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某连续梁桥悬臂施工中的有限元仿真分析 摘要 预应力混凝土连续梁桥以其优良的结构性能成为大跨径桥梁建设时的主要 桥型之一。但是随着其跨度的不断增大，其对施工中的要求越来越高，也给施 工带来了一些不便，甚至也出现了一些问题。 本文以某连续梁桥施工监控项目中的实际情况为背景，对桥梁悬臂浇筑施 工监控方法以及施工监控中应该注意的问题进行了分析。运用大型通用有限元 软件a n s y s 建立桥梁结构的计算模型，对桥梁整个施工过程进行仿真分析， 分析计算出的结果具有很高的实用性，为桥梁施工立模以及结构的受力状态提 供了有效的依据。通过对桥梁结构温度场的模拟，分析了温度效应对桥梁悬臂 施工过程中的影响，为更好的控制桥梁线形提供了参考资料。这些分析对深入 开展同类桥梁施工研究有一定的理论指导意义。 关键词：连续梁桥；悬臂浇筑施工；a n s y s ；仿真分析；温度效应；桥梁线形 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fc o n t i n u o u sg i r d e r b r i d g ei nc a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o n a b s t r a c t p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sc i r d e rc r i d g e h a sb e n nw i l d l yu s e di n l o n g s p a nb r i d g ef o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei ns t r u c t u r e b u ta l o n gw i t hi t ss p a n u n c e a s i n g l yi n c r e a s i n g ，t h ec o n s t r u c t i o nr e q u e s t i sh i g h e r ，a l s ob r i n g ss o m e i n c o n v e n i e n c ei nc o n s t r u c t i o n ，a n de v e nt h e r eh a v eb e e ns o m ep r o b l e m s t h i sp a p e rt a k et h ea c t u a ls i t u a t i o ni nc o n t i n u o u sb e a mb r i d g ec o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n gp r o je c t sa st h eb a c k g r o u n d ，a n a l y z e dc a n t i l e v e rb r i d g e c o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n gp o u r i n gw a y sa n dt h ep r o b l e mc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gs h o u l db ep a i d a t t e n t i o nt o s e tu pab r i d g es t r u c t u r ec a l c u l a t i o nm o d e lw i t hl a r g eg e n e r a l p u r p o s e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，w h i c hc a r r i e so nt h es i m u l a t i o na n a l y s i sw i t h b r i d g et h r o u g ho u tt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a n a l y s i so fc a l c u l a t e dr e s u l t sh a sh i g h r e l e v a n c e ，p r o v i d ea ne f f e c t i v eb a s i sf o ri n s t a l lt e m p l a t ei nb r i d g ec o n s t r u c t i o na n d s t r u c t u r eo fp o w e rs t a t u s t h r o u g hs i m u l a t e dt e m p e r a t u r ef i e l do fb r i d g es t r u c