趙慶武

(中國中鐵鄭州地鐵工程指揮部，河南鄭州 450016)

大跨度鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋一般采用懸臂施工工藝，其結(jié)構(gòu)體系的形成需要經(jīng)過一個復(fù)雜的過程，我國鐵路橋梁施工規(guī)范明確要求，懸臂施工工藝連續(xù)梁橋需進(jìn)行專門線形控制分析。一般而言，線形控制目標(biāo)包括三方面內(nèi)容：①主梁合龍后懸臂兩端撓度的豎向偏差和軸線的橫向偏差不超過允許范圍；②合龍后的梁體橋面線形平順、高程滿足設(shè)計(jì)要求，符合有碴及無碴軌道鋪設(shè)條件；③施工期及運(yùn)營期梁體截面應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。隨著我國鐵路運(yùn)營速度的不斷提高，無碴軌道的鐵路橋梁對橋面線形要求更為嚴(yán)苛，必須把鐵路橋梁線形控制問題置于更加突出的位置加以解決。目前，針對公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的研究已較為充分[1-5]，但針對鐵路橋梁，尤其是客運(yùn)專線鐵路橋梁的研究尚不多。

一般而言，線形控制技術(shù)是指室內(nèi)分析與現(xiàn)場測試密切配合、相互作用的過程。大跨度連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)與施工相關(guān)性很強(qiáng)，如所采用的施工方法、材料性能、施工程序、環(huán)境溫度場及立模高程等都直接影響成橋的線形與內(nèi)力，而施工的實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的差異是客觀存在的，必須在施工現(xiàn)場采集必要的數(shù)據(jù)，通過參數(shù)識別后，對理論值進(jìn)行修正計(jì)算，通過調(diào)整澆筑立模高程使主梁高程達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過施工過程的監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化控制，在施工中依據(jù)已建結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，預(yù)測未來結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)梁橋的線形控制目的。

1 工程概述

本文以福廈鐵路中亞城雙線特大橋——(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔U述線形控制過程，揭示影響線形控制精度的主要因素以及其作用機(jī)理。中亞城雙線大橋主橋懸臂現(xiàn)澆連續(xù)梁段位于曲線半徑為4 500 m的緩和曲線段內(nèi)，梁體設(shè)計(jì)為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬13.0 m，箱梁底寬6.4 m。頂板厚度35～45 cm、45～55 cm，按折線變化，底板厚度40～120 cm，按折線變化，腹板厚60～80 cm、80～100 cm，按折線變化。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中跨中及中支點(diǎn)處共設(shè)5個橫隔板。主梁典型截面如圖1所示。

連續(xù)梁橋施工及線形控制與橋址處施工期間地形、氣象以及水文等環(huán)境因素密切相關(guān)。大橋處于集美區(qū)杏林鎮(zhèn)，段內(nèi)屬閩南丘陵地貌，地勢起伏較小。上覆第四系全新統(tǒng)人工填土、粉質(zhì)黏土、砂、淤泥質(zhì)黏土及松軟土，下伏基巖為燕山早期第三次侵入的花崗巖，無不良地質(zhì)構(gòu)造。地表水主要以溝水、渠水及魚塘水為主，水量較小。地下水以第四系土層中的孔隙水為主，少量為花崗巖基巖裂隙水。該地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫和濕潤，雨量充沛，四季不甚分明，夏季白天酷熱夜晚涼爽。年平均氣溫約20 ℃，八至九月份氣溫最高，一至二月份氣溫最低，偶有霜凍。降雨多集中在3～9月份，10月至次年2月少雨，7～9月份為臺風(fēng)暴雨期。

圖1 主梁典型截面(單位：mm)

2 連續(xù)梁的線形控制技術(shù)分析

2.1 施工工藝

中亞城雙線特大橋主橋連續(xù)梁采用三角掛籃分節(jié)懸臂澆筑法施工，泵送混凝土。0號塊采用在墩身兩側(cè)焊接型鋼托架法施工，懸臂灌注9個節(jié)段后，在邊跨采用萬能桿件支架法合龍邊跨，待邊跨混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度并張拉邊跨合龍鋼束后，合龍中跨，最后鋪設(shè)橋面設(shè)施，完成全橋施工。

