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某连续梁桥施工监控中若干问题的研究 摘要 近年来，我国预应力混凝土连续梁桥蓬勃发展。预应力混凝土连续梁桥以其 优良的结构性能和日益成熟的施工工艺，现已成为我国桥梁建设时中等跨径桥梁 的主选桥型之一。悬臂浇筑预应力连续梁桥的设计与施工高度协调，施工方法和 安装顺序不但影响施工安装时的结构应力，而且决定最终成桥的线形和内力状 态，所以必须要对连续梁桥进行施工控制，确保在悬臂施工过程中结构的安全， 同时在合理的误差范围内保证成桥时桥梁的线形和内力符合设计要求。文中结合 某高速公路上连续梁桥悬臂施工工程实例，主要做了如下工作：第一，由于混凝 土材料的导热性能差，各种温度变化的作用下，混凝土结构内部可能会产生相当 大的有害应力，参考传热学的相关知识，结合有限元分析理论，本文建立了桥梁 结构0 号块的结构模型，总结了水泥水化热影响下施工过程中o 号块混凝土浇筑 后的温度发展历程以及温度场的分布规律，研究给出了保证0 号块浇注质量的一 些温度控制措施并取得良好的效果。第二，运用桥梁结构分析软件m i d a s c i v i l 建立桥梁结构仿真计算模型，分析研究了结构的内力和挠度变形随着体系转换的 进行而发生变化的规律，提出了合理合拢次序。第三，结合连续梁桥的合拢施工 实践，对合拢段施工时临时约束锁定的基本原理、计算方法及施工措施进行了分 析研究，对内刚性支撑和外刚性支撑的优劣进行了比较，以供施工参考。 关键词：连续梁桥，施工控制，有限元分析，温度应力，合拢段，临时锁定 a s t u d y o fs e v e r a lq u e s t i o n si nc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fp c c o n t i n u o u sb e a m b r i d g e a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，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 sb e a mb r i d g e sd e v e l o pv i g o r o u s l y i no u rc o u n t r y p cc o n t i n u o u sb o xg i r d e r b r i d g eh a sb e e nw i i d l yu s e di nb r i d g e c o n s t r u c t i o nf 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 t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f c o n t i n u o u s b r i d g er e q u e s th i g h l yc o o r d i n a t e s ，a n dc o n s t r u c t i o nm e t h o da n d i n s t a l l m e n tp r o c e d u r en o to n l yi n f l u e n c e si n i t i a ls t r u c t u r es t r e s s ，b u ta l s od e t e r m i n e s u l t i m a t es t r e s sa n db r i d g ep r o f i l e ，s oc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fc o n t i n u o u sb r i d g ei s v i t a l l yn e c e s s a r yf o rs t r u c t u r es a f e t y , r e a s o n a b l ee r r o rr a n g e ，b r i d g ep r o f i l ea n ds t r e s s r e q u i r e m e n ti nc o u r s eo fc o n s t r u c t i o n t l l i sp a p e rb a s e so nt h ei n s t a n c eo fc a n l t i l e v e r c o n t i n u o u sb r i d g ec o n s t r u c t i o no no n e e x p r e s sw a y , a n dm a i ni o b sa sf o l l o w i n g ：f i r s t o fa l l ，b e c a u s eo ft h eb a dh e a tc o n d u c t i o no ft h ec o n c r e t em a t e