t u r e ， a n a l y s e dt h et e m p e r a t u r ee f f e c ti nt h ep r o c e s so f c a n t i l e v e rb r i d g ec o n s t r u c t i o n ， p r o v i d e dr e f e r e n c ef o rc o n t r o lo ft h eb r i d g el i n e a r b e t t e r s u c ha n a l y s i sp r o v i d e s i g n if i c a n c e o ft h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o r d e p t h s t u d y o ft h es i m i l a rb r i d g e c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c h k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sb e a mb r i d g e ；c a s t i n - p l a c e c a n t i l e v e rm e t h o d ；a n s y s ； s i m u l a t i o na n a l y s i s ；t e m p e r a t u r ee f f e c t ；l i n eo fb r i d g e 插图清单 图2 1 施工过程的参数分析流程7 图2 2 主梁应力测试断面图1 4 图2 3 该桥施工监控体系1 7 图3 1s o l i d 9 5 单元的几何模型2 1 图3 2l i n k 8 单元几何模型2 l 图3 3 桥梁施工仿真分析的流程图2 6 图4 一l 纵向音0 面图2 7 图4 2 箱梁横断面图2 7 图4 3 单t 悬臂施工布置图2 8 图4 4 有限元模型网格划分3 3 图4 5 部分施工阶段边界条件3 5 图4 6 各块段浇筑后的施工模拟图3 7 图4 - 7 求解器及其相关选项3 8 图4 - 8 悬臂施工各阶段的主应力云图4 1 图4 9 各悬臂施工阶段竖向位移云图4 3 图4 1 0 第2 6 施工阶段累计挠度曲线图4 4 图4 1 1 部分施工阶段挠度变化对比图5 1 图4 1 2a n s y s 计算与现场测试挠度变化对比图51 图4 1 34 号墩左幅部分施工阶段应力对比图5 3 图5 1 英国b s 一5 4 0 0 规定的升温曲线5 6 图5 2 澳大利亚道路局规定的温差曲线5 6 图5 。3 美国a a s h t o 规定的温差曲线5 6 图5 4 我国公路桥规规定的日照温度梯度5 6 图5 5 载荷一时间曲线图5 8 图5 - 6 箱梁内外大气温度变化5 9 图5 。7 梁段在温度梯度下的变形6 0 图5 8 某时刻温度梯度云图6 0 图5 9 竖向变形云图6 0 表格清单 表2 1 施工阶段划分图1o 表3 1 具有生死功能的单元类型2 2 表4 1 材料特性参数表3 2 表4 2 各施工阶段的竖向位移值4 5 表4 3 左幅4 号墩根部处t l 方向应变测试数据4 5 表4 - 4 左幅4 号墩根部处x c 方向应变测试数据4 7 表5 1 英国b s 一5 4 0 0 升温曲线中时间与温度的取值5 6 表5 2 美国a a s h t o 温差曲线中温度取值5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：( 量2签字日期：口7 年午月 r ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：7 年锄，日 l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 铆虢彳钉纠诈 签字日期砷彳月矿日 电话：b 碧艿7 t c 侈 邮编： 致谢 本文是在导师何沛祥副教授的悉心指导下完成的。从课题的选取、资料的 收集到论文的撰写，何老师都给予了精心的指导，提出了许多宝贵的经验和建 议。在三年的学习中，导师严谨求学的治学态度，精益求精的敬业精神，高尚 的人格品质，值得我终生学习。导师不仅在学习上给予我全面的指导，在平时 生活中也给了我无微不至的关怀。在论文撰写的过程中，还得到了胡成副教授 精心的指导，使我受益匪浅。在此，谨向两位老师表示我衷心的感谢。 感谢研究生期间所认识的同学和朋友，感谢所有关心和帮助过我的人，感 谢在论文撰写过程中给予我支持和帮助的同学和同门们! 感谢多年来一直关心我学习与成长的父母和家人，他们的为人与处事是我 一生学习的榜样。 作者：王义 2 0 0 9 年2 月2 6 日 第一章绪论 1 1 引言【l 】 预应力混凝土的研究、发展历史已有一百余年了，作为一种复合建筑材料 用于桥梁结构还只有五十余年的历史。早在l8 6 1 年人们就提出对混凝土施加预 压应力的设想，并开始了各种尝试和研究工作。