1.95×10Pa，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f_pk=1 860 MPa，控制應(yīng)力δ_con=0.75f_pk=1 395 MPa,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C50，彈性模量 E_c=3.45×10Pa，張拉時(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_cu=40 MPa，梁體自重q=20.7 kN/m,計(jì)算跨度l=34.22 m。

（2）截面幾何特征。經(jīng)計(jì)算，跨中截面幾何特性如下：鋼鉸線重心至截面下邊緣的距離 y1=0.21m；換算截面重心至截面下邊緣的距離 y0=1.256 m；換算截面慣性矩 I =0.494 27 m4 ；凈截面重心至截面下邊緣的距離 yn=1.296 m；凈截面慣性矩 In=0.463 33 m 。

（3）由自重產(chǎn)生的撓度 f1?？缰薪孛鎿隙?f1 可按一般材料力學(xué)的公式計(jì)算，即：f1=5/48×Ml2/B0 （1）式（1）中：M—梁重作用下的跨中彎矩；B0—全截面的抗彎剛度，B0=0.95EcI0，0.95 為剛度折減系數(shù)。將有關(guān)數(shù)值代入，求得 f1=3.07 cm。

（4）由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱 f2。梁體施加預(yù)應(yīng)力后，預(yù)應(yīng)力在梁體中產(chǎn)生偏心預(yù)壓力，梁體產(chǎn)生反拱 f2。在本例中，梁體內(nèi)鋼束的布置為兩段直線夾一段半徑為 5 000 m 的圓曲線。

2 預(yù)拱度的設(shè)置及效果

2.1 預(yù)制梁臺(tái)座頂面處置

設(shè)置預(yù)拱度的方法，是將預(yù)制梁臺(tái)座頂面作成下凹曲面。如果曲線設(shè)置得當(dāng)，則梁體在自重和預(yù)應(yīng)力作用下經(jīng)過一段時(shí)間的變形，梁體將既不上拱也不下凹。考慮到每個(gè)臺(tái)座的循環(huán)次數(shù)較多，施加預(yù)應(yīng)力后臺(tái)座兩端受力下壓，有部分變形不易恢復(fù)，故采取在施工中將臺(tái)座中央下凹 5.40 cm，下?lián)锨€形式為二次拋物線，拋物線方程為 y=0.017 5x2-5.40（式中 x 單位為 m，y 單位為 cm）。

2.2 預(yù)拱度觀測(cè)

由于設(shè)計(jì)的梁型較多，而實(shí)際施工中各種梁型都是按一種預(yù)拱度進(jìn)行控制的，為了使觀測(cè)結(jié)果更具有代表性，我們選取了跨徑和截面型式相同的 2 片鐵路橋梁、4 片公路橋梁共 6 片梁進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間分別為存梁的第 1、第 10、第 30、第 60、第 90、第 120、第 180 天共 7 個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

可以看出，梁體撓度值的變化有以下特點(diǎn)：

（1）經(jīng)過 80 d 的存梁期后，梁體的撓曲變形仍未停止，部分變形將在使用階段完成。

（2）梁體上撓值隨時(shí)間增加而減小，但上撓值的變化與時(shí)間并不成線性關(guān)系。在施加預(yù)應(yīng)力初期，上撓值的變化較快，隨梁體混凝土齡期的延長(zhǎng)，上撓值的變化越來越慢。

（3）鐵路橋梁的上撓值的變化要比同條件下公路橋梁的上撓值要大。一般情況下，在梁體施加完預(yù)應(yīng)力后，鐵路橋梁的上撓值要減少 2.5 cm 左右，而公路橋梁的上撓值要減少 1.5 cm 左右，在經(jīng)過相同的存梁期后，鐵路橋梁的剩余上撓值要小于跨公路橋梁。

（4）同為鐵路橋梁或同為公路橋梁，施加完預(yù)應(yīng)力后梁體的預(yù)拱度值經(jīng)過相同存梁時(shí)間后剩余的預(yù)拱度值亦不相同。

2.3.2 原因分析

（1）梁體預(yù)拱度變化除與梁體自重、施加預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)外，還與混凝土的收縮徐變有關(guān)，而后者又與張拉時(shí)梁體的混凝土強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)和加載齡期以及使用過程中外部環(huán)境條件等有關(guān)。施加預(yù)應(yīng)力大小是跨鐵路梁與跨公路梁預(yù)拱度變化相差較大的主要原因，因?yàn)檫@兩種梁自重相差很小，但鋼絞線的配置卻相差較大，跨鐵路梁要比跨公路梁多配置 3～5 根鋼絞線，控制張拉力相差 585.9～976.5 kN。

（2）不同的臺(tái)座或同一臺(tái)座預(yù)制不同的梁時(shí)，其下?lián)锨€與設(shè)計(jì)的并不完全相同，這是造成同一種梁型，施加相同的預(yù)應(yīng)力后，經(jīng)過相同的時(shí)間剩余的預(yù)拱度各不相同的主要原因。在今后的施工中，應(yīng)針對(duì)不同的梁型設(shè)置不同的預(yù)拱度值，使預(yù)拱度的設(shè)置進(jìn)一步趨于合理。