r i a l ，p r e s t r e s s e d c o n c r e t eb r i d g e sa r es u b je c tt ov a r i e do ft e m p e r a t u r ea c t i o n s ，w h i c hc a l lm a k en o t a b l e i n f l u e n c eo nt h es t r e s so fb r i d g es t r u c t u r e s ，a c c o r d i n gt ot h et h e m a lc o n d u c t i o nt h e o r y a n df i i l i t ee l e m e n tm e t h o d t h em o d e lo fz e r ob l o c ki sb u i l tt oa n a l y z et h ee f f e c to f c e m e n t i t i o u sh y d r a t i o nh e a t t h es o l u t i o ni sd o n et oc o n c l u d et h er u l e so ft e m p e r a t u r e d e v e l o p m e n tf o rt h i ss t r u c t u r ea n dt op r e d i c tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d elf i e l d c o n d i t i o s t h e ns o m em e a s u r e sa r ec o m m m e n d e dt oc o n t r o lt h es t r u c t u r a lt e m p e r a t u r e a n de n s u r et h eq u a l i t yo f l ec a s t i n gc o n c r e t e s e c o n d l y , u s i n gt h eb r i d g es t r u c t u r e a n a l y s i ss o f t w a r em i d a s c i v i lt oe s t a b l i s ht h eb r i d g es t r u c t u r es i m u l a t i o nm o d e l ， m i sp a p e rr e s e a r c h sh o wt h ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o nw i l lc h a n g ew h e nt h e s y s t e mt r a n s f o r m s ，a n dp r o v i d e sar e a s o n a b l eo r d e ro fc l o s u r e t l l i r d l v b a s e do nt h e c o n s t r u c t i o np r a c t i s eo fap cb r i d g ef o rg r o u n t i n gt h ec o n n e c t i n gg a po ft h e c o n t i n u o u sg i r d e r s ，t h e r ea r et w or e s t r i c t e dl o c k i n gm e a s u r e s i e t h ei n t e m a ll o c k i n g m e t h o da n de x t e r n a l sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e s c a l c u l a t i n gm e t h o d s a n dt h ec o n s t r u c t i n gp r o c e d u r eo ft h e s em e a s u r e s t l l e ya r ev a l u a b l ea sr e f e r e n c e sf o r c o n s t r u c t i o nw o r k s 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 o n s t r u c tc o n t r o l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， t h e r m a ls t r e s s ，c l o s u r eb l o c k ，t e m p o r a r yl o c k i n g 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 插图清单 