然而，直至本世纪2 0 年代前， 大多数的尝试与研究都遭到了失败。主要原因是材料强度不高，所施加的预压 应力又因混凝土的收缩、徐变影响而消失殆尽。在前六十余年的历程中，预应 力混凝土处在萌芽阶段人们在失败的教训中对它有了更深一步的了除而且发 现了在混凝土中建立可靠预应力的一些关键问题，如： 1 必须提高材料强度，保证所施加的预应力在各种客观因素导致的损失 后，尚能保持一定的永存预应力； 2 必须研究高强度材料的物理力学特征，特别是混凝土的收缩、徐变特 性； 3 必须研究可靠的预应力施工工艺，锚固体系。 1 2 预应力混凝土桥梁发展简况【1 】1 2 】1 3 】 在近几十年来，预应力混凝土桥梁的发展速度迅猛异常。在5 0 年代，最大 跨径已达到1 1 4 2 m 联邦德国的胡尔媳斯桥为t 型刚构体系；6 0 年代，最 大跨径为2 3 5 m 委内瑞拉马拉开波桥为斜拉桥；7 0 年代3 2 0 m 的法国布台东 桥为斜拉桥；8 0 年代，最大跨径为4 4 0 m 1 9 8 3 年建成的西班牙卢纳也里焚 斯桥亦为斜拉桥。我国的预应力混凝土桥梁在5 0 年代才刚开始研究，仅应用于 小跨简支梁桥，最大跨径仅为3 2 m ；6 0 年代为1 2 4 m 广西柳州大桥，t 型 刚构；7 0 年代为17 4 m 四川重庆长江大桥，亦为t 型刚构；8 0 年代，最大 跨径为2 6 0 m 天津永和桥，为斜拉桥。2 0 0 8 年竣工的苏通大桥主跨1 0 8 8 米 为世界上最大跨径斜拉桥。预应力混凝土桥梁不但在跨径上己挤身于过去为钢 桥所霸占的大跨径范畴，而且在建桥数量上已遥遥领先。在预应力混凝土桥梁 发展较早的一些欧洲国家，如德国、法国、端士、比利时等国的预应力混凝土 桥梁的建桥总面积( 以桥面面积记) ，在近十余年中已上升到7 5 8 0 。我国近 十来，在公路桥梁的中等与大跨径桥梁方面，共建桥总数也已上升到7 5 左右。 因此，回顾一下预应力混凝土桥梁的发展历史是十分必要，也非常有益于 展望今后的发展方向。 1 3 预应力混凝土连续梁桥的施t t 4 】【5 】 桥梁的施工应包括选择施工方法，进行必要的验算；选择或设计、制造施 工机具、设备；选购与运输建筑材料；给排水、电、动力、生活设施以及施工 计划、组织与管理等方面的事务。预应力混凝土连续粱桥在施工过程中常常会 出现体系转换，因此施工阶段的应力与变形必须在结构设计中予以考虑。不同 的施工方法，在施工各阶段的内力也不同，有时结构的控制设计出现在施工阶 段。所以，对连续粱桥，设计与施工是不能也无法截然分开的。结构设计必须 考虑施工的方法、施工内力与变形；而施工方法的选择应符合设计的要求，形 成设计与施工互相制约、相互配合、不断发展的关系。 回顾混凝土连续梁桥的发展，可以清楚地看到：施工技术的发展对桥梁的 路径、桥梁的绕型、截面型式等方面起着重要的作用。初期的混凝土连续粱桥 采用搭设支架就地浇筑的施工方法，桥梁的路径多为3 0 - - - 4 0 m ，由于施工工期 长，并要用大量木材，因而建造连续粱桥数量很少。六十年代初期，悬臂施工 方法从钢桥引入预应力混凝土桥后，使预应力混凝土连续梁桥得到了迅速发展。 它可以不用或少用支架，不影响河道通航，将桥梁逐段悬臂施工，其跨越能力 已进展到2 0 0 m 以上，因而扩大了混凝土连续梁桥的运用范围。连续梁桥因具 有跨径大、造型协调、行车条件优越等特点，使预应力混凝土连续梁桥近几十 年来在桥梁方案的竞争中常常取胜。 每一种施工方法都有优点，也存在不足之处，如悬臂施工法的施工设备是 由桥墩开始向两侧对称移动施工，当某墩悬臂施工完成后，它的施工设备需 要从悬臂端部拆除，移运到另一桥墩上安装，之后继续悬臂施工。渐进施工法 是从悬臂施工中引伸出的一种施工法。渐进施工采用一套设备，从桥的一端开 始，非对称悬臂施工到桥墩，为了解决单边受力，施工中需要有临时结构负担 施工荷载和悬臂自重，通常采用斜缆式吊索完成，钢索的拉力可由钢塔下的竖 向千斤顶调整，也可用搭设临时排架的方法安装。施工时，施工的用具、材料 或预制构件均由已完成的粱上纵向运到施工现场：甚至桥墩也可在桥梁悬臂状 态进行施工，待桥墩完成后，移动支承体系，继续悬臂施工。 渐进法是种几乎不占施工场地，不需拆除悬臂施工设备的连续施工法。 但这一施工方法使施工设备与施工技术复杂化了，工期也较长。因此实际应用 较少，除非是有关部门限定了施工现场。例如美国位于北卡罗来纳州老爷山附 近的林库夫商架汛地处风景游览区，无施工现场可以利用，就是采用渐进法施 工的。为了改进悬壁施工法中施工设备的拆装、移运工作，后来又发展了应用 导梁的悬臂施工方法。 随着桥梁结构的发展，对施工方法提出了各种不同的要求，促进了施工方 法的发展来满足各种结构的需要。当桥梁的跨径主要考虑经济分孔，一般为 3 0 - - - 5 0 m 时，常采用等截面，在施工上需要连续多跨施工，则要求施工快速、 简便，使用一套机器设备连续作业。因此，出现了逐孔架设法、移动模架法等 施工方法。同时就一种施工方法而言，也有多种情况适应不同的要求。如逐孔 2 架设法，既有分节段拼装的逐孔施工，又有整孔预制吊装的逐孔施工；既可使 用大型起重帆具，又可仅需简易起重设备的方法，可以根据不同要求选择。