大跨度预应力混凝土连续箱梁桥施工监控计算分析

论文总字数：52292字

摘 要

随着现代科学技术的发展，大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工技术也在快速的发展，同时，由于施工过程中的影响因素众多，使得施工监控在桥梁建设中起着至关重要的作用。本文以安徽省阜阳至周集高速公路颖河特大桥主桥为背景，对该桥梁在施工中所运用的施工方法——悬臂浇筑法进行了解和研究，同时提出在施工过程中的对桥面的高程控制参数。

本课题首先应用迈达斯桥梁设计软件进行连续箱梁桥的建模，通过建立节、单元，设置截面形式和预应力筋的布置，以及不同阶段的不同边界条件，利用软件计算出该桥梁在承载能力极限状态和正常使用极限状态时的设计复核，并且根据软件的计算成果提出施工高程控制数据。施工高程控制数据，主要是根据施工过程中，桥梁各个阶段的挠度来提出，将施工过程中桥梁的下挠数值进行反向上挠，这样可以使得在实际施工过程中，该项影响被消除掉。与此同时，本文还对悬臂施工法进行了介绍，通过介绍悬臂施工法的发展和具体施工步骤，来更好的了解该桥梁的施工方法。

通过本课题的研究表明，经过迈达斯软件的计算，该桥梁的承载能力符合要求，抗裂性能较好，达到设计规定的要求。悬臂施工法是一个运用非常广泛的施工方法，同时，在施工过程中的施工监控，对于桥梁建设是具有非常大的意义的。

关键词：大跨度桥梁， 箱梁，预应力混凝土，悬臂施工法，受力分析，施工监测

ABSTRACT

With the development of modern science and technology, large span prestressed concrete continuous girder bridge construction technology is also in fast development. At the same time, because of many influence factors in the process of construction, the construction monitoring plays an important role in bridge construction.To set YingHe highway super-large main bridge in Fuyang Anhui province as the background, this paper is on the operation of the Bridges in the construction method —— the cantilever method—— to understand and study.At the same time, this paper puts forward in the process of construction of bridge deck elevation control parameters.

In the thesis, the Finite Element models of the prefabricated girders and the continuous bridge are at first set by MADIS. In order to calculate the bridge in the carrying capacity limit state and serviceability limit state design review,we use software to finish it. And according to the calculation results of software construction elevation control data is put forward. Construction elevation control data is mainly according to the construction process. This can make the effect eliminated in the actual construction process. At the same time, this article also introducesthe cantilever construction method.Through the introduction of the development of cantilever construction method and specific construction procedure, we have better understood the construction method of the bridge.

Through the study of this subject, we use Midas software to calculate. The bridge bearing capacity meets the requirements, and also has the better crack resistance, to achieve the requirements of the design. The cantilever construction method is one of the construction method of using a very wide range. At the same time, in the construction control in the process of construction for bridge construction is a very big significance.

KEYWORDS: long-span bridge, box beam, prestressed concrete, cantilever construction method, stress analysis, construction monitoring

绪论

选题背景及意义

在现有的桥梁中，我们可以看到各种桥型的桥梁，而其中数量最多的便是梁桥。其常见原因是因为连续梁桥具有较好的特性，如在建造过程中不复杂，过程较为简单；由于在施工中可以不断的调整高程，成桥之后梁桥的变形小；连续梁桥伸缩缝小；整体结构刚度较大，整体性好，所以不易变形；在成桥之后的养护也非常简单，减少了养护所需的人力物力；同时由于其结构较为稳定，则其抗震能力强等。在60—150m跨径范围内，对于混凝土用量来说，连续梁体系的用量相对于简支梁和悬臂梁来说，小得多，并且与T型刚构、连续刚构体系用量比较接近。所以，预应力混凝土连续箱梁桥主要运用于40—150m跨径范围内的桥梁中，并且因其优良的经济性，在该范围跨径中，占据了主导地位^【1】，并运用广泛。