悬臂法一般施- r - j l 顷序2 1 4 的0 号块水化热分析模型( 圆圈代表水化热源) 1 5 最大温差时的温度分布云图1 6 表面发生最大拉应力时的应力分布图( x 方向) 1 7 混凝土外部某代表性节点的拉应力比1 7 某大桥的水冷管布置示意图1 9 布置在箱梁0 号块的温控点位置示意图2 0 悬浇施工墩项临时锚固布置图2 4 三跨连续梁结构2 5 梁段悬臂施工结构弯矩2 5 边跨合拢落架时结构不平衡弯矩2 5 边跨合拢结构累积弯矩2 6 拆除临时锚固引起的结构不平衡弯矩2 6 拆除临时锚固结构累积弯矩2 6 中跨合拢段引起的结构弯矩2 7 连续梁结构总弯矩2 7 合拢段施工顺序及体系转换顺序图2 7 大桥主桥合拢的具体步骤2 8 有限元分析模型( 竣工后) 2 9 边跨合拢前桥梁内应力图3 0 中跨合拢前桥梁内应力图3 1 混凝土截面应力时程( o 号块1 拌截面) 3 1 截面各荷载工况的应力时程曲线( 0 号块1 拌截面) 3 2 边跨合拢后梁单元位移曲线图3 3 拆除临时固结后梁单元位移曲线图3 3 中跨合拢后位移曲线图3 4 悬臂位移变化时程曲线( 最大悬臂端8 撑截面) 3 5 边跨合拢后桥梁内应力图3 5 体系转换完成后桥梁内应力图3 6 混凝土截面应力时程( o 号块l 撑截面) 3 7 截面各荷载工况的应力时程曲线( 0 号块1 拌截面) 3 7 中跨合拢后位移曲线图3 8 最终完成体系转化后位移曲线图3 8 悬臂位移变化时程曲线( 最大悬臂端8 拌截面) 3 9 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 箱梁节段划分示意图4 0 1 9 1 上截面应力时程图4 4 1 9 一1 下截面应力时程图4 4 某大桥全桥最终标高控制图4 7 合拢段临时刚接示意图4 9 温度应力计算示意图5 l 原设计内刚性支撑( 无缝钢管) 5 3 修改后内刚性支撑( 型钢) 5 4 最终采用的外刚性支撑示意图5 5 表格清单 表2 1c 5 5 配合比( 单位：蚝) 9 表2 2 采用水冷管控温混凝土浇筑后内部温度变化2 0 表2 3 混凝土内部温度受环境的影响2 1 表3 1 应变应力观测记录表4 1 表3 21 9 号墩1 号截面测点应力值( 2 1 ) 4 3 表3 3 施工阶段对照表4 5 表3 4 悬浇混凝土梁允许偏差4 6 表3 51 9 # 8 号块高程测量记录表4 6 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注和致谢的地方外，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 金月巴王些太堂 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。 学位敝储繇酶龋签字日期：2 声月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦巴王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘 兰些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： r 融“ 。存车、啁f 6 日 电话；f ；娜7 f 弓) l 邮编： 炉伊 陬 细 轹 年 签 罗 者 k 雠砷 刘 飙 沧 日 位 字 学 签 致谢 本文是在导师胡成副教授的悉心指导下完成的，从本科大三时胡老师带的预 应力混凝土课程到后来研究生时的高等桥梁结构理论，他渊博的学识、严谨的治 学态度和淡泊名利的人生观给我留下了深深的印象，导师不但传授知识，而且给 我讲解了许多人生的哲理。胡老师从论文的选题到指导我有限元分析软件的学 习，细致入微，倾注了自己的心血。在此谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢。 我还要感谢我的同窗好友王伟佳、马仲、陆国、沈银斌等，他们在我研究生 学习期间给予了许多生活上的帮助和精神上的鼓励。感谢我大学时的辅导员杨玲 老师、土木学院的汪莲、陈菊香老师、工大设计院杨成斌院长。 也向多年来一直默默关心和支持我完成学业的父母及家人致以深深的谢意。 最后感谢各位专家、教授在百忙之中对论文的审阅和指导! 陈武龙 2 0 0 9 2 5 合月巴工大 第一章绪论 1 1 选题意义 连续梁是一种古老的结构体系，它具有变形小，结构刚度好，行车平顺舒适， 伸缩缝少，养护简易，抗震能力强等优点。在2 0 世纪5 0 年代前，预应力混凝土 连续梁虽是常被采用的一种体系，但跨径均在百米以下，当时主要采用满堂支架 施工，费工费时，限制了它的发展。5 0 年代后特别是在6 0 年代初期，逐跨架设 法与顶推法以及各种更完善的悬臂施工方法的应用，使连续梁废弃了昂贵的满堂 支架施工方法而代之以经济有效的高度机械化施工方法，从而使连续梁方案获得 新的竞争力，近4 0 多年以来，连续梁结构体系己经成为预应力混凝土桥梁的主 要桥型之一，在4 0 - 2 0 0 m 的范围内，与其它结构体系相比，被认为是最佳桥梁 方案。