趙慶武

(中國(guó)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(guò)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，我國(guó)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(guò)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(wú)碴軌道鋪設(shè)條件；③施工期及運(yùn)營(yíng)期梁體截面應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。隨著我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，無(wú)碴軌道的鐵路橋梁對(duì)橋面線形要求更為嚴(yán)苛，必須把鐵路橋梁線形控制問(wèn)題置于更加突出的位置加以解決。目前，針對(duì)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(duì)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(chǎng)測(cè)試密切配合、相互作用的過(guò)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(chǎng)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(chǎng)采集必要的數(shù)據(jù)，通過(guò)參數(shù)識(shí)別后，對(duì)理論值進(jìn)行修正計(jì)算，通過(guò)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(guò)施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)、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(cè)未來(lái)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?，闡述線形控制過(guò)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(gè)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(shì)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(wú)不良地質(zhì)構(gòu)造。地表水主要以溝水、渠水及魚(yú)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(rùn)，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(tái)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(hào)塊采用在墩身兩側(cè)焊接型鋼托架法施工，懸臂灌注9個(gè)節(jié)段后，在邊跨采用萬(wàn)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(cè)，在施工過(guò)程中將理論值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)參數(shù)識(shí)別技術(shù)得出結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，將識(shí)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(guò)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(chǎng)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(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別與修正，可以使提前預(yù)測(cè)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(cè)+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(guò)對(duì)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(duì)未知量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3 線形控制關(guān)鍵技術(shù)

施工監(jiān)控的目的是要對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行有效控制，修正施工過(guò)程中各種影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差對(duì)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(guò)程中所施加壓重不太大，成橋后內(nèi)力狀態(tài)一般不會(huì)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(shí)，對(duì)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(cè)，確保保證施工過(guò)程中內(nèi)力(應(yīng)力)偏差在允許范圍內(nèi)，保證施工過(guò)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(cè)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(cè)值與理論值之間的比較分析，掌握梁體應(yīng)力狀體，對(duì)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(cè)量

(1)應(yīng)力觀測(cè)

在箱梁的控制截面布置應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)，以觀察在施工過(guò)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(cè)

撓度觀測(cè)資料是控制成橋線形最主要的依據(jù)。在每個(gè)施工塊件上布置6個(gè)對(duì)稱的高程觀測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。各測(cè)點(diǎn)不僅可以測(cè)量箱梁的撓度，同時(shí)可以觀察箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。施工過(guò)程中，對(duì)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(cè)，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(cè)點(diǎn)布置

(3)溫度觀測(cè)

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(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，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(cè)量

混凝土彈性模量的測(cè)試主要是為了測(cè)定混凝土彈性模量E隨時(shí)間t的變化過(guò)程，即E-t曲線。采用現(xiàn)場(chǎng)取樣的方法，分別測(cè)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(guò)程中各種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(shí)調(diào)整立模高程，分別對(duì)施工過(guò)程中自重、掛籃變形、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、溫度等參數(shù)對(duì)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(duì)成橋線形的影響，計(jì)算時(shí)考慮邊跨支架豎向約束和豎向水平同時(shí)約束兩種工況，分析其對(duì)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(duì)施工線形的影響最大處發(fā)生在3號(hào)邊跨合龍段，其數(shù)值為3.3 mm，對(duì)成橋線形的影響可以忽略不計(jì)。

(2)橋墩的壓縮變形會(huì)對(duì)主梁的線形產(chǎn)生影響，對(duì)此考慮無(wú)橋墩模型與全橋整體模型對(duì)橋梁施工預(yù)拱度的影響，其分析結(jié)果見(jiàn)圖4，橋墩的豎向壓縮只會(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(jiàn)圖5。

結(jié)果表明自重、預(yù)應(yīng)力、溫度、掛籃變形對(duì)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(duì)較小，可列為次要參數(shù)。

圖3 邊跨支架約束方式對(duì)主梁施工預(yù)拱度的影響

圖4 橋墩豎向壓縮變形對(duì)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(cè)及校驗(yàn)展開(kāi)，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(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果(見(jiàn)表1)。

表1 福廈鐵路中亞城雙線特大橋2號(hào)墩各施工階段變形對(duì)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(duì)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(duì)較小，可列為次要參數(shù)。圖6列出2號(hào)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(cè)值的比較結(jié)果，圖7列出2號(hào)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(cè)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(cè)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(hào)墩混凝土澆筑前后實(shí)測(cè)與理論對(duì)比(中跨)

圖7 號(hào)墩預(yù)應(yīng)力張拉前后實(shí)測(cè)與理論對(duì)比(中跨)

值，合龍后主梁橋面高程理論值與實(shí)測(cè)值吻合良好，主梁線形順暢。

5 結(jié)論

首先對(duì)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(duì)較小，可列為次要參數(shù)。通過(guò)對(duì)中亞城雙線特大橋各階段變形預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)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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