移 动模架法是采用大型施工设备，就地逐段完成桥梁施工。在桥位上完成模板、 钢筋、混凝土浇筑、张拉工艺、养生等一系列工作后纵移施工设备连续施工。 它相当于将桥梁的预制厂移到桥位，在高空中施工。因此，移动模架法有“活动 预制厂”之称。它对于大型桥梁工程的施工走向工厂化、机械化、自动化和标准 化，而不需移运、吊装工序，是一种有效的尝试。顶推法施工用于建造预应力 混凝土连续梁桥，使这种桥梁获得了重大的生命力。顶推法仅采用少量的施工 设备，来完成大桥的施工，而且能保证预制质量，易于施工管理，对周围环境 没有噪声。近年来，采用项推法施工的预应力混凝土连续梁桥也有一定数量， 并在不断提高其适用性。随着科学技术的发展和对施工的不同要求，还会出现 更多的、适应各种不同条件的施工方法。 预应力混凝土连续梁桥的施工方法很多，不同的施工方法所需机具设备、 劳力不同，施工的组织、安排和工期也不一定为了便于阐述，对比较相近的方 法做适当的归并。至于施工方法的选择，应根据桥梁的设计、施工的现场、环 境、设备、经验等因素决定。可以说，绝对相同的施工方法与施工组织是不存 在的。因此必须结合具体实际，切忌生搬硬套。施工方法的选挥是否合理将影 响整个工程的造价涉及施工质量和完成工期。当今的桥梁工程建设，施工必将 会起着更加重要的作用。 1 4 挂蓝施工 悬臂浇筑采用的挂蓝形式多样，在挂蓝拼装完成后，正式使用前须进行加 载试验。通过加载试验检验挂篮主桁架的承载能力，实测挂篮变形值，以验证 设计参数，为悬浇施工中的变形及高程控制提供可靠依据1 6 】。 在砼开始浇筑前，应对挂篮进行全面检查，重点是后锚系各处锚杆。 当砼强度达到设计要求强度后，按照设计要求进行预应力张拉，当预应力 张拉完毕后，进行压浆。在梁段砼强度达到设计及施工技术规范要求张拉预应 力束、压浆后，挂篮前移；挂篮空载行走时，由后端进行压重或采用锚固的办 法，使其抗倾覆稳定系数不小于1 5 ，挂篮总重不超过设计规定的重量；挂篮行 走到位时，采取跟踪测量保证挂篮位置和高程的准确，其误差：顺桥向不大于 1o m m ，横桥向不大于5 m m ，在横桥向两边支点相对偏差不大于5 m m 。 1 5 桥梁施工控制 对于悬臂施工的连续梁桥，其后一块件是通过预应力筋及混凝土与前一块 件相接而成，因此，每一施工阶段都是密切相关的，分析各施工阶段及成桥结 构的外形和受力特性必不可少，施工控制理论计算主要是对各节段施工工况下 3 的相应截面的应力、位移进行分析，作为监测和施工控制的依据。目前桥梁施 工控制的结构计算方法主要包括：正装分析法亦称“前进分析法”、倒装分析法 亦称“倒退分析法”和无应力状态计算法【。7 】【引。正装计算法能较好地模拟桥梁结 构的实际施工过程，得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，同时能 较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力 混凝土桥梁，首先必须进行正装计算。施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加 载顺序的逆过程( 倒装计算法) 来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装 计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设 计要求。无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础， 将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法特别适用 于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。计算中结构载荷应包括：混凝土自重、挂 篮自重及钢筋、人员和设备的重量，挂篮移动各施工阶段的施工荷载，同时考 虑二期恒载的重力；预应力索张拉力；温度荷载、风荷载及与结构的形成过程 有关的荷载，如混凝土的收缩徐变等，这些荷载能引起结构的附加变形和应力。 一般而言，以正装计算结果作为应力监测的依据，以倒装计算结果作为预拱度 控制的依据。 1 5 1 施工控制的必要性 桥梁结构设计时，参数的选取( 如材料特性、密度、截面特性等) 、施工状 况的确定( 施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数) 和结构分析模型等诸多因素的影响，以及混凝土材料的非均匀性和不稳定性， 大跨度预应力混凝土连续梁、t 型刚构、连续刚构等梁桥施工过程中结构的实 际状态与设计状态很难完全吻合。而且悬臂分节段施工，是一个复杂的施工过 程，各施工阶段是一个连续、系统的施工体系，前期工作的成果直接影响后期 阶段的结果，且由于连续刚构桥梁自身的特点，特别是施工标高偏低的情况是 很难在后续阶段予以弥补的。因此，在桥梁悬臂施工过程中，必须对施工预拱 度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。