第5期2003年10月
公 路 交 通 技 术TechnologyofHighwayandTransportNo.5Oct.2003
山区高墩高架桥修建技术难点分析
陈 斌 许晓峰 韩洪举
(重庆交通科研设计院 重庆400067) (贵州省公路桥梁工程总工司 贵阳550001)
摘 要 简要地从设计、施工、施工控制、运营等方面,分析了山区高墩高架桥建设中必须引起高
度重视地一些技术难点问题。并对部分问题提出了解决办法或进一步研究的方向,以供参考。关键词 高墩高架桥 温度应力 抗震措施 施工控制 施工稳定性
Abstract Sometechnologicaldifficultiesofconstructingviaductswithtallpiersinmountainousregion,whichneedtobepaidcloseattention,arebrieflyanalyzedinthispaperaimingatdesign,construction,constructioncontrolandoperationetc.Thesolutionsordirectionsincurrentresearchonsomeissuesarepresented,whichareavailableforreference.
Keywords viaductwithtallpiers temperaturestress aseismicmeasure constructioncontrol construc2tionstability
在西部山区修建高等级公路,长大隧道、高墩高架桥是不可免的。要针对西部山区高墩高架桥的特点、难点,进行专题研究。1 设计技术
由此引起的局部约束应力不容忽视。
1.1 高桥墩温度应力分析
在公路高架桥上,为了改善上部结构的受力状况,下部结构一般都采用薄壁空心的柔性墩。这种桥墩在设计计算中,上部结构传来的各种荷载(主梁恒载、车辆活载以及各种偶然荷载)一般容易确定。然而影响桥墩受力的日照温差荷载,却十分模糊。但是,从一些实测资料看,它使墩沿横向产生的温差约束应力往往超过了活载效应。
就国内计算日照温差影响一般方法而言,以单侧照射为例,其温差与应变分布假设如图1。它假设沿某一方向的温差分布为:
T(y)=Toye-cyy这种假设是从实心截面的测量结果总结出来的,对于空心薄壁截面则只对于δ“足够小”的结构才正确。对高桥墩δ,对于h不可能“足够小”;另外混凝土导热性弱,在强烈日照下,墩箱内外温差大。在重庆万州至梁平高速公路张家坝大桥(100m空心薄壁高桥墩)现场,夏季墩箱内外温差可达8℃。
收稿日期:2003-01-23
作者简介:陈 斌(1970-),男,重庆市人,博士研究生,高工1
为改善壁墩的抗弯、抗扭性能,在空心墩里设置
一些横隔板,以减小薄壁的翘曲应力。横隔板使墩箱沿竖向分成多室结构,即使设置一些对流孔,也不可能起到较好的空气对流效果,从而使箱内沿竖向产生较大温差。在张家坝大桥现场,箱内坚向温差最大达8℃,而箱外竖向温差最大4℃。因此,高桥墩的温度分布是一个典型的空间温度场。但根据测量结果桥墩向阳、背阳侧的混凝土外表面温差,一般不超过1℃。
1.2 高墩高架桥抗震性能及措施
高墩高架桥,下部结构已成柔性结构,对其抗震的要求已经不能用“强度”指标衡量,必须进行“延性
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第5期 陈 斌,等:山区高墩高架桥修建技术难点分析 61抗震”设计,即在桥墩上预计在强烈地震下,可能出现塑性铰的地方,进行塑性铰构造设计,以期发挥塑性铰的耗能作用,保护桥梁整体结构不倒塌。
全不同的,后者可能以伤害为主,前者则是毁灭性的。