预应力混凝土桥梁之所以在近4 0 多年以来具有强大的竞争能力，主要的 因素有【卜4 j ： ( 1 ) 预应力混凝土充分发挥高强材料的特性，具有较高的强度、刚度和抗裂性 能。结构在车辆运营中噪音小，维修工作量少。 ( 2 ) 预应力混凝土桥梁的施工方法己经达到相当先进的水平，现代化技术的 应用已经使它的施工周期大大缩短，显示出巨大的经济效益。 ( 3 ) 预应力混凝土桥梁适用于各种结构体系，而且还在不断创造出体现预应 力技术特点的新型结构体系，因而它的适用范围大，竞争力强。 ( 4 ) 预应力混凝土桥梁可以充分利用材料可塑性的特点，在建筑上有丰富多 彩的表现潜力，更易达到与周围环境相协调的简洁而美观的形式，实现经济性和 美观的统一。 预应力混凝土连续梁桥的施工方法很多，有支架现浇法、悬臂浇筑法和悬臂 拼装法、顶推法、移动模架法、大型浮吊施工等。其中悬臂浇筑法和悬臂拼装法 应用最广，特别在1 9 5 3 年悬臂浇筑法成功问世以来，预应力混凝土连续梁桥有 着飞跃的发展。我国已建成的跨度较大的预应力混凝土连续梁桥大部分采用此法 施工【5 卅。 悬臂浇筑法又称无支架平衡悬臂法、挂篮法、吊篮法。它是以完成的墩顶段 为起点，通过悬吊的挂篮从立模、浇筑混凝土、张拉预应力钢筋，逐段对称地向 两侧跨中合拢，形成整桥。 悬臂浇筑法预应力混凝土连续梁桥具有如下优点： 预应力混凝土连续梁桥悬臂施工时的受力与成桥的结构受力较为接近，因此 有利于悬臂施工；作为一种无支架施工法，有利于通航河流建桥、深山峡谷建桥 和城市立交建桥，不妨碍桥下净空，不影响桥下交通；悬浇法也有利于变高度箱 梁施工，加快施工作业，节省施工费用，降低工程造价。 但是悬臂浇筑法也需要特别注意： ( 1 ) 要保证施工中的安全性和稳定性。因为在节段施工中容易出现偏载或风 力而产生不平衡弯矩，因此，在施工中往往除将墩梁进行临时固结外，还要在桥 墩或墩旁设置临时支撑，以承受不平衡弯矩，必须保证施工中双悬臂体系的稳定 性； ( 2 ) 要切实保证混凝土的浇筑质量。因为悬臂施工法高空作业工作量大，工 作面小，施工周期受混凝土养生、拆模的限制，节段循环作业中遗留有内部接缝 等，因此必须从设计和施工全面考虑保证节段混凝土的现浇质量； ( 3 ) 要严格控制梁体的几何线形。悬臂浇筑施工法虽然要比悬臂拼装法容易 控制变形，因为逐段浇筑施工可以逐节段调整挂篮标高，但是由于逐段浇筑混凝 土龄期不同，合拢时需进行体系转换，因此由于混凝土的徐变、收缩而产生的变 形和次内力是复杂的，必须精心设计，精细施工。 悬臂法( f c m ) 的施工顺序一般如下【4 1 】： 图1 1 悬臂法一般施工顺序 2 连续梁桥属于高次超静定结构，所采用的施工方法和施工合拢顺序与成桥后 的主梁线形及受力状态有密切的关系，因此必须在施工中加以有效的控制，才能 保证连续梁桥在施工过程中结构的受力状态和变形始终处于设计要求的安全范 围内，桥梁施工控制就是对桥梁的施工过程实施控制，确保在施工过程中桥梁结 构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，确保成桥状态( 包括成桥线形与成 桥结构内力) 符合设计要求。可以说连续梁桥的施工控制是保证连续梁桥成功修 建的必要条件之一，特别是未来连续梁桥的跨度会越来越大，给施工带来的难度 更大，所以有必要对连续梁桥的施工控制在理论和实践上进行更深入的研究。本 文以某大跨连续梁桥施工控制为背景，选取了几个重点问题作为专题进行分析研 究【7 卅。 1 2 连续梁桥施工控制的目的、内容及其必要性 1 2 1 施工控制的目的 对分节段悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续梁桥来说，施工控制就是根据施 工监测所得的结构参数真实值进行施工阶段计算，确定出每个悬臂节段的标高， 并在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测和对下一立模标高进 行调整，以此来保证成桥后桥面线形、合拢段两悬臂端标高的相对偏差不大于规 定值以及结构内力状态符合设计要求。 桥梁施工监控目的就是在确保施工安全的前提下，通过计算分析现场监测、 参数识别、模型修正、控制立模标高等手段，确保桥梁成桥线形及受力状态符合 设计要求【9 1 0 】。 1 2 2 施工控制的内容 预应力混凝土连续梁桥的施工监控包括两个方面的内容：变形监控和内力监 控。变形监控就是严格控制每一节段箱梁的竖向挠度及其横向偏移，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，为下一节段更为精确 的施工做好准备工作。关于监控方法，针对不同情况亦必然有所差异。内力监控 是控制主梁在施工过程中以及成桥后的应力，尤其是合拢时间的控制，使其不致 过大而偏于不安全，甚至在施工过程中造成主梁破坏【胁1 1 】。 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已成结构 ( 悬臂节段) 状态是无法事后调整的，所以，施工监控主要是通过分析计算对下一 步的结构状态进行预测和控制。