目前施工控制方法主要有3 中： 一是采用纠偏终点控制法；二是应用现代控制理论中的自适应控制法；三是设 计时给予主梁标高和内力最大的误差容许值控制法。 1 5 2 桥梁施工控制结构分析【9 】 大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工控制包括两个方面的内容：变形控制 和内力控制。变形控制就是严格控制每一阶段箱梁的竖向挠度，若有偏差并且 偏差较大时，就必须立即进行误差分析并确定调整方法，为下一阶段更为精确 的施工做好准备工作。内力控制则是控制主梁在施工过程中以及成桥后的应力， 使其不致过大而偏于不安全或造成主梁的破坏。 4 悬臂施工属于典型的自架设施工方法。由于连续梁桥在施工过程中的已成 结构( 悬臂阶段) 状态是无法事后调整的，所以，针对本桥的结构和施工特点， 在施工监控中主要采用预测控制法。预测控制法是指在全面考虑影响桥梁结构 状态的各种因素和施工所要达到的目标后，对结构的每一施工阶段形成前后的 状态进行预测，使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态间有误差 存在，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测中予以考虑，以此 循环，直到施工完成并获得和设计相符合的结构状态。 连续梁桥施工控制主要体现在施工控制模拟结构分析、施工监测( 包括结 构变形预应力监测) 、施工误差分析及后续施工状态预测几个方面。 1 6 本论文研究的主要内容 本文以某高速公路悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁桥施工监控为工程背景， 在该桥实际施工中，虽然可采用各种施工计算方法算出各施工阶段的预抛高值、 位移值、挠度，但当按这些理论值进行施工时，结构的实际变形却未必能达到 预期的结果。考虑到该桥悬臂浇筑挂篮施工，最终结构的形成还要经历一个漫 长而又复杂的施工过程以及结构体系转换过程，要保证桥梁成桥线形及受力状 态基本符合设计要求，必须通过合理的施工仿真模拟计算，来确定桥梁结构施 工过程中每个阶段在受力和变形方面的理想状态。 本文以预应力混凝土连续梁桥的悬臂施工中的结构分析为研究对象，客服 目前国内桥梁结构分析软件多用平面杆系有限元进行简化计算的缺点，把 a n s y s 软件引入该桥型的结构分析中，建立更加吻合实际桥梁模型的空间有限 元计算模型，以获得更加真实的结构响应行为。本文对施工监控的一些方法及 监控的内容做了简单阐述，对桥梁施工过程中的温度效应进行分析，并提出了 施工监控中应该注意的一些问题。通过a n s y s 仿真模拟计算悬臂桥梁施工过程 中的应力和应变，并与现场观测数值对比，为更好的控制桥梁的受力和线形提 供了参考依据。 第二章悬臂桥梁施工监测 2 1 桥梁构造 某悬臂桥梁上部结构为跨径4 0 m + 4 x 7 0 m + 4 0 m 的变截面单箱单室、垂直腹 板的预应力连续梁。箱梁顶宽1 3 3 m ，底宽7 o m 。梁底缘按二次抛物线变化， 腹板厚6 0 c m ，底板厚度6 0 c m 一3 2 c m ，顶板厚度2 8 c m ，根部梁高3 5 米，跨中 梁高1 8 米，箱梁采用c 5 0 号混凝土。箱梁顶面设2 o 单向横坡。 箱梁采用三向预应力体系，纵横向预应力均采用低松弛高强钢绞线，公称 直径巾1 5 2 4 m m ，标准强度1 8 6 0 m p a 。全桥纵向预应力筋分别采用1 9 、1 6 、1 2 股钢绞线，配a m l5 一l9 、a m l5 一l6 、a m l5 1 2 锚具，横向预应力采用4 股钢绞 线，配b m l5 - 4 和b m l5 - 4 扁锚，竖向预应力采用o1 3 2 高强精轧粗钢筋，配y g m 3 2 和y g b 3 2 锚具。纵向预应力钢束采用平、竖弯相结合的方式布置，两端张拉， 横向预应力钢束以曲线形式布置于项板上缘，一端采用固定锚预埋于翼缘板， 在另一端张拉，竖向预应力钢束以直线形式布置于腹板，下端预埋，在箱梁顶 面张拉。 该桥上部结构采用悬臂浇筑法施工，单t 划分l9 个梁段( 不包括合拢段) ， 9 个悬浇阶段，施工最大悬臂长度3 4 米，悬臂块件最大长度4 0 米，最大重量 10 8 2 t 。主墩临时锚固用1 3 2 m m 精轧螺纹粗钢筋，配y g m 3 2 锚具。箱梁结构 0 # 段采用支架浇筑法。该桥主桥0 # 段长4 o m ，箱梁顶板宽1 3 3 m ，底板宽7 o m 。 箱梁底板厚6 0 c m ，腹板厚6 0 c m ，顶板厚2 8 c m 。o # 段混凝土方量为：7 4 m 3 ，节 段重量约为1 9 2 5 t 。 该桥连续箱梁采用挂篮悬浇施工，半幅主桥分五个“t ”单元，各单“t 箱梁除0 撑段外分9 对梁段，在0 号块上拼装挂篮，然后分阶段前移挂篮，浇筑 各节段并且分批张拉各节段悬浇钢束，锚固在各节段端面。箱梁纵向分段长度 为5 4 o m + 4 3 m ，0 号块长度为4 o m 。