近几十年来，我国道路桥梁的发展水平突飞猛进，逐渐跻身进了世界建筑的前列中，这些主要得益于我国的经济快速发展，带动了科学技术的不断革新和进步，从而解决了工程界许多难解的问题。因此，作为使得交通畅通的必备的桥梁工程也得到了高度的重视和大力的发展，其中，大跨度预应力连续箱梁桥因其施工简单、桥面平整、跨度较大等优势受到了工程界的青睐，运用到了很多桥梁中。

本课题所研究的大跨度预应力混凝土连续箱梁桥，在目前的施工过程中，大多采用悬臂施工法来进行施工，且该种桥梁形式属于超静定结构。在20世纪70年代时，我国便开始对大跨度预应力混凝土连续箱梁桥进行发展和研究，并将该桥型用于桥梁建造中。在60m—150m跨径范围内，预应力混凝土连续梁桥的应用十分的广泛，且相对于其他桥型来说，具有很大的竞争力。但是，当跨径一旦超过了150m，预应力混凝土连续梁桥则很少被使用，因为这种超大跨径的预应力混凝土连续梁桥，需要特大吨位的桥梁支座来支撑桥身，但是，特大吨位的桥梁支座使用寿命小于桥梁使用寿命，二者不相同，若期间需要更换支座，则支座更换的难度非常大，且养护维修的费用也非常的大^【2】。与此同时，由于跨径的加大，使得混凝土使用量增大，桥梁自重过大。自重的增大必然导致了桥梁造价的增加，同时也增大了施工难度，使得工程变得不经济。

跨径越大的桥梁，其在施工上来说，难度也越大。主要是由于随着跨径的增大，支座所承担的重量增加，对于支座性能的要求也会很高，同时，桥身自重增加，对于配筋要求提高，会更加不经济，且建造难度也不断增大，对于材料各方面的强度、刚度要求也随之提高。为了保证施工与设计的吻合，在施工过程中进行施工监控是非常重要的，这关乎到工程的安全性能以及成桥后桥梁的质量问题，同时，成桥后是否符合设计规范的要求，也跟施工过程中是否实时调整误差有很大的关系。众所周知，在桥梁施工现场，由于各种不可控的因素，如温度、工人施工水平、材料等因素，会导致施工状态与设计状态并不是完全符合，而施工过程中的机动性，施工现场会出现各种突发情况，是设计人员无法想象到的，而这些突发情况或者误差的不断叠加，会使得最终成桥与设计要求差异很大。因此，从上述描述中我们可以知道，施工监控在整个施工过程中都起着非常重要的作用，并且直接影响了最终的成桥状态。在施工中，需要根据施工监控的数据，来随时调整施工过程和有关技术问题。

桥梁分段施工被广泛承认，得益于其在提出和论证之初，就是建立在令人信服的、成熟的结构建筑原理基础之上的。正是因为该施工方法的原理令人信服，所以世界各国都在广泛应用该方法进行桥梁施工，同时，也认为该方法是可以节省造价，同时在施工中施工安全也可以得以保证，使得工地更易管理。

桥梁结构体系以及桥梁跨越能力之所以可以迅速的发展起来，主要还是由于分段施工法的提出和不断完善，从而使得钢桥和混凝土桥的跨径不断增大，其实用性能增强。现在我们所建造的桥梁和近几十年所建造的桥梁大都采用悬臂施工法来进行施工。对于本文研究的大跨度预应力混凝土连续梁桥来说，施工监控中最重要的部分就是对桥梁合拢时的施工监控，因为桥梁在合拢时易产生由于高程监测不到位，使得合拢段无法合拢或产生桥梁坍塌，同时，还有施工中的变形控制，其中监控过程中最关键的问题就是体系转换问题。在合拢段施工过程中，支座需由固结支座转换成铰接支座，其工况将发生变化。

从分段施工法的广泛应用，我们可以了解到其众多的优点^【3】。

（1）分段施工法可以广泛应用于各种环境条件下，且适用于各种桥型，如斜拉桥、悬索桥、拱桥等多种桥型，且该方法对于桥梁跨径并无太多的要求。该方法施工效率高，可多段同时施工，并且桥梁模版可以重复利用，经济性好。