连续梁桥施工监控主要体现在结构模拟分析、施 工监测( 包括结构变形与应力监测等) 、施工误差分析以及后续施工状态预测几个 方面。归纳起来，桥梁施工控制的具体内容有以下几个方面： ( 1 ) 变形控制 结构在施工过程中总会发生变形，对于连续梁桥而言，由于施工阶段多等诸 多因素影响，桥梁结构在施工时往往偏离预想状态，故此，要使成桥后梁的标高 和平面位置能符合设计图纸和规范的要求，必须进行过程控制。 线形控制分为两个方面：一是平面线形控制，即控制桥梁轴线在平面上的走 向符合设计要求，这对于直线梁桥相对容易，而对于弯梁桥，则必须进行结构分 析，通过采用适当的方法才能做到；二是竖向线形控制，一般是在梁体同一个截 面的表面上选取若干个点，通过控制这些点的标高来实现对线形的控制，同时也 可以控制扭曲。竖向线形必须符合设计，如果竖向线形控制不好，不仅仅造成合 拢困难，而且由于强行合拢，还会使得梁体内力分布不合理，预应力筋偏角增大， 甚至桥面纵向产生起伏，影响桥梁外观，严重的话，导致运营当中梁体的某些截 面的荷载超过设计要求。 桥梁施工控制中的几何控制最终目标就是达到或逼近设计的几何状态要求。 误差总是难免的，但必须控制在合理的范围内，一般来说，误差容许值的选择与 桥梁的规模、跨径的大小、技术难度等有关。目前，关于误差容许值的设置还没 有统一的规定，应根据具体桥梁的情况具体确定，要求太高或要求太低都是不合 理的。因此，为了保证几何控制目标的顺利实现，每节段施工的几何误差允许范 围也需事先研究、确定出来，并且要特别注意防止误差的累积。 ( 2 ) 应力控制 桥梁结构在施工过程中临时状态的受力情况和成桥状态的受力情况是施工 控制所关注的重要问题。在施工过程中，混凝土的压应力和拉应力不得超过规定 的限值，否则会产生裂缝而降低梁体的刚度和耐久性，甚者可能引起梁体的局部 破坏，进而引起桥梁坍塌事故。预加应力是结构强度组成部分，准确地施加预加 应力是预应力桥梁施工成功与否的关键。所以，必须控制混凝土预应力筋的分布 状况和应力施加。目前对应力控制的项目和精度还没有明确的规定，需根据实际 情况确定。 ( 3 ) 稳定控制 结构失稳是指在外力增加到某一量值时，稳定性平衡状态开始丧失，稍有扰 动，结构变形迅速增大，使结构失去正常工作能力的现象。桥梁结构的稳定性关 系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义。世界上曾 经有不少桥梁在施工过程中由于失稳而导致全桥破坏的例子，最典型的为加拿大 魁北克桥。我国四j 1 1 4 + l 河大桥也在悬臂施工中出现了失稳破坏。因此，桥梁施工 过程中不仅要严格控制变形和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局 部和整体稳定。 目前桥梁的稳定性已经引起了人们的重视，但主要注重于桥梁施工完成后的 稳定计算。施工过程是结构不断“长大”的过程，要经过复杂的体系转化，体系必 须在各种可能荷载作用下保持稳定，否则就会发生事故。在施工中，通过预测各 种不利工况，采用监测手段，采取必要的措施，防止或制止结构失稳。施工中， 4 除桥梁结构本身的稳定性必须得到控制外，施工过程中所用的支架、挂篮、缆索 吊装系统等施工设施的各项稳定系数也应满足要求。 1 2 3 施工控制的必要性 随着交通事业的发展，需要修建更多的大跨度桥梁以跨越大江、大河和海湾， 采用更加经济合理的混凝土桥梁，改变过去凡建大跨度桥梁必然是钢桥一统天下 的局面。为了建桥中不断通航，不设造价昂贵的河道支架，在混凝土桥施工中引 入了钢桥自架设体系的施工方法，即将桥梁的上部结构分节段或分层进行施工， 也就是无支架而靠自身结构进行施工，人们称之为自架设体系施工法。它的广泛 采用，使得混凝土桥得到了较大的发展，比如t 型刚构、大跨度钢筋混凝土上 拱桥、预应力混凝土斜拉桥等于2 0 世纪能在世界各地广泛修建，不能不说是由 于自架设体系施工方法采用的结果。 自架设体系施工方法的采用，必然给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移变 化，为了保证桥梁施工质量和桥梁施工安全，桥梁施工控制是必不可少的，实际 上，桥梁施工控制早在以前的施工过程中，就己被人们采用，例如钢桁梁的悬臂 架设，为使架设的各杆件最终满足设计标高，设计采用预设拱度的方法来解决， 即将先架设的节点预先抬高来考虑后续段的影响。因为钢材的匀质性、易加工性、 钢杆件加工尺寸的准确性和计算分析的可靠性，使得预设拱度的方法在钢桁梁悬 臂拼装过程中是较为成功的方法。但是，自架设体系施工方法应用在非匀质的混 凝土桥就不那么简单，因为混凝土桥所用的材料是非匀质材料，其材质特性不稳 定，它还受温度、湿度、时间等因素的影响，加上采用自架设体系施工方法本身 的影响，以及各节段混凝土或各层混凝土相互影响，在不施加严格控制的情况下， 这些影响因素必然造成各节段或各层混凝土的内力和位移随着施工过程显著偏 离设计值，所以，为了保证施工质量，必须要对建桥的整个过程进行严格的施工 控制。 