合拢段长度为2 o m 。 2 2 施工监控方法 施工监控过程是一个“施工一测量一误差分析一参数调整一预报”的循环 过程，必须在施工过程中全程跟踪计算，根据现场实际情况变化，不断调整、 完善计算参数以满足设计对线形及内力的要求。 针对该桥，图2 1 给出了施工监控过程的参数分析流程。 2 3 结构计算分析 2 3 1 施工监控结构计算【1 0 】【1l 】【1 2 】 在开始施工之前，对该桥在每一施工阶段的应力状态和线型有预先的了解， 需要对其进行结构计算。该桥的施工控制计算除了必须满足与实际施工方法相 6 符合的基本要求外，还要考虑诸多相关的其它因素。 图2 - 1施工过程的参数分析流程 ( 1 ) 施工方案 连续梁桥的恒载内力、挠度与施工方法和旌工程序密切相关，施工控制计 算前首先对施工方法和施工程序进行研究，并对主梁架设期间的施工荷载给出 一个较为精确的数值。在开始施工前，施工单位应给出挂篮的荷载值及刚度值 ( 或变形) ，监控单位将根据此数据进行计算分析。 ( 2 ) 计算图式 本桥连续梁部分要经过墩梁固结一悬臂施工一边跨合拢一次中跨合拢一中 跨合拢一解除墩梁固结的过程。在施工过程中结构体系不断发生变化，故在各 个施工阶段应根据符合实际情况的结构体系和荷载状况选择正确的计算图式进 行分析计算。 ( 3 ) 结构分析程序 对于连续梁桥的施工控制计算，采用空间结构分析方法以满足施工控制的 需要，结构分析采用a n s y s 程序进行控制计算。 ( 4 ) 预应力影响 预应力直接影响结构的受力与变形，施工控制应在设计要求的基础上，充 分考虑预应力的实际施加程度，为反映工程实际情况，通过前几个悬浇节段回 归统计来确定摩阻损失的计算参数。 ( 5 ) 混凝土收缩、徐变的影响 7 混凝土的收缩、徐变对结构的测试应力和施工阶段中的梁体挠度有较大 影响，必须加以考虑，计算按照规范规定的收缩、徐变系数进行分析。 ( 6 ) 温度 桥梁施工过程中，环境温度的大小及日照温差会影响到结构体系内的内力 分布，并且，结构温度变形还影响到施工中构件的架设精度及测量精度。对日 照温差影响较大的情况，一般要求标高测量在清晨日照前进行。- ( 7 ) 施工进度 本桥的施工控制计算需按照实际的施工进度以及确切的合拢时间分别考虑 各部分的混凝土徐变变形，按照施工单位给出的施工进度计划进行分阶段计算。 2 3 2 施工控制的计算方法 悬臂浇筑施工桥梁的最终形成需经历一个复杂施工过程以及结构体系转换 过程，对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析，是桥梁结构施工控制中 最基本的内容。 2 3 3 施工控制计算内容 在施工控制开始前，根据设计图及施工单位提供的施工技术方案，对结构 进行全过程施工模拟计算。根据计算结果对桥梁结构在施工过程中的应力按规 范要求验算，并与设计单位核对计算结果。 主要结果是： ( 1 ) 各梁段挂篮前移定位的控制截面的混凝土应力和结构挠度； ( 2 ) 各梁段浇筑梁段混凝土前后的控制截面混凝土应力和结构挠度； ( 3 ) 各梁段张拉预应力后的控制截面混凝土应力和结构挠度； ( 4 ) 合拢段临时连接前后的控制截面混凝土应力和结构挠度； ( 5 ) 合拢段浇筑混凝土前后的控制截面混凝土应力和结构挠度； ( 6 ) 桥面铺装完成后的控制截面的混凝土应力和结构挠度； ( 7 ) 运营十年后的控制截面的混凝土应力和结构挠度。 2 4 主要计算参数和假定 ( 1 ) 主要材料特性 主梁采用c 5 0 号混凝土，混凝土比重采用2 6 t m 3 ，c 5 0 号混凝土抗压弹性 模量为3 5 5 10 4 m p a ，混凝土的收缩、徐变对结构的测试应力和施工阶段中的 梁体挠度有较大影响，必须加以考虑，计算按照规范规定的收缩、徐变系数进 行分析，以便更加符合结构的实际变化。 混凝土抗压强度、弹性模量及容重由施工单位提供，每节混凝土浇筑时， 现场取样1 - 3 组，试验时取几组试件做混凝土7 天和2 8 天的静弹性模量测试， 8 试件从施工现场取样后进行试验室试验。试验前的试件应保持与原结构养护地 点相似的干湿状态。用其平均值作为混凝土施工控制计算中的实测值。混凝土 的容重、强度参数直接使用施工单位进行的此类常规测试的资料。 预应力采用钢绞线束施加，钢绞线弹性模量取1 9 5x1 0 5 m p a ，钢绞线采用 a s t m 标准，抗拉标准强度为1 8 6 0 m p a ，控制应力采用钢绞线抗拉标准强度的 7 5 ，为1 3 9 5 m p a ，预应力钢绞线的参数值根据施工单位的试验或生产厂家提 供的参数确定。 ( 2 ) 计算图式 连续梁要经过墩梁固结一悬臂施工一合拢一解除墩梁固结一合拢的过程。 在施工过程中结构体系不断发生变化，故在各个施工阶段应根据符合实际情况 的结构体系和荷载状况选择正确的计算图式进行分析计算。 本桥平面位于直线上，纵坡及竖曲线对结构影响很小，因此在计算中假 定本桥为平、直桥。 ( 3 ) 挂篮及施工临时荷载的取值 根据施工单位提供数据，挂篮及模板等重量取为5 0 t ，考虑与结构间的后 锚固方式定位。