（2）分段施工法由于工序较为简单，分工明确，使得工程费用比整体施工法低10%——20%左右，可以节省造价。

（3）分段施工工期较短，可以在施工时同时预制，即可迅速拼装。

（4）分段施工所占场地较少。

（5）分段施工不影响通航和桥下车辆通行，施工所需的场地较小，可以应用于城市立体交通建设以及山谷河流等环境中的桥梁建设中，同时也有利于保护桥梁周边的环境。

（6）分段施工对于劳动力要求较低，对于材料要求，可以就地取材，也可预制。

（7）分段施工的质量容易保证。

（8）分段施工中，每个分段的施工步骤都是重复且相同的，所以，该方法对于施工人员来说有较好的熟练程度，同时能将前面遇到的各种问题和解决办法应用到后续的分块中，其可靠性也随之增加。

但是分段施工也有施工工序多、受力体系需要转换等缺点。

国内外连续箱梁桥及分段施工法的发展现状

分段悬臂施工法是分段施工法中的一种，也是其中最基本的方法。早在公元四世纪，就利用悬臂施工法建造了桥梁，该桥梁是位于日本光城的肖冈（Shogun）桥，是迄今为止世界上第一座利用悬臂施工法建造的桥梁^【4】。到了17世纪时，位于不丹境内的万迪包尔（Wandipore）桥利用圬工结构实现了悬臂施工法，该桥把原木架设在圬工台上，并且不断拖动，最后两端的原木不断靠近，形成两个悬臂端，最后这两个悬臂端用一根轻梁连接起来^【4】。随着世界的科学技术水平不断进步，钢铁冶炼行业逐渐兴起和不断完善，在桥梁中也逐渐利用金属构件来预制桥梁构件，从而使得悬臂施工法能够更好的运用。位于加拿大的魁北克（Quebee）桥和英国的福斯湾桥都是运用这种技术的典范^【5】。从以上的例子中可以看出，分段施工法在很早之前就运用于各国的桥梁施工中，且随着科技的进步在不断的发展和完善。

预应力混凝土的出现，开启了近现代混凝土桥梁建造的新大门，使得桥梁跨径进一步的增大，桥梁受力更加合理。世界上最早出现的预应力混凝土桥梁，是由法国的预应力之父Freyssinet在1945年至1948年率先提出并且运用的。该方法最开始应用于法国，并且建造了五座桥梁，这五座桥梁屹立于巴黎附近的马恩河上，且都是利用预制桥段进行分段施工的这项在当时来说的新技术。此后，在此基础上，出现了预应力混凝土悬臂桥梁利用挂篮进行悬臂浇筑的分段施工新技术，该项新技术是由德国工程师Finsterwald提出的，并且将其利用建造了跨越莱茵河的Worms桥，该桥是桥梁史上的一个标志，标志着预应力混凝土桥首次突破100m跨度。在1950年至1965年的这15年间，欧洲的悬臂施工预应力混凝土桥梁技术得以迅猛发展，建造了300多座跨径在76m以上的预应力混凝土梁桥。从此以后，预应力混凝土连续梁桥的悬臂施工法在世界各国盛行^【6】。