对于桥梁的下部结构，只要基础埋置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到 标准，这些指标很容易检查和控制。而对采用多工序、多阶段自架设体系施工的 大跨度桥梁上部结构而言，要求结构内力和标高的最终状态符合设计要求，就不 那么容易了。目前我国计算机的应用已非常普遍，技术人员完全可以对多阶段、 多工序的自架设体系施工方法进行模拟，对各阶段的施工可预先计算出内力和位 移，称之为预计值或计算值。在施工过程中，将施工中的实测值与预计值进行比 较，若有误差可进行调整，直到达到最满意的设计状态，也就是通过施工控制， 使各阶段内力和变形达到预计值，最终达到设计要求，确保建桥的施工质量。我 国借鉴国外的经验，从建设第一座斜拉桥起，就注意到施工过程控制的重要性， 只是在对这个问题的解决上还存在差异，有个别斜拉桥在施工完成后线形不够理 想，比如有2 1 0 m + 2 0 0 m 跨径的单索面斜拉桥，在施工中采用劲性骨架悬臂浇筑 5 主梁，浇筑主梁时通过水箱放水减载与浇筑的混凝土重力相平衡，以此保持设计 线形( 设计标高) 。上述控制虽然理论上是完善的，但由于主梁分边箱和中箱两次 浇筑，施工工序除纵向分段外，横向又分两次完成，工序太多，不容易控制，所 以造成该桥完工后，主梁外观呈波浪形，在桥面行车时更为明显，不但影响行车 舒适，也造成外观缺憾，而各斜拉索受力是否符合设计要求，就更不得而知了。 由此可见，为了建设质量高、外形美观的桥梁，施工控制是绝对不可少的，桥梁 施工控制是确保桥梁施工质量的关键。 桥梁施工控制又是桥梁建设的安全保障，为了安全可靠地建好每座桥，施工 控制将变得非常重要。因为无论采用什么桥梁体系，所采用的施工方法均按预定 的程序进行。施工中的每一阶段，结构的内力和变形是可以预计的，同时可通过 监测手段得到各施工阶段结构的实际内力和变形，从而完全可以跟踪掌握施工进 程和发展情况。当发现施工过程中监测的实际值与计算的预计值相差过大时，就 要进行检查和分析，而不能再继续进行施工，否则，将可能出现事故。这方面实 例太多，例如，跨径5 4 8 6 4 m 的加拿大魁北克桥就是因为施工中两次发生事故而 闻名于世的。该桥采用悬臂拼装法施工，当南侧锚碇桁架快架完时，突然崩塌坠 落，原因是悬出的桁架太长( 悬臂长1 7 6 8 m ) ，因此，靠近中间墩处的下弦杆受 压力过大，致使下弦杆腹板失稳而引起全桁架严重破坏。尽管造成事故的原因是 设计问题，但若当时采用了施工控制手段，在内力较大的杆件中布置监控测点， 当发现异常现象时，及时停工检查，就不会发生突然崩塌坠落事故。由此可知， 为避免突发事故的发生，能按时安全地建成一座桥，施工控制是有力的保证。因 此，桥梁施工控制系统是确保桥梁安全施工的保障，是必不可少的，尤其对造价 昂贵的大跨度桥梁，更为重要。由此可见，桥梁施工控制是现代桥梁建设的必然 趋势1 8 1 t 2 。 1 3 本文的主要工作内容 1 3 1 工程背景 某大桥主桥为采用跨径4 5 m + 7 5 m + 4 5 m 的三跨预应力混凝土连续箱梁结构， 采用悬臂浇筑法施工。上部构造为变截面单箱单室、垂直腹板。箱梁顶宽1 3 2 5 m ， 底宽7 o m ，翼缘板长3 1 2 5 m 。箱梁0 号块根部最大设计梁高4 2 m ，边跨支架现浇 直线段以及边中跨的合拢段设计梁高2 o m 。梁底缘按二次抛物线变化，腹板根 部厚7 0 c m ，跨中腹板厚4 0 c m ，中间采用直线过渡。底板厚度2 5 c m - - 7 0 c m ，顶 板厚度2 5 c m ，箱梁顶面设2 o 单向横坡。 ， 箱梁采用三向预应力体系：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顶板上缘，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 箱梁顶面进行张拉。 6 根据施工图设计，大桥主桥箱梁结构o 群段采用支架浇筑法。大桥主桥o 存段 长1 2 o m ，箱梁顶板宽1 3 2 5 m ，底板宽7 0 m 。翼缘板悬臂长3 1 2 5 m 。箱梁底板 厚7 0 c m ，腹板厚7 0 c m ，顶板厚2 5 e m 。0 i 6 段混凝土方量为：2 3 9 7 m 3 ，节段重量 约为5 9 4 7 5 t 。主桥连续箱梁采用挂篮悬浇旌工，半幅主桥分两个“t 单元，各单 “t ”箱梁除o # 段外分8 对梁段，在0 号块上拼装挂篮，然后分阶段前移挂篮，浇 筑各节段混凝土并且分批张拉各节段悬浇钢束，锚固在各节段的端面。箱梁纵向 分段长度为5 x 4 o m + 3 x 3 5 m ，0 号块长度为1 2 o m 。合拢段长度为2 o m ，边跨现 浇段长度为6 2 m ，悬臂浇筑段最大重量为1 0 6 4 t 。 1 3 2 研究内容和目的 针对在本预应力混凝土连续梁桥施工控制中碰到并需要认真解决的几个问 题，本文作了几点研究，以期得出一点有益的结论并指导施工： ( 1 ) 箱梁0 号块在浇筑大体积混凝土时温度应力控制的研究。