2.2 線形控制理論分析

采用正裝結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形初始預(yù)測，在施工過程中將理論值與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比分析，通過參數(shù)識別技術(shù)得出結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，將識別出的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入計(jì)算模型，重復(fù)正裝分析過程。由于調(diào)整后的計(jì)算變形與原始理論分析結(jié)果的差異，為得到最優(yōu)化的后續(xù)節(jié)段高程調(diào)整方案，引入最小二乘法進(jìn)行誤差調(diào)整，得到優(yōu)化后的后續(xù)節(jié)段立模高程值，現(xiàn)場進(jìn)行箱梁模型高程調(diào)整，以取得最佳的線形控制結(jié)果。

誤差調(diào)整采用最小二乘法，通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的識別與修正，可以使提前預(yù)測值不斷向真實(shí)值逼近，隨著數(shù)據(jù)量的增多，其準(zhǔn)確性也逐步提高。具體思路為采用“H實(shí)際撓度=A×H理論計(jì)算+B×TIME實(shí)測+C”的線性回歸模式進(jìn)行控制。在運(yùn)用中使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行最小二乘法參數(shù)估計(jì)，通過對已知量的線性回歸，在解出回歸系數(shù)后，即可按照多元線性回歸模型對未知量進(jìn)行預(yù)測。

2.3 線形控制關(guān)鍵技術(shù)

施工監(jiān)控的目的是要對成橋目標(biāo)進(jìn)行有效控制，修正施工過程中各種影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差對成橋目標(biāo)的影響，確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。因此，連續(xù)梁橋施工控制的原則為以主梁線形控制為主，應(yīng)力控制為輔。這是因?yàn)樵趹冶凼┕るA段梁段是靜定結(jié)構(gòu)，只要合龍過程中所施加壓重不太大，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會偏離設(shè)計(jì)值很多。因此，懸灌施工中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)梁體高程控制，確保合龍順利，同時，對主梁截面內(nèi)力的監(jiān)控則選取控制截面進(jìn)行適當(dāng)應(yīng)力監(jiān)測，確保保證施工過程中內(nèi)力(應(yīng)力)偏差在允許范圍內(nèi)，保證施工過程的安全。

主梁線形控制最關(guān)鍵的技術(shù)之一在于后續(xù)節(jié)段變形預(yù)測并據(jù)此給出調(diào)整后的立模高程。另外，根據(jù)應(yīng)力實(shí)測值與理論值之間的比較分析，掌握梁體應(yīng)力狀體，對于應(yīng)力異常情況進(jìn)行分析處理亦是線形控制中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

2.4 線形控制測量

(1)應(yīng)力觀測

在箱梁的控制截面布置應(yīng)力觀測點(diǎn)，以觀察在施工過程中這些截面的應(yīng)力變化與應(yīng)力分布情況。

(2)撓度觀測

撓度觀測資料是控制成橋線形最主要的依據(jù)。在每個施工塊件上布置6個對稱的高程觀測點(diǎn)，如圖2所示。各測點(diǎn)不僅可以測量箱梁的撓度，同時可以觀察箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。施工過程中，對每一截面需進(jìn)行立模、混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉前、預(yù)應(yīng)力張拉后的高程觀測，以便觀察各點(diǎn)的撓度及箱梁曲線的變化歷程，保證箱梁懸臂端的合龍精度及橋面線形。

圖2 截面立模高程測點(diǎn)布置

(3)溫度觀測

溫度是影響主梁撓度的最主要的因素之一。溫度變化包括日溫度和季節(jié)溫度變化兩部分，為了摸清箱梁截面內(nèi)外溫差和溫度在截面上的分布情況，在梁體上布置溫度觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測，以獲得準(zhǔn)確的溫度變化規(guī)律。

(4)混凝土彈性模量及容重的測量

混凝土彈性模量的測試主要是為了測定混凝土彈性模量E隨時間t的變化過程，即E-t曲線。采用現(xiàn)場取樣的方法，分別測定混凝土在3 d、7 d、14 d、28 d、56 d齡期的強(qiáng)度值(含抗折強(qiáng)度)，以得到完整的E-t曲線。

