主跨138米預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋的施工控制

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一、工程概述
     金沙洲大橋(糖廠大橋)位于廣州市西部,是為了配合金沙洲小區(qū)的開發(fā)而建的一座跨越珠江的大型城市橋梁。主橋上部結(jié)構(gòu)為93.0m+138.0m+93.0m三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。全長(zhǎng)324.0m,橋?qū)?2.0m,為單箱單室結(jié)構(gòu)。箱梁為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),頂面寬度為22.0m,箱寬為10.0m。箱梁根部梁高為7.0m,邊跨及中跨合攏段梁高為3.0m,梁底下緣按二次拋物線設(shè)置。設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級(jí),掛車-100,總體布置見下圖。
     二、施工控制的內(nèi)容和目的
     橋梁施工控制的目的就是確保施工中結(jié)構(gòu)的安全和確保結(jié)構(gòu)形成后的外形和內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
     對(duì)于懸臂施工的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)來說,施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測(cè)所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段的仿真分析,確定出每個(gè)懸臂澆筑階段的立模標(biāo)高,并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和對(duì)下一立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整,以此來保證成橋后橋面線型、合攏段兩懸臂端標(biāo)高的相對(duì)偏差不大于規(guī)定值,以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
     三、施工控制的仿真分析
     大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的施工采用分階段逐步完成的懸臂施工方法時(shí),結(jié)構(gòu)的最終形成必須經(jīng)歷一系列的施工過程,對(duì)施工過程中每個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)的變形計(jì)算和受力分析,是橋梁施工控制最基本的內(nèi)容之一。為了達(dá)到施工控制的目的,我們必須首先通過計(jì)算來確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個(gè)階段在受力和變形的理想狀態(tài),以此為依據(jù)來控制施工過程中每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)行為,使其最終成橋線型和受力狀態(tài)滿足受力要求。
     1、仿真分析的計(jì)算模型
     在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí),將金沙洲大橋主橋簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu),各懸臂施工階段離散梁?jiǎn)卧?,整個(gè)橋梁離散為101個(gè)梁?jiǎn)卧?02個(gè)節(jié)點(diǎn),主墩Z1,Z2,Z4簡(jiǎn)化為活動(dòng)鉸支座,Z3簡(jiǎn)化為固定鉸支座。其成橋結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖見《仿真計(jì)算模型的單元及節(jié)點(diǎn)劃分圖》。
     仿真計(jì)算模型的單元及節(jié)點(diǎn)劃分圖
     2、仿真分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