0 号块是预 应力悬臂施工的起点，也是全桥中一次性浇筑混凝土量的最大块段，混凝土浇筑 中的水化热对桥梁质量的影响很大，若内、外温差太大则会导致混凝土裂缝产生， 本桥需不需要设置冷却散热水管以及如何设置，同时又需要采取哪些其他工程措 施等，本文进行了研究分析； ( 2 ) 不同合拢方案对成桥应力的影响及对施工控制质量的影响。合拢段的 施工对成桥质量也有很大影响，合拢方案的选择也往往成为施工的重点和难点， 本文着重研究和对比了“悬浇吊架上合拢边跨拆除1 9 、2 0 号墩的临时约束吊架 上中跨合拢”与“悬浇。吊架上合拢边跨吊架上合拢中跨拆除1 9 、2 0 号墩的临时 约束”两种方案的特点； ( 3 ) 悬臂合拢时刚接杆顶撑型式和顶撑大小的确定问题，以及两种不同类 型的刚接杆内、外刚性支撑对结构总体的影响，对合拢段局部应力的影响。 7 第二章箱梁0 号块浇筑时温度应力的研究 2 1 概述 随着技术的发展，混凝土结构越来越来越趋于大型化，施工速度越来越快。 在预应力混凝土连续梁悬臂施工中箱梁o 号块的浇筑时，水泥水化热导致的温升 和温差变化和因此而产生的温度应力是混凝土结构产生裂缝的重要原因。 混凝土结构，特别是大体积混凝土裂缝的控制一直是工程技术界长期关注和 研究的重要课题。混凝土的破坏是裂缝开展而引起的，而裂缝又是损伤不断积累 的结果。在混凝土结构中，引起损伤的原因很多，但最重要的因素是温度变化。 混凝土在浇筑过程中，其内部的水化热所产生的巨大温度梯度会使混凝土体内部 或表面形成较大的损伤，因此，研究混凝土的温度损伤有重要意义。大体积混凝 土施工关键在于控制水化热和混凝土内外温差，减小温度应力和收缩应力，控制 和防止混凝土裂缝。 当混凝土受热升温时，体积将受热膨胀，反之将收缩。如果混凝土的膨胀或 者收缩不受任何限制，那么混凝土体内将不产生温度应力。在实际工程中，由于 混凝土与其它物体( 介质) 发生联系，各者的线膨胀系数和物理力学性能以及热 学性能都有差异，这些物体在温度场的作用下将产生温度应力。在混凝土内部， 由于先后浇筑的时间不同，散热条件和水泥用量不同等原因，混凝土内部也会出 现非线性温度场分布，出现变形不一致的现象，因此也会产生温度应力和温度裂 缝。 目前悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥【2 】一般采用c 5 0 - - c 6 0 混凝土，属于高 强度混凝上( 我国定义强度等级达到或超过c 5 0 时为高强混凝土) 。 配制高强混凝土的水泥一般采用标号不低于5 2 5 号的硅酸盐水泥或普通硅 酸盐水泥；水泥用量应根据强度要求、混凝土工作度要求以及收缩、水化热等因 素决定。一般用量控制在4 0 0 5 0 0 k g m 3 ，不宜超过5 0 0 k g m 3 。水泥含量过低则 造成胶凝物质含量过低，不利于强度提高与混凝土工作度，水泥用量过大会产生 水化放热量大和过大收缩等问题，同时水泥用量达到一定程度后。继续增大用量 对混凝土强度的提高作用减弱。 拌制混凝土的水不得含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，也不得包含 有糖类、油脂以及游离酸类等。一般可不经过试验即采用供饮用的水作为拌和用 水，但是不得采用海水。污水、p h 值小于5 的酸性水以及含硫酸盐量按s 0 4 2 。 计超过水的质量0 2 7 m g c m 3 的水不得使用。所配制的混凝土强度等级愈高，用 水量愈应减低到最低限度，高强混凝土水胶比宜控制在0 2 仙3 8 范围内。 由于混凝土外加剂能够比较好地解决高强混凝土低水灰比和高坍落度之间 的矛盾，所以在高强混凝土配合比中大多有采用，外加剂主要有高效减水剂和缓 8 凝剂以及复合高效减水剂等。外加剂除了要符合现行混凝土# 1 - ：0 n 剂( g b8 0 7 6 ) 和公路桥涵施工技术规范f j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 的规定外，还需要对水泥和高效减水 剂进行低水灰比条件下的相容性检测，以确定添加了高效减水剂后混凝土拌和物 是否具有良好的流动性、是否能够在较长时问内保持流动性、是否能够满足从拌 制、运输以及现场浇筑成型的整个过程的需要。混凝土外加剂中的有害物质诸如 氯盐、氯离子、碱等应该得到严格的控制，有时为了增加施工时的可泵性，可以 在混凝土拌和物中掺入加气剂( 限于c 5 0 , - , c 6 0 ) ，但是加气剂对混凝土强度不利， 因此混凝土的含气量宜控制在3 5 5 5 之间。目前国内常用的减水剂有n f 、 f d n 、u n f 和木质素硫酸盐系减水剂等。在正确使用的条件下能够改善水泥的 水化条件和提高混凝士的密实性，所以能够提高混凝土的抗拉强度和弹性模量， 减少徐变，对钢筋以及混凝土的耐久性也无不利影响。但是超量使用高效减水剂 会影响混凝土的凝结、早期强度的发挥和耐久性。 高强混凝土的配合比除了满足拌和物的工作性和结构设计强度以外；还应有 利于减少温度收缩、干燥收缩、自生收缩引起的体积变形，避免早期开裂。