在桥梁分段施工技术方面，与世界其他国家相比，我国应用的较晚。在1900——1949年的这段时期，中国的桥梁发展几乎处于停滞状态，究其原因，更多的在于中国的闭关锁国，使得中国错过了世界经济技术的发展时机，在那段时期，几乎没有中国自行建设的桥梁工程。在为数不多的自行修建的桥梁中，目前我们最为熟知的、也是其中最具代表性的就是茅以升老先生主持修建的杭州钱塘江大桥。新中国成立后，中国开始与国际接轨，了解到了更多的专业知识和技术，我国的桥梁才开始采用预应力混凝土工艺，同时随着施工现场起重技术的不断发展和进步，起重重量不断增加，使得更加容易建造中小跨径的预应力混凝土简支梁桥。在当时修建的这些简支梁桥，由于设计跨径都不是很大，其施工方法主要是“横向分段施工”，即把桥梁在横向进行分片，随后进入预制厂预制，在现场安装完成后将各个分片进行横向连接，使得整个桥梁在横向产生横向联系，由各个分片变成一个整体。然而在20世纪50年代中期，在桥梁施工过程，我们将钢桥施工时选用的悬臂施工法运用到了混凝土梁桥中。在混凝土梁桥中使用悬臂施工法，其基础就是需要先把桥墩架立好，并具有一定的强度，在桥墩上搭设挂篮和支架，同时为了保证施工的平衡，两端同时向外施工，悬臂浇筑，使得桥梁的跨径可以不再受施工方式的影响，桥梁跨径也超过了100m，而桥梁截面也从简单的T形和工字形截面发展到了箱型截面和桁架梁结构。虽然，当时中国的桥梁在迅猛发展，其预应力的使用和悬臂施工法的利用，使得桥梁跨径超越了100m，但是，仍与国外先进的戴伟达克式的挂篮悬臂施工有一定的差距。随后，在1959年，预应力混凝土连续梁桥的施工方法中又出现了顶推法这种新的技术。随着社会的不断发展，人类对于施工方法的研究的不断深入，工程经验不断增多，多跨桥梁和高架桥梁随着高速公路的兴起而被大量建造。在建造过程中，人们通过总结大量的工程经验，提出了很多施工方法，如逐跨移模施工和逐段延伸施工。在桥梁施工发展过程中的最近几十年，桥梁施工技术随着工程实例的增多以及技术的发展在不断的完善，而其中使用最多的便是现浇或拼装分段技术。最初，主要利用平衡悬臂施工法，而后期，很多随着技术发展，为适应不同桥型的不同工艺不断出现，如逐跨施工、逐段施工和顶推施工，也在被广泛的运用。预制或者现浇的施工，都可以使用在上述所有的施工方法中，且可以根据工程的实际情况进行混合使用。因此，在目前的桥梁发展现状中，几乎可以在任何施工环境下，任何桥型中，采用各种设计方案和施工方案进行分段施工。在1950——1978年这段时间中，我国桥梁业在不断发展，经历了最开始的艰苦和曲折的发展过程，在此期间，建成了闻名全国的南京长江大桥和武汉长江大桥。南京长江大桥是我国桥梁史上的一个里程碑，该桥位于江苏省南京市，主桥为公铁两用桁架桥，长1576m。之所以说南京长江大桥是我国桥梁史上的里程碑，是因为由于当时中国的政治背景，苏联撤走所有的科研人员，所以南京长江大桥完全由我国自己的技术和材料建造完成的长江大桥。因此，南京长江大桥的顺利建成标志着我国的桥梁建造技术进入了独立的新水平、新阶段。1979——1999年，在这20年间，中国桥梁技术的发展非常迅猛，取得了令世界瞩目的成就，并且，中国桥梁技术水平已经迅速的赶上了世界桥梁建设的先进水平。上海市的三座大桥——南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥的建造成功，确立了我国桥梁建造水平在世界桥梁界的地位，标志着中国从此走上了世界桥梁王国之列。到目前为止，我国已经可以独立设计、建设，并且熟练建造各种桥型的大跨境、深水基础桥梁，已建成多座深水基础桥梁，目前在建的港珠澳大桥，虽然在建中遇到了诸多考验和挑战，但是，我国的技术人员依旧在不断努力，通过自己的聪明才智，来解决港珠澳大桥的各种技术难题，为了港珠澳大桥的顺利建成，做出自己最大的努力。港珠澳大桥一旦建成，将被记录在世界桥梁史册中，成为世界桥梁史中的一颗明珠，成为中国桥梁中的标志，同时，也标志着我国的桥梁建设技术跻身世界前列。

