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        高速鐵路連續(xù)梁橋的線形控制與應(yīng)力控制

        2012-08-02 00:59:16李重陽
        河南建材 2012年3期
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁混凝土

        李重陽

        中國鐵建股份有限公司(100855)

        由于高鐵及城鐵對線路的平順性要求極高,因此精確的線形控制是鐵路連續(xù)梁橋施工的關(guān)鍵。同時,應(yīng)力控制也是保證成橋后結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計相吻合,使成橋后橋梁徐變變形達到設(shè)計目標(biāo)的關(guān)鍵。以某鐵路橋梁(70+125+70)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例,介紹橋梁線形控制與應(yīng)力控制的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

        1 工程概況

        某高度鐵路連續(xù)梁橋采用無砟軌道,設(shè)計列車時速350 km/h。在跨越某高速公路處,采用 (70+125+70)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋。該橋采用單箱單室變高度、變截面連續(xù)梁。箱梁梁底曲線按圓曲線變化,端支座處及邊跨直線段和跨中處梁高為5.2 m,中支點處梁高9.2 m。全橋箱梁頂板寬12.0 m,底寬7.0 m。全橋共設(shè)5道橫隔梁,分別設(shè)于端支點、中支點、中間跨跨中截面。該橋采用懸臂澆筑,采用菱形掛籃。全橋分兩個T構(gòu)對稱懸臂澆筑,每個T構(gòu)包括0 ~13號梁段,中支點0#塊梁段長度9 m,一般梁段長度分成3 m和4.0 m,2個邊跨各有9.75 m的現(xiàn)澆段,邊、中跨合攏段均長為2 m。

        2 結(jié)構(gòu)計算模型的建立

        本橋采用有限元軟件MIDAS/Civil進行結(jié)構(gòu)建模分析,MIDAS具備單元激活與鈍化功能,可以很方便的模擬施工過程的正裝分析以及倒拆分析。全橋共離散為57個單元,58個節(jié)點。其中零號塊采用托架施工,邊跨現(xiàn)澆段采用滿堂支架施工,其余梁段采用掛籃對稱懸臂施工。

        在建模時應(yīng)注意以下幾點:

        1)施工階段:全橋應(yīng)按照掛籃安裝、混凝土灌注、張拉鋼束等不同階段劃分施工階段,以便對線形和應(yīng)力詳細監(jiān)測。2)邊界條件:未合龍時零號塊處墩梁固結(jié),合龍時約束釋放,轉(zhuǎn)化為鉸接和鏈桿約束,以適應(yīng)梁體轉(zhuǎn)動和縱橋向位移。3)體系轉(zhuǎn)換:按照邊跨合攏、中跨合攏的順序進行體系轉(zhuǎn)換。

        MIDAS計算模型如下圖1所示。

        3 鐵路連續(xù)梁橋施工控制方法

        為保證橋梁的安全建設(shè),使最終的主梁線形和恒載內(nèi)力與設(shè)計相吻合,選擇科學(xué)合理的控制方法是非常重要的。(70+125+70)m連續(xù)梁橋施工監(jiān)控采用先進的自適應(yīng)控制法。參數(shù)誤差識別采用Kalman濾波法。

        自適應(yīng)控制法是指在施工控制開始時,控制系統(tǒng)的某些設(shè)計參數(shù)和實際情況不完全吻合,此時可以通過系統(tǒng)識別或參數(shù)估計,調(diào)整計算模型的參數(shù),使設(shè)計輸出與實測結(jié)果相符,進而使實際問題得到解決。得到修正的計算模型參數(shù)后,重新計算各施工階段的理想狀態(tài),按反饋控制方法對結(jié)構(gòu)進行控制。這樣,經(jīng)過若干工況的反復(fù)辨識后,計算模型與實際結(jié)構(gòu)趨于一致,在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進行更好的控制。自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

        參數(shù)誤差識別過程是自適應(yīng)控制的關(guān)鍵,其任務(wù)就是根據(jù)對控制目標(biāo)(如內(nèi)力、標(biāo)高和結(jié)構(gòu)應(yīng)力)的測量值與計算值之間的誤差反算施工模擬計算所選用的參數(shù)是否合理,如混凝土的彈性模量、主梁自重集度、掛籃剛度、徐變系數(shù)等。本文所述及的(70+125+70)m連續(xù)梁橋的參數(shù)誤差識別采用Kalman濾波法。

