预应力混凝土桁架梁桥施工过程中的变形控制

材料，通过施加预应力筋可以节省10%以上的材料；考虑技术方面，桁架桥受力明确，便于分析计算，刚度较大，简支桁架是外部静定的，内部有较低超静定，杆件受力分布较为合理；考虑施工方面，桁架桥施工工期较短，装配简单[2]。另外，桁架桥对地基的承载力要求较低，整体较稳定。因此，桁架桥在桥梁建设中具有较强的实用性。随着我国交通事业的迅速发展，大跨度预应力混凝土桁架梁桥也得到了广泛的应用。

桁架梁早期曾采用木桁架，但因木材易腐朽，强度低，跨越能力不大，现在已经不大使用[3]。钢齿板连接木桁架（轻型木桁架）是采用齿板将规格材连接而成的工程木制品，它的应用提高了木桁架承载能力。相关试验表明轻型木桁架在设计荷载下有很好的工作性能，是一种经济、可靠、环保的结构体系[4]。钢筋混凝土桁架桥拉杆因受拉力而出现裂缝，故甚少修建。对装配式钢筋混凝土简支梁桥而言，在技术经济上合理的最大跨径为20m左右。对于超过20m的大跨度混凝土桁架梁桥，为克服桁架梁桥竖杆及下弦杆件受拉而产生裂缝，采用预应力混凝土桁架，使拉杆在外荷载作用下产生很小的拉应力，以保证在设计荷载下不出现裂缝[5]。

预应力混凝土桁梁设计有多种型式，选择桁梁型式时要求杆件连接部分尽可能简化，同时要综合考虑构件的构造尺寸。根据这个观点，选择霍氏桁梁[6]是合理的。周边地区修建了几座霍氏预应力混凝土桁架桥，如姜堰董潭大桥（82m）、兴化红星大桥（82m）及江都武坚大桥（82m）等。

预应力混凝土桁梁有着很好的发展前途，目前桁架的结构型式做的越来越完善。认为拉压构件桥梁即桁式结构体系是最优桥式结构，无论在中小型桥梁还是在大跨度桥梁的比选中，都具有极大的竞争力，具有广阔的应用前景[7]。

1 武坚大桥工程概况

1.1 设计标准

①本桥接线公路等级：四级公路，设计速度：20km/h。

②桥梁设计荷载：公路-Ⅱ级的折减（车道荷载的效应乘以0.8的折减系数，车辆荷载的效应乘以0.7的折减系数）。

③桥梁宽度：净-4.5m车行道+2×0.5m防撞护栏，桥梁全宽5.5m；路基宽度：净-4.5m车行道+2×0.5m土路肩，路基全宽5.5m。

④桥梁纵坡：桥梁两端纵坡为5.0%，竖曲线半径为1000m，变坡点设在桥中。

⑤本桥结构的设计基准期：100年，设计安全等级：二级，环境类别：Ⅰ类。

1.2 主桥结构设计

主桥采用82m预应力砼桁架梁结构，其计算跨径为80m，计算高度为8.0m，高跨比为1/10；桁架梁上、下弦杆均为矩形断面，尺寸分别为65～85cm×65cm和85cm×65cm，节点间距8.0m，节点处设置横梁。主桥桁架梁跨中设置8cm预拱度，按二次抛物线全跨分配。