连续箱梁桥发展方向

（1）预制梁轻型化。预制梁轻型化，顾名思义，即通过材料或者结构形状的改变和研究，使得预制梁的自重减少。由于预制梁自重减少，则对于下部结构的压力也随之减少，对于对预制梁的吊装也变得更加方便，不需要使用起重能力更高的大型起重设备，节省了场地和开支，同时，对于自重的承载所需的钢筋数量也随之减少。我国自己的箱型单梁上，还有着在受力方面并不需要的高且厚的腹板，腹板在受力中并不其过多的作用，这在一定程度上浪费了材料，增加了自重，所以我们将箱型梁不断加宽，并且减少桥梁横截面上箱的数量，从而使得腹板数量减少，体积也随之减少，使得梁段的自重降低，节省材料，缓解吊装的压力。不过，单梁的轻型化，则对于施工监控的要求更高。因为由于单梁的质量变轻，其稳定性能必然会下降，变形也会随之增加，所以在设计计算过程中，所使用的公式就不是原来所使用的，而要考虑大变形理论，目前，桥梁设计的软件都是利用有限元来进行变形计算。所以，在实现单梁轻型化后，由于其质量变轻，其稳定性能会相应的降低，如何保证单梁的稳定性符合要求是整个施工阶段的关键性的技术问题。在施工中，要考虑几何非线性和材料非线性的影响，计算每一个步骤的稳定系数，保证整个工程万无一失。

（2）预制梁跨度大型化。预制梁跨度之所以能大型化，也是因为预制梁的轻型化以及吊装水平的不断提高，因此，随着大跨度梁的重量不断变轻，随之而来的就是桥梁跨度可以进一步增大。大跨度梁的预制，可以使得结构受力更加平均，减少了由于分段预制的连接缝的连接工序和出现的应力集中现象，受力方面更加合理，工序减少，施工更加简便。由于大跨预制结构有以上许多的优点，且其工艺也日益成熟，所以我国采用该结构的桥梁数量也越来越多。

（3）锚固张拉体系采用大吨位的。因为大跨度桥梁的钢筋配置会很多，使得预应力筋的管道和普通钢筋之间距离较小，混凝土层较薄，质量难以提高，且由于配束过多，为了保证保护层，箱梁构造尺寸必须相应增大。为了避免此类问题的产生，需要采用大吨位的锚固张拉体系。

（4）可以采用悬臂顶板的单箱截面，在节省材料的同时可以减少桥梁自重，并且可以采用悬臂施工的方法，来降低施工难度，加快施工进度，充分发挥三向预应力的优点。

（5）新材料的发展以及工程上的运用^【7】。研究出的新材料需要具有强度高、刚度大、弹性模量高、质量轻等特点。前者是为了符合桥梁强度的要求，而轻质则是为了减少桥梁自重，减轻吊装压力，使得桥梁跨径可以进一步增加，进入一个新的里程碑。

（6）运用先进的技术进行桥梁设计和桥梁监控。在桥梁设计中，运用计算机辅助手段，如现在大热的BIM技术以及相关的桥梁设计软件，进行有效的、正确的、高速的优化和分析。在桥梁施工过程中，到目前为止我们都使用的是GPS等技术来实时监测桥梁施工过程中的高程、变形等情况。而当桥梁交付使用之后，通过计算机辅助手段，通过自动监测和管理系统时时监测，从而保证桥梁的安全和正常使用，如若发现损伤，则自动发出警告，同时进行大致的损伤地点和损伤原因分析，给出一定的修补建议和日后的养活对策。