     大多數(shù)情況下,采用規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移均較實(shí)測(cè)值大,這對(duì)設(shè)計(jì)是偏于安全的,但對(duì)于結(jié)構(gòu)施工控制來說是不容忽視的偏差,因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懙匠蓸蚝蠼Y(jié)構(gòu)線型及內(nèi)力是否符合設(shè)計(jì)要求。此次仿真分析的設(shè)計(jì)參數(shù)取用原則是:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值盡量和實(shí)際相吻合;對(duì)于主要的可以測(cè)定的設(shè)計(jì)參數(shù),則用試驗(yàn)數(shù)值;難以測(cè)定的則依照設(shè)計(jì)規(guī)范,根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)參數(shù)的具體數(shù)值見表一:
     設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值表 表一
     項(xiàng) 目 設(shè)計(jì)參數(shù)
     材 料 50號(hào)砼,預(yù)應(yīng)力 鋼絞線
     砼算參數(shù) 彈性繼效系數(shù)0.3 徐變速度系數(shù)0.021 瞬時(shí)徐變系數(shù)0.8滯后徐變系數(shù)0.4 環(huán)境相對(duì)濕度0.7 砼平均加載齡期10天
     預(yù)應(yīng)力計(jì)算參數(shù) 錨具變形與鋼束回縮值4mm,鋼絞線松弛損失按控制應(yīng)力的4.5%,管道摩阻系數(shù)u=0.25,管道偏差系數(shù)k=0.002
     設(shè)計(jì)荷載 一期恒載 容重 二期恒載:防撞欄7.889 橋面鋪裝:瀝青 預(yù)應(yīng)力錨下控制應(yīng)力
     溫度荷載 年溫差 ,日照溫差頂板升溫
     支座沉降 10mm
     3、施工階段的劃分
     本橋采用懸臂澆筑方法施工,在施工過程中,設(shè)置了臨時(shí)支撐,在計(jì)算中除了考慮設(shè)置永久支座外,在懸臂施工期間設(shè)置了4個(gè)臨時(shí)豎向約束,以模擬實(shí)際施工的臨時(shí)支撐。本次計(jì)算實(shí)際共劃分為23個(gè)施工階段和1個(gè)運(yùn)營(yíng)階段,嚴(yán)格和實(shí)際施工狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。各施工階段內(nèi)容詳見表二。
     施 工 階 段 劃 分 表 表二
     施工階 段 內(nèi)容
     1 安放臨時(shí)支座,支架現(xiàn)澆0號(hào)塊和1號(hào)塊。張拉頂板T0和T1束
     2~20 依次懸臂澆筑2~20號(hào)塊。依次張拉頂板T2~20束
     21 支架現(xiàn)澆26號(hào)塊到22號(hào)塊,安裝邊跨合攏段剛性聯(lián)結(jié),澆筑邊跨21號(hào)塊,從長(zhǎng)束到短束順序張拉邊跨底板預(yù)應(yīng)力束,邊跨合攏。
     22 澆筑中跨21號(hào)塊,按從長(zhǎng)束到短束順序張拉中跨底板預(yù)應(yīng)力束,中跨合攏
     23 拆除中跨合攏段掛籃,橋面系施工
     24 運(yùn)營(yíng)階段
     4、施工荷載的模擬
     在預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋的懸臂施工中,掛籃和模板機(jī)具設(shè)備重對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的影響很大,所以在仿真分析中,必須考慮施工荷載-主要是掛籃的影響。一般說來在現(xiàn)澆1號(hào)段混凝土?xí)r掛籃設(shè)備的靜載全部落在墩頂上的0號(hào)段上,但是,在懸臂澆筑過程中,混凝土的重量不斷增加,使掛籃設(shè)備上的伸臂發(fā)生彈性變形,它使底模板前端的標(biāo)高也發(fā)生同樣的變形,類似的變形將同樣的發(fā)生在以后各階段的施工中,這種變形在掛籃拆除后卻不能得到恢復(fù)。因此在各節(jié)點(diǎn)的預(yù)拱度值中,均應(yīng)計(jì)入這個(gè)影響,但是也可以調(diào)整的吊帶來解決。當(dāng)澆筑2號(hào)段混凝土掛籃設(shè)備一般分成兩截,分別固定在(或者部分地落在)已完成的懸臂階段上,由于掛籃具有一定的靜載,尤其在大跨度橋梁的懸臂施工中,掛籃設(shè)備的重心距離懸臂梁的根部的力臂較大,使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,但在掛籃拆除后,又使原來的變形得到恢復(fù)。
     此次仿真分析計(jì)算充分考慮了施工荷載的影響,在仿真分析中模擬了掛籃的安裝和拆除,以及掛籃前進(jìn)的工況,掛籃的計(jì)算重量為800KN(其值由施工單位實(shí)測(cè)得到)。
     5、懸臂施工的撓度計(jì)算