2 施工方案与程序

2.1 主桥上部结构施工方案

主桥上部结构施工程序：

①场外分段预制桁架梁，对桁架梁竖拉杆进行张拉，压M40水泥浆。利用主墩及临时墩现场搭设施工支架，预压施工支架。

②安装3中段桁架梁，现浇湿接头。

③安装相应的内横梁及风撑，现浇湿接头。

④张拉桁架梁下弦杆第一批钢束，压M40水泥浆。

⑤安装2边段桁架梁，现浇湿接头。

⑥安装端横梁和相应的内横梁及风撑，现浇湿接头。

⑦张拉桁架梁下弦杆第二批钢束，压M40水泥浆。

⑧对称均匀铺设桥面板。

⑨张拉桁架梁下弦杆第三批钢束，压M40水泥浆。

⑩拆除桁架梁支架。

{11}浇筑桥面铺装砼、防撞护栏砼等。

{12}张拉桁架梁下弦杆第四批钢束，压M40水泥浆，封锚。

{13}施工桥面其他附属设施，成桥。

2.2 主桥上部结构部分施工流程图

主桥上部结构部分施工流程图如图3所示。图为张拉桁架梁下弦杆第四批钢束，压M40水泥浆，封锚。施工桥面其他附属设施，成桥。

3 施工变形控制的目的

通过理论分析，可以得到各施工阶段的理想标高，但实际施工中受各种因素的干扰，可能导致成桥线形偏离设计要求，构件拼装精度达不到设计要求，给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不同程度的影响。因此，有必要对施工全过程实施有效的施工监控，确保成桥线形最大程度符合设计要求。目前，施工变形控制已成为大跨度桥梁修建必不可少的质量保证措施。因此，本桥施工变形控制的主要目的就是要确保施工过程中变形满足安全要求，同时保证成桥后结构的线形符合设计要求。

针对混凝土桁架梁桥的结构特点，施工变形控制首先必须对桥梁进行详细的事前预测分析，即在施工前对施工方案进行研究和分析，准确模拟施工过程，确定施工过程中控制变形的关键点，从宏观上控制全过程的安全和稳定。

桥梁施工变形控制是一个系统工程，主要包括两个部分：一是数据采集系统，即监测；另一部分是数据分析处理系统，即控制。

混凝土桁架梁桥的施工变形控制是利用事先在桁架梁主要关键点埋设的性能各异的传感器和相关的测试仪器，按施工方案的工序确定监测工况，测得大量数据，包括几何参量。本次施工变形控制主要包括的内容：桁架梁拼装过程中关键节点的控制标高。

混凝土桁架梁的施工变形控制是利用计算机软件，对数据进行分析处理，与原设计进行比较和误差分析，并确定和指导下一个阶段的施工参数，预报施工中可能出现的不利状况及避免措施，尽可能使桥跨结构的线形达到设计预期值，确保桥梁施工安全和正常运营。

4 施工变形控制的原则

桥梁的施工变形控制是一个预告→量测→识别→修正→预告的循环过程。施工变形控制的主要目的是确保施工中结构的安全和成桥线形满足设计要求，即结构变形控制在误差允许范围内，结构有足够的稳定性。

线形要求：成桥线形满足规范要求，并确保桁架梁拼装节点坐标与预制构件线形符合设计要求。

本桥施工变形控制的方法：桁架梁中节点位移在施工过程中实时监测并反馈，全桥结构以桁架梁截面变形作为控制。线形的控制主要通过桁架梁拼装施工过程中构件节点标高的调整实现。

施工中，如发现线形误差偏大（如湿节点标高与设计值相差较大），应暂停施工，查明原因，及时纠正，尽可能满足要求。

5 施工变形控制系统的建立

根据本项目的实际情况选用自适应控制方法，其基本原理为：通过施工过程的反馈测量数据，不断更正用于施工控制的跟踪分析程序的相关参数，使计算分析程序适应实际施工过程，当计算分析程序能够较准确的反映实际施工过程时，即以计算分析程序指导以后的施工过程。其基本步骤如下：

①以设计的成桥状态为目标，按照规范规定的各项设计参数确定每一施工步骤应达到的分目标，并建立施工过程跟踪分析程序；

②根据上述分目标开始施工，测量实际结构的变形数据；

③根据实际测量的数据分析和调整各设计参数，以调整后的参数重新确定以后各施工步骤的分目标，建立新的跟踪分析程序；

④反复上述过程即可使跟踪分析程序的计算与实际施工相吻合，各分目标也成为可实现的目标，进而利用跟踪分析程序来指导以后的施工过程和必要的调整与控制。

武坚生产桥主桥跨径82m，系预应力混凝土桁架梁结构，通过施工中的构件控制截面标高数据采集，对所采集的数据进行误差分析后，不断修正设计参数，使标高的计算与实测值之差不断缩小，从而使计算程序控制住当前的施工过程，进而预估将来的施工状况，达到施工变形控制的目的。

本桥施工过程中变形控制应密切注意：桁架梁下弦杆拼装湿节点坐标的误差。

当然，在施工过程中，误差的产生是不可避免的。当控制点标高误差等参数满足工程精度要求，则不必调整；当误差超出精度控制范围或各工况的累积误差已不容许时，则必须进行调整。