因此确定高墩高架桥构件的合理可靠度配置,对设计优化,物尽其用,安全运营都有重要意义。 1.4 柔性高墩高架桥车桥振动一般非索结构的梁式桥,其车激振动主要是梁的振动,下部结构由于其相对刚度较大又加上支座的隔振作用,不予考虑。对于柔性高墩结构,下部的柔性构件影响了结构的低阶振型。因此车桥振动应该是包括梁、墩和支座的整个结构的振动。图4是昆石高速公路某高架桥的前5阶结构振型图,结构的前2阶振型皆以柔性高桥墩为主;从第3阶开始,梁的振动才参与进来,因此从动力性能设计的角度必须首先考虑墩的振动。
2 施工技术
2.1 高桥墩的施工阶段
高桥墩施工,大都采用滑模或翻模施工,在西部山区的高等级公路建设中,翻模施工设备较便宜,因而采用多些。无论是何种施工工艺,对于薄壁的柔性高桥墩,在日照影响、施工偏载等情况下,都会引起桥墩轴线的偏移,若在施工过程中不进行适当的修正,将会使最后完成的桥墩轴线大大的偏离设计轴线,为主梁架设、制作带来严重后果。
由于高桥墩的柔性,在施工偏载和日照影响下,
高桥墩的柔性,使墩顶在地震作用下产生较大的、两方向的位移。以昆明至石林高速公路上某连续箱梁桥(墩高49m)为例,在设计地震(9级)作用下,墩顶最大位移分别为47cm(纵)、22cm(横),均大大超出了一般支座的容许范围。因此对于地震区的高架桥必须选用专门的抗震支座,设计专门的防落梁构造,以防止支座破坏后的落梁。如在墩(台)上设置耗能档块、耗能钢棒、耗能链条等。 1.3 高墩高架桥构件合理可靠度配置
可靠度理论已在桥梁设计规范中采用,可靠度概念逐渐取代了安全系数概念。但桥梁结构各构件的可靠度指标不是完全一样的,应随构件的重要程度不同而有所区别。随着桥梁构件自上而下的养护、维修、加固难度的增大,构件的可靠度要求也不断增大;山区高墩高架桥的防撞护栏的可靠度应大于平原地区普通桥梁,原因是其失效后的后果是完
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差。理论上,混凝土内外表面的温度差将使墩壁产
生翘曲(凹凸)变形,并使墩壁产生应力重分布,当然对于本课题研究的空心薄壁墩,由于墩壁厚与墩壁最小尺度的比值还不是太小,这种翘曲变形是不明显的;墩壁两侧面的温度差将使桥墩产生偏移,特别是在日光强烈的夏季的下午,这种偏移更加明显,由于这种荷载的作用时间长,且大都在宜于施工的好天气,因此它的影响是不可回避的。显然这种两侧面的温度差也将使墩产生应力重分布。 3.1.2 消除温度影响的方法 3.1.2.1 清晨校模法
消除温度影响的方法有很多,其中最简单就是选择合适的校模时间。每天的清晨,天刚亮的1h左
高桥墩的几何非线性效应十分明显,必须考虑联合
作用下的结构几何非线性施工稳定性问题。 2.2 主梁架设、制作阶段
对于高墩连续刚构桥,在主梁的悬臂制作过程中,由于日照温差的影响,将使墩顶发生纵向偏移、转动,使悬臂两端的制作节段出现立模偏差,并且箱梁本身在日照温差的影响也将发生挠曲,加剧了立模偏差,这是山区高架桥所特有的。
对于高墩简支梁桥,单侧主梁满架时,桥墩的整体稳定性是最差的,特别是在日照温差影响的联合作用下,多跨主梁在变化温度影响下的伸缩变形累计也会使桥墩产生较大的偏移。因此合理架设温度的选择也必须考虑。3 施工控制技术方面
右,整个结构通过一夜的热交换后,都处于均匀的温度场中,此时可作为各种测量的黄金时间。此时校准模板的测量基准点或墩上的某一测量基准点,以后的该节段的施工模板校验均以此点为准,而不再从岸上的固定水准点引出,这样可以消除日照温度差对模板安装精度的影响。
由于桥墩施工是在全断面上进行的,在施工面找一个相对固定的测量基准点是困难的。实际施工时,只有在节段外模板全部安装完成后,采用这种方法才是可行的,若每一节段都按这种标准进行校模的话,整个施工工期将会因此而大大拖延。 3.1.2.2 预偏量设置法
由于施工工序和工期的安排,有时不可能等到每天清晨校模,因此要采取理论预测日照偏移量的办法来消除日照温度差影响。
具体来说,就是首先通过模拟实际的桥墩结构以及结构温度分布情况,给出在假定日照强度下桥墩的温度状态,并且考虑在不同的施工高度,桥墩的偏移情况和应力情况。