目前， 设计基准强度超过c 5 0 的高强混凝土，其配合比还没有一个标准的方法，但在 配合比设计时应遵循低水灰比( 或水胶比) 、低砂率、高骨灰比( 或骨胶比) 的原则 进行。 高强混凝土的用水量低，水灰比一般小于0 3 5 ；所配制的混凝土强度愈高， 水灰比相应愈低；所用水胶比宣控制在o 2 4 - - 0 3 8 的范围内。 某大桥主桥o 群段箱梁混凝土设计强度为c 5 5 ，水泥：宁国海螺p i i5 2 5 ， 黄砂：霍山黑石渡，碎石：舒城通达，# 1 a n 剂：天津雍阳，拌和水：饮用水，其 配合比如下表： 表2 - 1c 5 5 配合比( 单位：k g ) 混凝土材料是由水泥砂浆与粗骨料混合而成的混合物，由于其特有的水化性 质使得混凝土结构在施工期就经历了升温和降温两个过程。混凝土中由于水泥砂 浆与骨料热膨胀系数的不同，在升温过程中温度荷载作用下水泥砂浆与骨料所形 成的界面首先产生损伤，并随温度增加而发展，因此形成界面裂纹，当继续增加 的温差达到某一数值后，界面裂纹便向水泥砂浆中延伸。在以后的降温过程中界 面裂纹与水泥砂浆中的微裂纹继续发展，以致发展成宏观裂缝，并可能导致混凝 土结构发生断裂破坏。所以对于大体积混凝土结构的施工期来说，早期水化热引 起的升温亦是不利的，在连续升温过程中产生的损伤导致了大量的界面裂纹和水 泥砂浆中的裂纹，由于损伤是不可恢复的，故在以后的降温过程中，所形成的界 面裂缝不会消失，而且降温过程中不仅原有的微裂纹会发展，同时也会产生新的 9 微裂纹。因此对待混凝土尤其是大体积混凝土浇筑时的温度应力必须特别注意其 影响并想办法加以克服。 2 2 大体积混凝土裂缝形成的主要原因和影响因素 随着近年来高层超高层建筑结构、大型地下结构和大型公路桥梁设施的不断 发展，混凝土结构越来越大型化，由于温度而引起的裂缝问题也日益受到人们的 重视。上海西郊虹桥开发区广场大厦施工过程中发现温度裂缝2 3 2 0 条，其中贯 穿裂缝或深度裂缝1 6 0 8 条。香港某水处理厂水池施工完毕后，在很多部位出现 了裂缝，分析认为裂缝主要是温度变化引起的【l 弘1 4 l 。 混凝土的温度作用可分为两类： ( 1 ) 外界因素的影响。比如日照、气温、水温、地温、高温辐射、寒潮袭 击等： ( 2 ) 混凝土自身因素引发。混凝土在浇筑后的凝结硬化过程中，水泥发生 水化反应释放大量的水化热。由于混凝土为不良热导体，绝大部分热量短时间内 不能消散，被蕴藏在浇筑块内部，从而导致混凝土块温度迅速上升。一般来说， 对于水利工程的混凝土，其绝热温升可达1 0 4 0 ，在某些非水利工程中还可 能更高。混凝土内部最高绝热温升一般发生在浇筑后的3 5 天内。因为混凝土的 导温性能极为不良，如果任其自然散发，往往需要较长的时间。特别是碰到厚重 的混凝土结构施工，有时会需要数十年甚至上百年的时间才会将水化热全部散发 出去而达到稳定状态。所以水化热是温度荷载的主要因素。 水化热导致的温度变化对混凝土受力开裂的影响是极其明显的。混凝土在浇 筑后，温度会迅速升高。混凝土结构( 大体积) 导热性能比较差，如果浇筑间歇 期不长，这些热量就很难有效地散发，从而在结构内部产生不均匀温度场。随着 热运动的扩散和传递，混凝土结构的变形速率迅速增加，引起不均匀变形。当混 凝土材料受拉区的拉应变超过其极限拉应变时，该处的材料将发生破坏，从而导 致混凝土结构出现裂缝。温度裂缝会给结构带来一系列的劣化效应。贯穿性裂缝 是危害性最大的裂缝。贯穿性裂缝的出现改变了结构的受力模式，降低了混凝土 结构的整体性能，从而降低结构的承载能力，最终还可能导致整个结构失效，发 生事故。微裂纹虽然不像贯穿裂缝那样直接危害到结构的承载能力，但由于微裂 纹的存在使结构受到不同程度的损伤，结构的安全性会有所降低。在一定条件下， 如遇到偶然荷载( 地震、水击等) 作用，就很容易发展成为宏观裂缝，并有可能 继续开裂扩展，最后导致结构破坏。另外，混凝土裂缝会使结构物发生渗漏。渗 漏的结果，一方面在水自然运动作用下使裂缝逐步扩宽和发展；另一方面当水渗 入混凝土内部后，将溶解一部分水泥的水化产物并导致其流失，加快裂缝的开裂。 渗透水的冻融还可能导致结构发生冻融破坏。因此，温度及其裂缝问题己成为混 凝土结构的重要研究领域5 例。 1 0 永泥水化热引超混凝土肉部温度舞高，在混凝土表面产生拉应力，当渥凝土 结构内外温差大于2 5 时，所产生的拉应力超出混凝土的抗拉能力，使得混凝 土表面被拉裂丽产生裂缝。外界温度过低，导致混凝土内外温差加大，容易产生 温度裂缝。约束条件的影响，大体积混凝土由于温度变化，产生变形，如果这种 变形受到约束就会产生约束应力，当应力超过允许值，会使混凝土结构产生裂缝。 还有一个是体积收缩。混凝土凝固过程中体积减夺，弓| 起收缩变形。在混凝土初 凝阶段表面水分散失较快，此时混凝土抗拉强度较低，也很容易引发裂缝b 旧引。 影响混凝水化热舞温的因素： ( 1 ) 水泥型号、细度和矿物组成。水泥型号、矿物组成和细度对混凝土内 部水化升温有直接的影响，一般说来，大体积混凝土用水泥c 3 a 与c 3 s 的