（7）桥梁美学和环境保护的重视和发展^{【7】【8】}

在人类社会发展的历史过程中，桥梁在很早之前就产生了，是最古老的建筑工程之一，同时，一座好的桥梁，会屹立在那里千百年，造福周围的人们，见证着历史和王朝的更替兴衰。而在历史上，那些著名的桥梁，无一不是拥有着自己独特的形象、稳定的结构、艺术感染力，来反正当时的社会发展和社会审美的体现。桥梁，是一个国家、一个城市发展的至关重要的纽带，它连接了原本不可跨越的各地，大大节约了运输成本和时间成本，同时，一座好的桥梁，其与周围环境的良好融合、强劲稳固的结构力感和强大的跨越能力，都有可能成为一个城市的地标型建筑，成为一个国家的科技进步的标志。而桥梁建筑的美的形态和美的内涵，不仅仅体现了一个建筑师对于美的理解，也体现了社会发展过程中文化艺术的发展。桥梁的不断发展，离不开科技的发展，例如预应力技术的出现，使得桥梁承重能力不断增加，同时，桥梁自重随之减少，桥梁形式从而变得多样，桥梁的桥身高度从而可以减少。从桥梁美学方面，桥梁更具有美观性，当然，这种美观性也是建立在各种高科技的施工设施的研究开发和使用的基础上的。在不同国家，不同地区，不同信仰的地方以及不同的时代，桥梁的造型都不尽相同，因为桥梁造型艺术还积聚着浓厚的民族文化内涵，桥梁随着时间的更替、历史的变化，传承着历朝历代的文化，同时，因为地域的不同，我们也可以通过桥梁的研究得知同一时期不同地域的民俗文化。这是一种古代与现代的文化交流，也是一种不同地域之间的文化交流。随着历史的发展，时代的更替，中国的桥梁建设，以其独特的建筑风格和良好的做工，为世界桥梁史留下了非常宝贵的财富，同时也做出了巨大的贡献^【9】。21世纪的桥梁设计，会更加注重桥梁美学和桥梁景观设计，更加注重环境保护，使得建筑与环境能够更好的结合，人文环境同环境景观完美结合^【10】。在21世纪中，桥梁工程将会不断的发展，会再上一个新台阶，进入一个新的阶段。

概述

本课题主要研究大跨度预应力混凝土连续箱梁桥施工监控和计算分析。

本课题需要根据已有的设计图纸，按照连续箱梁桥的施工程序，运用平面杆系程序桥梁博士或者迈达斯对上部结构进行设计复核计算，并且通过计算成果提出施工过程中的高程控制数据。该课题需要深刻了解桥梁结构，掌握桥梁结构设计的要点，通过分析施工方案和施工监控的要求，正确划分施工程序。同时根据施工程序，正确建立平面杆系的有限元模型，使得模型达到施工监控的要求，输入正确的相关条件，进行结构分析。在承载力计算时，要计算若干关键断面的极限承载能力及其相关的应力验算，同时，需要进行正常使用极限状态的验算，包括对结构变形的验算和抗裂性能的验算。最后，根据计算的结果，需要提出施工过程中各个主要工序的高程控制条件，达到施工监控要求，并绘制必要的CAD图纸。

第二章 连续箱梁桥悬臂施工方法

2.1 悬臂施工方法程序^【11】

预应力混凝土连续梁桥按照施工程序的不用，有三种不同的施工程序：

2.1.1 逐跨连续悬臂施工

第一步：首先从B桥墩开始进行悬臂施工。

第二步：利用满堂支架，进行边跨合拢，B桥墩的临时固结释放后变成铰接，形成单悬臂梁。

第三步：从C墩开始进行悬臂施工。

第四步：将BC跨的中跨进行合拢施工，为了保证桥梁的受力，释放C墩的临时固结，进行体系转换，形成带悬臂的两跨连续梁。

第五步：桥梁边跨的边段合拢，完成该三跨桥梁的连续梁施工。

2.1.2 T构单悬臂连续施工

第一步：首先从B桥墩开始进行悬臂施工。

第二步：架设满堂支架，利用满堂支架进行混凝土的浇筑工作，进行边跨合拢，为了保证桥梁的受力，B桥墩的临时固结释放后变成铰接，进行体系转换，形成单悬臂梁。

第三步：从C墩开始进行悬臂施工。

第四步：利用满堂支架，进行边跨合拢，C桥墩的临时固结释放后变成铰接，形成单悬臂梁。

第五步：对BC跨的中跨进行合拢施工，完成该桥的连续梁施工。

对于多跨连续梁来说，当进行中跨的合拢施工时，可以几个中跨同时施工，从而可以减少施工时间，提高施工效率。

2.1.3 T构双悬臂连续施工

第一步：首先从B桥墩开始进行悬臂施工。

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