然后实测桥墩在施工状态下的日照温度影响,通过等效到桥墩的温差荷载来计算结构偏移量以及应力重分布情况,在施工校模时,将墩上的模板测量基准点按计算出的偏移量予以预偏,当结构恢复均匀温度状态时,该基准点就会自动恢复到原正确位置,即偏差为零。
这种方法要采用有限元理论,对桥墩结构进行抽象、模拟,由于是实际工程施工模拟,因此还要对抽象出的力学模型进行系统辨识及力学模型的控制计算参数进行参数识别。同时对于结构的实际状态,包括应力状态、位移状态、温度状态进行测量和
高墩高架桥施工控制技术包括两方面内容: 3.1 高桥墩轴线偏差控制 3.1.1 偏差产生的原因
由于空心薄壁高桥墩为高耸的柔性结构,因此在施工过程中容易受各种干扰荷载影响,导致轴线放样偏差、结构应力重分布的出现。引起墩身偏移的因素很多,对于施工而言主要考虑的因素有:施工偏载、日照温差影响和风荷载。
不均匀施工荷载可通过合理的施工工艺、施工组织,将其降低到最小的、对结构不敏感的程度;风荷载的影响可通过对恶劣天气施工的回避和适当施工抗风措施加以消除。日照温差影响是所有影响因素中最重要、最显著的一个,无法回避。
由于混凝土导热性差,太阳的单面照射将在墩的两个侧面以及墩箱的内外混凝土表面产生温度
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第5期 陈 斌,等:山区高墩高架桥修建技术难点分析 63结构状态识别,以消除测量误差的影响。通过消除了测量误差的结构实际状态与理论计算状态的差异,去估计实际结构与计算模型的差异,通过对模型控制计算参数的识别修正,使计算模型更接近实际结构,从而在下一阶段的预测中得到更准确的结果。该方法的实质是建立一种桥墩结构自适应施工控制系统,通过系统的自适应调整来无限接近真实结构。这种方法虽然工作量较大,但它可以对任何状态进行修正,在一定程度上缩短了施工工期,具有一定经济效益。它是本施工控制技术的主要方法,
实际使用时应和清晨校模法配合使用。
作者在张家坝、关家沟大桥的高达100m的混凝土空心薄壁墩(壁厚40cm)的施工中,进行了轴线控制工作。主要对混凝土弹性模量、截面刚度、等效温度场强度3方面进行识别修正,每个墩进行5～8次,上述3方面的系统误差就基本消除了,以后就只进行测量、预报工作,取得了较好结果。在均匀温度状态下,成型墩顶最大偏移1.1cm,各桥墩轴线线形平顺,完全满足工程验收标准的要求。 3.2 高桥墩施工稳定性控制
当以λ(G+F)代替(G+λF)进行稳定判断时,无疑前者的λ小于后者,这样不仅桥墩对于外荷载的稳定性被低估了,而且由于G在(G+F)中效应的不同,稳定系数“安全性储备”情况是不同的,不利于对桥墩结构的准确分析。
因此,应将G和F分开,可将G增大1.2倍计入,再来考虑对于F的λ,这样才能真正计算出我们关心的对于外荷载F的稳定安全系数λ。
在桥墩的施工阶段,桥墩的整体稳定性随节段的不断延伸而减少,进行盖梁施工时最小,因此以该状态作为施工阶段稳定计算的控制状态。对于柔性高桥墩,其稳定计算则必须考虑墩自重和墩顶初位移的影响,同时在计算方法上也应计入大位移刚度的影响,否则,计算结果就偏大了。
另一方面在传统的结构整体稳定安全系数计算过程中,稳定安全系数λ对于结构自重G和外荷载F是同样的,而对于高桥墩施工中,自重G的变化一般是有限的,我们最关心的是外荷载F(如梁重、施工荷载等)对结构的影响,即最关心由过大的外荷载F产生的结构失稳问题。
4 结语
高墩高架桥的建设已经在山区的高等级公路建设中大量采用了,然而上述问题依然存在,因此必须引起高度重视。
即使是已经建成的高墩高架桥,其养护工作也应特别注意。
应该设置特殊的设施以便可以经常检查桥梁的支座、抗震设施。由于柔性高墩参与了车桥振动,因此桥面铺装破损将使车辆对桥梁的冲击作用增强,为避免较大的汽车激振力,应该经常检查桥面铺装情况,使高架桥上的桥面铺装破损不要长时间存在,以减轻桥梁的冲击应力,延缓疲劳破坏。
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