边跨合拢吊架等重lo t ，合拢时平衡压重采用合拢段箱梁一半 的重量压重，边浇注混凝土边卸压重。桥面施工临时荷载按3 k n m z 考虑。 ( 4 ) 施工进度 本桥的施工控制计算需按照施工单位提供的施工计划以及确切的合拢时间 进行分阶段计算。 ( 5 ) 箱梁方量测量 根据误差分析理论，桥梁上部混凝土重量对悬臂施工的大跨径连续梁桥影 响很大，必须尽可能减小混凝土超方的影响。具体做法是：每浇筑一节段梁， 统计好所浇筑的方量与设计方量进行对比，计算出浇筑误差，由施工单位提供。 ( 6 )挂篮变形误差 浇筑混凝土过程中，挂篮会发生变形，这包括纵向变形和横向变形，也包 括弹性变形和非弹性变形。 挂篮非弹性变形对施工控制质量有较大影响，再有就是挂篮的刚度不足导 致挂篮横向的竖向变形不一致，一侧变形量大，另一侧变形小。由于挂篮变形 的不确定性本次计算中没有考虑，在监控过程中逐步拟合出挂篮变形曲线，尽 量减小与实际变形的误差。 ( 7 ) 温度影响 温度影响是施工控制中较难掌握的因素，这主要是因为温度始终变化无常， 而且在同一时刻，结构各部分也存在温差。 温度变化虽然随时存在，但其对施工控制的危害主要表现在挂篮定位时， 选择夜间或者早晨进行挂篮定位比较合适。对环境温度的测量通常的办法是用 9 普通温度计进行测量，主梁、主墩内部温度由埋设温度传感器测定，以便能大 致确定结构体系温度场的分布状况。 2 5 施工阶段模拟 经过施工过程的合拢方案比选，将全桥施工过程划分为3 9 个施工阶段，如 下表2 1 所示： 表2 - 1 施工阶段划分图 施t 阶段号施工阶段描述 l 搭设支架浇筑0 、1 号块 2 张拉各墩t 1 、w l 束 3 安装挂篮 4 对称浇筑各墩2 号块 5 张拉各墩t 2 、w 2 钢束 6 前移各挂篮 7 对称浇筑各墩3 号块 8 张拉各t 3 、w 3 钢束 9 前移各挂篮 l o 对称浇筑各墩4 号块 11 张拉各t 4 、w 4 钢束 1 2 前移各挂篮 1 3 对称浇筑各墩5 号块 1 4 张拉各t 5 、w 5 钢束 1 5 前移各挂篮 1 6 对称浇筑各墩6 号块 1 7 张拉各t 6 、w 6 钢束 l8 前移各挂篮 19 对称浇筑各墩7 号块 2 0 张拉各t 7 束 2 1 前移各挂篮 2 2 对称浇筑各墩8 号块 2 3 张拉各t 8 束 2 4 前移各挂篮 2 5 对称浇筑各墩9 号块 2 6 张拉各t 9 束 l o 2 7浇筑边跨直线段 2 8 拆除挂篮，上边跨悬臂端吊架 2 9 浇筑边跨合拢段 3 0 张拉边跨连续钢束 3l 拆除主墩托架、边跨吊架 3 2 浇筑次边跨合拢段 3 3 张拉次边跨连续钢柬 3 4 拆除1 、5 # 墩顶临时圃结 3 5 浇筑中跨合拢段 3 6 张拉中跨连续钢束 3 7 拆除2 、3 、4 # 墩顶临时固结，完成体系转换 3 8 桥面系施工 3 9 成桥十年 2 6 旌工控制分析 ( 1 ) 按照施工步骤进行计算，考虑梁段的自重、施加的预应力和混凝土收 缩徐变以及温度的变化等因素对结构的影响。对于混凝土的收缩、徐变等时差 效应在各施工阶段中逐步计入； ( 2 ) 每一阶段的结构分析以前一阶段的计算结果为基础，前一阶段结构位 移是本阶段确定结构轴线的基础，以前各施工阶段结构受力状态是本阶段时差 效应的计算基础； ( 3 ) 施工监控首先根据旌工图纸进行初步的计算； ( 4 ) 在施工过程中，根据实测参数和误差分析，进行施工阶段分析和计算。 2 7 主桥上部结构施工监控过程及施工工艺的要求 2 7 10 号块施工 在0 号块施工过程中，监控单位派人到达现场，进行测点埋设并提供预抛高 数据，具体要求做到以下几点： 1 o 号块施工模板支架须有足够的刚度，浇筑混凝土前支架须进行1 2 倍箱 梁荷载预压，防止浇筑过程中产生过大变形 2 根据计算及相应的预压结果，设置0 号块主梁的预拱度。 2 7 2 施工挂篮 主梁悬臂施工离不开施工挂篮，挂篮性能的好坏直接关系到悬臂施工的质 量，在悬臂施工前须进行下列准备工作： ( 1 ) 施工单位提供挂篮图纸及挂篮、模板、施工机具的重量及形心位置； ( 2 ) 挂篮试用前，施工单位须进行压载实验，提供弹性及非弹性变形； ( 3 ) 挂篮压载试验或浇筑1 号块混凝土过程中进行挂篮位移测试。 2 7 3 主梁悬臂施工 主梁悬臂施工是施工监控过程中工作量最大，也是时间最长的阶段，在这 个过程中，施工监控单位有专人常驻现场，实时监控并指导施工。在这个过程 中，必须做到以下几点： ( 1 ) 挂篮移动到位、浇筑混凝土和张拉预应力束工况均须进行监控测试； ( 2 ) 每节段挂篮定位数据由监控单位提供； ( 3 ) 挂篮定位须在早晚进行，以消除日照影响； 2 7 4 主梁合拢施工及桥面铺装 主梁合拢施工是施工监控过程中的关键阶段，在这个阶段必须做到以下几 点： ( 1 ) 合拢过程中必须保证墩两侧重量的平衡； ( 2 ) 浇筑合拢混凝土观测应变和标高的变化； ( 3 ) 合拢段混凝土的养护； ( 4 ) 主桥合拢后测量全桥顶标高以确定是否调整桥面的铺装标高。 2 8 施工控制1 3 】 1 4 】 为使施工控制的各个步骤程序化，施工控制小组根据具体的施工进度安排 制定了施工控制工作程序，其中包括两方面的内容。 