     在橋梁懸臂施工的控制中,最困難的任務(wù)之一就是施工撓度的計(jì)算與控制。我們所采用的分析軟件BRCAD5.1和BSAS的系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同階段的受力狀態(tài)自動(dòng)考慮混凝土的收縮徐變影響、預(yù)加力的影響、溫度變化的影響以及支座沉降的影響,其中混凝土收縮徐變的計(jì)算考慮了各階段混凝土應(yīng)力變化的影響,在預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算中,對(duì)每個(gè)階段內(nèi)每個(gè)截面上的每組鋼束都分別進(jìn)行了計(jì)算。
     為了說明的方便,下面列出懸臂橋梁施工時(shí)結(jié)構(gòu)的總撓度計(jì)算公式(包括短期彈性撓度和已發(fā)生的徐變撓度變形)
     式中:――扣除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力產(chǎn)生的上拱度
     ――梁段自身靜載(即一期恒載)產(chǎn)生的下?lián)隙?BR>     ――懸臂施工時(shí)的臨時(shí)施工荷載產(chǎn)生的下?lián)隙?BR>     ――混凝土隨齡期增大的徐變系數(shù)
     對(duì)于橋梁長(zhǎng)期荷載作用下的總撓度 的計(jì)算,還必須考慮二期恒載和活載的作用所產(chǎn)生的撓度,計(jì)算公式為
     式中:――二期恒載產(chǎn)生的下?lián)隙?BR>     ――靜活載作用下產(chǎn)生的下?lián)隙?BR>     ――混凝土徐變系數(shù)終值
     綜合考慮各種因素后,將各影響參數(shù)輸入軟件中,由軟件自動(dòng)算出各施工階段每一梁段的撓度,合攏時(shí)的撓度,合攏后二期恒載作用下的撓度,以及活載作用下的撓度。
     通過仿真分析發(fā)現(xiàn),在施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)主要梁自身靜載、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力;材料的彈性模量E和剪切模量G、施工臨時(shí)荷載-掛籃、混凝土的收縮與徐變變形的性能以及混凝土加載齡期的變化對(duì)變形影響較大,其它的參數(shù)影響較小。
     根據(jù)規(guī)范可知,橋梁的預(yù)拱度公式為:
     所以成橋后橋面標(biāo)高。
     6、施工階段立模標(biāo)高的確定
     在主梁的懸臂澆筑過程中,梁段立模標(biāo)高的合理確定,是關(guān)系到主梁的線型是否平順,是否符合設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題,如果在確定立模標(biāo)高時(shí)考慮的因素比較符合實(shí)際,而且加以正確的控制,則最終橋面線型較好。否則,最終橋面線型會(huì)與設(shè)計(jì)線型有較大的偏差。
     眾所周知,立模標(biāo)高并不等于設(shè)計(jì)中橋梁建成后的標(biāo)高,總要設(shè)置一定的預(yù)拱度,以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形(撓度)。其計(jì)算公式如下:
     式中:――施工i梁段時(shí)i梁段的立模標(biāo)高(梁段最前端某確定位置)
     ――i梁段設(shè)計(jì)標(biāo)高
     ――施工i梁段時(shí)混凝土澆筑前i梁段的總撓度(軟件自動(dòng)算出);
     ――施工i梁段掛籃的變形值
     其中掛籃的變形值是根據(jù)掛籃加載試驗(yàn),綜合各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果,最后繪制出掛籃荷載-撓度曲線,進(jìn)行內(nèi)插而得。
     此立模標(biāo)高計(jì)算公式簡(jiǎn)單,概念清楚,使用方便,而且實(shí)際使用效果很好。
     7、仿真計(jì)算主要結(jié)果
     通過計(jì)算結(jié)果分析可知,箱梁在懸臂施工過程中,軸力、彎矩曲線較為順暢,施工階段截面上下緣均為壓應(yīng)力,而且都在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。
     在運(yùn)營(yíng)階段,正常使用極限狀態(tài)下組合1箱梁應(yīng)力基本上處于全截面受壓狀態(tài),而且滿足規(guī)范要求。其它荷載組合除了部分幾個(gè)截面頂板或底板出現(xiàn)很小拉應(yīng)力(不超過0.5MPa),箱梁應(yīng)力基本上處于全截面受壓狀態(tài),箱梁的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
     承載能力極限狀態(tài):從附件中可以看出截面基本滿足規(guī)范要求。
     各個(gè)施工階段的撓度曲線很順暢。撓度的變化也很正常。