3 參數(shù)敏感性分析

為了分析施工過程中各種設(shè)計(jì)參數(shù)對橋梁高程的影響，確定主要和次要控制參數(shù)，便于出現(xiàn)偏差時調(diào)整立模高程，分別對施工過程中自重、掛籃變形、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、溫度等參數(shù)對結(jié)構(gòu)高程的影響程度進(jìn)行參數(shù)分析。限于篇幅，以下列出影響中亞城雙線特大橋主橋成橋預(yù)拱度的3種參數(shù)敏感性分析結(jié)果。

(1)邊跨現(xiàn)澆段采用滿堂支架法施工。為了分析邊跨支架約束方式對成橋線形的影響，計(jì)算時考慮邊跨支架豎向約束和豎向水平同時約束兩種工況，分析其對施工的影響。分析結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，邊跨現(xiàn)澆段對施工線形的影響最大處發(fā)生在3號邊跨合龍段，其數(shù)值為3.3 mm，對成橋線形的影響可以忽略不計(jì)。

(2)橋墩的壓縮變形會對主梁的線形產(chǎn)生影響，對此考慮無橋墩模型與全橋整體模型對橋梁施工預(yù)拱度的影響，其分析結(jié)果見圖4，橋墩的豎向壓縮只會對跨中段的施工預(yù)拱度有影響，其值為2.1 mm，所以精確模型應(yīng)考慮橋墩豎向壓縮變形對主梁施工預(yù)拱度的影響。

(3)跨中合龍段施工約束方式的不同對整體立模高程有一定影響，模型考慮跨中合龍段固結(jié)約束和鉸接約束兩種工況，分析結(jié)果表明，跨中合龍段采用固結(jié)約束使得施工預(yù)拱度稍有提高，最大值發(fā)生在跨中10號施工段，其值為5.2 mm，最終模型采用兩者預(yù)拱度折中結(jié)果。最終施工預(yù)拱度見圖5。

結(jié)果表明自重、預(yù)應(yīng)力、溫度、掛籃變形對立模高程的影響比較大，應(yīng)列為主要控制參數(shù)，而其余參數(shù)影響相對較小，可列為次要參數(shù)。

圖3 邊跨支架約束方式對主梁施工預(yù)拱度的影響

圖4 橋墩豎向壓縮變形對主梁施工預(yù)拱度的影響

4 變形分析

線形控制的重點(diǎn)應(yīng)圍繞梁體節(jié)段變形預(yù)測及校驗(yàn)展開，為檢驗(yàn)本文所述線形控制技術(shù)的正確性，列出中亞城雙線特大橋主橋變形預(yù)測值與實(shí)測值的比較結(jié)果(見表1)。

表1 福廈鐵路中亞城雙線特大橋2號墩各施工階段變形對比 m

參數(shù)分析結(jié)果表明，自重、預(yù)應(yīng)力、溫度、掛籃變形對立模高程的影響比較大，應(yīng)列為主要控制參數(shù)，而其余參數(shù)影響相對較小，可列為次要參數(shù)。圖6列出2號主墩各懸灌節(jié)段在混凝土澆筑前后理論計(jì)算值與實(shí)測值的比較結(jié)果，圖7列出2號主墩各懸灌節(jié)段在預(yù)應(yīng)力張拉前后理論計(jì)算值與實(shí)測值的比較結(jié)果，以檢驗(yàn)本文所述控制方法的正確性。

工程實(shí)測表明，中亞城雙線特大橋主橋跨中合龍誤>差為5 mm，軸線最大偏差為6 mm，均小于規(guī)范限

圖6 2號墩混凝土澆筑前后實(shí)測與理論對比(中跨)

圖7 號墩預(yù)應(yīng)力張拉前后實(shí)測與理論對比(中跨)

值，合龍后主梁橋面高程理論值與實(shí)測值吻合良好，主梁線形順暢。

5 結(jié)論

首先對鐵路連續(xù)梁橋施工控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，揭示影響線形控制的影響因素。進(jìn)一步結(jié)合福廈鐵路中亞城雙線特大橋施工監(jiān)控中進(jìn)行的參數(shù)敏感性分析，得出影響線形控制精度的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為自重、預(yù)應(yīng)力、溫度、掛籃變形等，其余參數(shù)影響相對較小，可列為次要參數(shù)。通過對中亞城雙線特大橋各階段變形預(yù)測值與實(shí)測值的對比分析，驗(yàn)證本文所述方法正確可靠，可為同類型橋梁提供參考。

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