6 施工变形控制计算分析

利用空间有限元软件SAP2000V14进行计算分析。该系统具有强大的计算功能，能进行各种结构体系荷载的线性与非线性结构响应计算，能够实现复杂的截面施工操作，能够有效地模拟施工中采用的临时支架，能够进行结构上下部共同作用的分析；可进行分阶段施工过程的计算分析，输出各施工阶段对应的结构响应。

施工变形控制计算是将按实际施工过程划分施工单元，按实际施工流程，计算桁架杆件在施工过程中的竖向变形值。

7 施工过程中的变形控制点布置

7.1 支架预压监测

在桁架梁拼装前，施工单位需根据设计和规范要求对支架进行堆载预压，以消除其非弹性变形和沉降。监控单位分别对支架预压前、预压完成后（卸载前）和卸载后三个工况的沉降进行监测，由此得到支架的弹性变形值，用于桁架梁下弦杆节点标高计算。

7.2 结构变位监测

结构变位监测主要包括基础（或临时墩）沉降测量，桁架梁控制截面标高测量。

①基础沉降测量

在基础的承台上布设测点，共设6个位移观测点。用水准仪进行基础沉降观测，测点布置见图4。

②桁架梁控制截面标高测量

由于桁架梁一旦形成，后期调整余地很小，因此，桁架梁在预制阶段就要对其线形严格控制，在安装过程中应监测其截面控制点标高，对控制点截面各个工况的位移进行监测。两片桁架梁位移测量共设6个位移观测点。一片桁架梁位移测量的测点布置见图5。

8 桁架梁位移监测与分析

8.1 支架预压监测与分析

支架预压测点布置见图6。由表1可见，临时支墩的平均弹性变形值为5mm，支架跨中的平均弹性变形值为43.5mm。因此，建议桁架梁安装时跨中设置40mm预拱度，按二次抛物线全跨分配。

8.2 桁架梁位移监测与分析

工况一：搭设中孔桁架梁及横梁支架，安装桁架梁中间3段及相应横梁和风撑，张拉桁架梁下弦杆钢束（一次）。

工况二：安装剩余的桁架梁及相应横梁和风撑，张拉桁架梁下弦杆钢束（二次）。

工况三：铺设桥面板，张拉桁架梁下弦杆钢束（三次）。

工况四：拆除桁架梁支架。

工况五：浇筑桥面铺装砼等，张拉桁架梁下弦杆钢束（四次），成桥。

桁架梁位移监测测点布置见图7，各工况桁架梁位移实测值与分析值比较见表2。由表2可见，实测值与分析值差值之平均值：Y平均=7.3<10mm，各工况桁架梁位移实测值与分析值基本吻合，仅在工况4时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.5cm，在工况5时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.7cm，其主要原因有二：一是实际施工程序发生变化，即桥面铺装在拆除支架前完成浇筑，二是临时支墩反力的大小及其分布与计算模型产生的误差影响。考虑本桥跨中设置了8.0cm预拱度，因此，此偏差对桥梁线形影响较小。

9 结论与建议

①根据支架预压监测结果分析，建议桁架梁安装时跨中设置40mm预拱度，按二次抛物线全跨分配。

②桁架梁各工况测点位移实测值与分析值差值之平均值：Y平均=7.3<10mm，测点位移实测值与分析值基本吻合。工况4时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.5cm，工况5时桁架梁跨中测点位移实测值小于分析值1.7cm，其主要原因有二：一是实际施工程序发生变化，即桥面铺装在拆除支架前完成浇筑，二是临时支墩反力的大小及其分布与计算模型产生的误差影响。由于本桥跨中设置了8.0cm预拱度，因此，此偏差对桥梁线形影响较小。

③综上所述，通过对预应力混凝土桁架梁桥施工过程进行变形控制，其成桥过程中的线形符合设计及规范要求。

参考文献：

[1]范立础.桥梁工程上册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]文昌福，刘东旭.基于ANSYS的预应力混凝土桁架桥设计[J].交通科技，2012.

[3]黄浩，何敏娟.轻型木桁架应用及设计[J].建筑技术，2009，40（09）：815-818.

[4]许晓梁，马人乐，何敏娟.轻型木桁架静力试验及承载能力分析[J].特种结构，2006，23（01）：01-04.

[5]吕志涛，刘钊，孟少平.浅论我国预应力混凝土梁桥的技术与发展[J].桥梁建设，2001，01：52-56.

[6]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1992.

[7]黎述亮，金文成.预应力混凝土斜拉桁架桥的应用前景[J].中外公路，2011，31（02）：169-172.

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