        4 線形控制

        線形控制是橋梁施工控制的重要工作之一。使用全站儀對主梁軸線進行測量,保證箱梁懸灌端的合攏精度和橋面變形。主梁的線形監(jiān)測應(yīng)以線形通測和局部塊件高程測量相結(jié)合,在主梁塊件澆筑及掛籃移動后進行。

        4.1 懸臂澆筑各節(jié)段立模高程的確定

        懸臂澆筑段前端底板和橋面高程應(yīng)根據(jù)掛籃垂直變形和梁體預(yù)拱度進行設(shè)置。而預(yù)拱度是受到梁體自重、預(yù)應(yīng)力張拉、溫度、收縮徐變等多方面因素的影響。懸臂結(jié)構(gòu)逐段澆筑,后節(jié)段的受力情況對前節(jié)段產(chǎn)生作用。因此現(xiàn)澆梁段的預(yù)拱度=本段和后面所有各段混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力束的累計撓度+二期恒載作用下產(chǎn)生的撓度+1/2活載產(chǎn)生的撓度+從澆筑至設(shè)計使用10年中混凝土收縮徐變引起的撓度。

        4.2 線形控制結(jié)果

        成橋線形是在橋梁合龍后約一年的時間,對全橋進行了成橋線形測量。此時橋梁的二期恒載已經(jīng)鋪設(shè)完畢,徐變變形按照理論計算約完成80%。測得的成橋線形與理論計算值比較結(jié)果如下表1所示,限于篇幅僅記錄部分?jǐn)?shù)值。

        表1 成橋線形控制結(jié)果

        為了更直觀的分析成橋線形控制的結(jié)果,將成橋后的橋面實測高程和設(shè)計成橋線形繪制成圖,如下圖3所示。

        從表1和圖3分析可以得出,該橋的線形控制結(jié)果良好,滿足鐵路連續(xù)梁施工技術(shù)交底要求和相關(guān)規(guī)范的要求。

        5 應(yīng)力控制

        預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂施工的過程中,從結(jié)構(gòu)安全的角度,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最令人關(guān)注。

        主梁應(yīng)力的測試是監(jiān)測主梁在施工過程中主梁是否安全的一種輔助手段。盡管理論計算結(jié)果表明了其安全性,但在實際施工中可能存在著不可預(yù)計的因素(如施工荷載、混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力大小的變異,施工流程的改變等)會使主梁的受力與理論計算結(jié)果有差異,因此必須進行主梁應(yīng)力的監(jiān)測,確保結(jié)構(gòu)安全。

        5.1 應(yīng)力截面及測點布置

        在懸臂施工的過程中,對T構(gòu)根部的頂板和底板應(yīng)力進行了監(jiān)測。應(yīng)力計的埋設(shè)位置如圖4所示。

        5.2 應(yīng)力控制結(jié)果

        懸臂澆筑的施工過程中,每一個梁段都對每個T構(gòu)的應(yīng)力計進行了測量。測量時,考慮了測試現(xiàn)場的溫度,由程序自動進行溫度修正,得出每個施工階段T構(gòu)根部頂板和底板的應(yīng)力。限于篇幅,部分測量的應(yīng)力結(jié)果如下所示。

        表2 629#墩T構(gòu)近南京側(cè)截面箱梁應(yīng)力測試記錄測試工況:1#塊混凝土澆筑后

        表3 629#墩T構(gòu)近杭州側(cè)截面箱梁應(yīng)力測試記錄測試工況:1#塊混凝土澆筑后

        從以上給列舉的部分應(yīng)力監(jiān)測記錄可以看出:在懸臂施工的過程中,T構(gòu)根部的頂板和底板應(yīng)力均在規(guī)范允許的范圍值之內(nèi),因而,在懸臂施工的過程中,結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)。

        6 結(jié)論

        1)由于鐵路提速,對鐵路橋梁平順性要求日益提高。故施工控制在鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的懸臂施工中起著重要作用,監(jiān)控是一個:施工→量測→識別→修正→預(yù)報→施工的循環(huán)過程。只有結(jié)構(gòu)有限元理論計算和施工監(jiān)控相結(jié)合,才能保證施工線形和應(yīng)力達到設(shè)計要求。

        2)通過對比線形、應(yīng)力實測值與理論計算值可知,橋梁各施工階段中,線形與應(yīng)力變化趨勢相同,二者誤差較小,說明本文采用的有限元計算模型與實際較符合,線形與應(yīng)力控制方法也是合理的,可用于同類型鐵路橋梁的施工控制。

        [1]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

        [2]顧安邦,張永水.橋梁施工監(jiān)測與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

        [3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社,2000.

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