2 8 1 控制流程 从挂篮的前移定位至预应力钢束张拉完毕是悬臂施工的一个周期，每个周 期中有施工控制的步骤如下： ( 1 ) 按照监控方提供的挂篮定位预报标高进行挂篮定位，请施工单位测量 定位后的挂篮标高，并向控制小组提供挂篮的定位测量结果。 ( 2 ) 立模板、绑扎钢筋； ( 3 ) 浇筑混凝土前，测量己施工梁段上的高程测点，复测挂篮定位标高， 墩定的水平位移，报施工控制小组； ( 4 ) 施工控制小组分析测量结果，如需调整，给出调整后的标高； ( 5 ) 浇筑完混凝土后第二天测量所有已施工梁段上的测点标高，测量本梁 段端部梁底和预埋在梁顶的测点标高，建立测点与梁底标高的关系，提供给施 工控制小组； ( 6 ) 张拉预应力钢筋后，测量已施工梁段上的高程测点，并提供给施工控 1 2 制小组； ( 7 ) 施工控制小组分析测量结果，根据上一施工周期梁底标高测量值和应 力、温度等测量结果计算、预报下一施工周期的挂篮定位标高。 工作程序关键是：每个施工循环过程的结束都必须对已完成的节段进行全 面的测量，分析实际施工结果与预计目标的误差，从而及时地对己出现的误差 进行调整，在达到要求的精度后，才能对下一步施工循环作出预报。 2 8 2 误差控制 本桥施工控制的最终目标是：成桥后的线型与设计线型的所有各点的误差 均为控制在2 c m 范围之内。根据这一目标，在每一施工步骤中制定了如下的误 差控制水平： ( 1 ) 挂篮定位标高与预报标高之差控制在l c m 之内； ( 2 ) 预应力束张拉完后，如梁端测点标高与控制小组预报标高之差绝对值 超过2 c m ，需经控制小组研究分析误差原因，确定下一步的调整措施； ( 3 ) 如有其它异常情况发生影响到梁体标高，其调整方案也应经控制小组 分析研究，提出控制意见。 2 9 主梁断面应力监测 主梁断面应力测试是施工监控的一部分，直接反映了主梁的受力状况，是 结构安全性的重要指标，是为施工控制服务的，所进行的测试内容也是围绕施 工控制进行的。 在主桥箱梁的控制断面布置应力测点，以观察在施工过程中这些截面的应 力变化及应力分布情况。结合反馈控制的实时跟踪分析系统( 即随机最优控制 系统) ，由反馈控制子系统提供最优可调变量的调整方案，由实时跟踪分析系统 在计入误差和变量调整之后每阶段乃至竣工后结构的实际状态( 这将有利于桥 梁结构可靠度的后评估) ，同时可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已施工构件或即将施工的构件是否出 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【1 5 】 【1 6 】 o 为了保证整个施工控制的顺利进行和主梁施工过程中的施工质量和施工安 全，需进行以下测试内容： 2 9 1 主梁应力测试 根据连续梁桥的受力特点，应力测试断面主要布置在主梁负弯矩处、l 4 断面附近。主桥箱梁左、右幅各布置6 个测试断面，共6 0 个应力测点。测试断面 根据测点数量和布置位置共分为二类：一类为主梁根部断面，二类为l 4 断面， 每一类断面测点数量和位置如图2 - 2 所示。 该人桥主桥( 右幅新建) x c 该人桥主桥( 左幅新建) x c 2 类 说明： 1 1 3 混凝土应变计埋入点 2 每个测点安装的应变计应认 真做好记录，测量时间，测点温 度，绝对应变值( 相对应变值) ， 零点参数及温度修正值测试数 据应认真做好记录，并及时传送 图2 2 主梁应力测试断面图 2 9 2 测试仪器和测试手段 采用金码z x 一2 1 5 a t 智能温度型埋入式混凝土应变传感器配备综合测试仪 进行混凝土应力和温度测量。该传感器采用振弦理论设计，具有高灵敏度、高 精度、高稳定性的优点；应变计内置智能芯片，全数字检测，信号长距离传输 不失真，抗干扰能力强，绝缘性能良好，测量混凝土应变的同时直接测量测点 温度，并对应变值进行温度修正。 j m z x 一2 15 a t 智能温度型应变传感器指标： 量程：1 5 0 0 9 0灵敏度：1 “( 0 1 h z ) 1 4 测量标距：1 5 7 m m 温度测量范围：2 0 一十1 1 0 2 9 3 测试工况 每一施工阶段混凝土浇筑前后、 温度智能型传感器的温度测试。 使用环境温度：1 0 一十7 0 温度测量：灵敏度0 5 精度：士1 预应力张拉后均进行应力测试，同时进行 2 1 0 主梁线形监控 挠度观测资料是控制成桥线形最主要的依据。在每个施工节段混凝土块件 上布置2 个对称的高程观测点，一方面用于测量已施工主梁的挠度，另一方面 可以观测箱梁是否发生扭转变形。 主梁轴线及桥墩位里程、高程均根据全桥三角网点和水准网点由施工单位 进行两次复测。施工控制小组按照施工进度划分的节段，应用施工控制程序求 得每一时段的梁体挠度，并转化为各梁段计算的立模标高。 2 1 0 1 测试工况 当箱梁悬臂浇节段施工前挂篮初步定位后，先根据箱梁截面控制网，采用 经纬仪进行悬浇节段平面中线位置放样；然后根据施工控制小组签发的箱梁节 段立模标高通知单的相应高程数据，安装底