劉 嶺，陳喜鳳，黃 騰

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的需要，橋梁建設(shè)進(jìn)入了高峰期，橋梁的分段施工方法和技術(shù)逐漸受到廣泛重視［1－2］，常用的分段施工方法分為長(zhǎng)線法［3］和短線法。其中短線法以其占地面積小、制梁效率高［4］、制造周期短、成橋后混凝土收縮徐變影響小、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種線形的預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度橋梁建設(shè)中。

短線匹配法預(yù)制箱梁施工技術(shù)是指將連續(xù)橋梁劃分為若干短節(jié)段（一般為2～4m）逐榀進(jìn)行澆筑的一種施工工藝。預(yù)制箱梁時(shí)，把幾何線形控制點(diǎn)在橋梁整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并以其作為線形控制依據(jù)（匹配箱梁），從每跨的初始箱梁開始，用固定端模為箱梁前端控制面，前一榀箱梁（活動(dòng)端模）作為匹配箱梁，以控制預(yù)制箱梁的形態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)線形。

短線匹配法預(yù)制箱梁是一個(gè)復(fù)雜的施工過(guò)程，各箱梁在不同時(shí)段逐步澆筑而成，過(guò)程中累積與隨機(jī)誤差影響效果顯著［5］，幾何線形與內(nèi)力狀態(tài)很難精確達(dá)到理想狀態(tài)。所以，預(yù)制過(guò)程對(duì)測(cè)量精度、施工控制及誤差修正等要求較高，本文將對(duì)短線匹配法中的預(yù)制線形控制和誤差修正等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 線形控制技術(shù)

箱梁預(yù)制工作是橋梁從設(shè)計(jì)階段到安裝階段［6］承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證橋梁線形、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的重要步驟。用短線匹配法進(jìn)行預(yù)制時(shí)，最終所需達(dá)到的控制精度［7］如表1所示。

為達(dá)到表1中的預(yù)制精度，需要在預(yù)制場(chǎng)區(qū)建立高精度的平面及高程控制網(wǎng)，并在箱梁上布設(shè)一定的控制點(diǎn)，以期達(dá)到理想的成橋線形。

表1 短線匹配法預(yù)制箱梁控制精度

1.1 施工控制網(wǎng)

平面控制網(wǎng)按照國(guó)家一等邊角網(wǎng)精度［8］要求采用全圓測(cè)回法進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)角時(shí)，每站觀測(cè)12個(gè)測(cè)回，測(cè)角中誤差不超過(guò)0.7″；測(cè)邊時(shí)，平均邊長(zhǎng)小于50m，每條邊觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，每測(cè)回讀數(shù)4次，并進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)?？刂泣c(diǎn)布設(shè)為測(cè)量塔，塔上采用強(qiáng)制對(duì)中底盤，以減小每次架設(shè)儀器時(shí)對(duì)中誤差的影響，如圖1所示。平面控制網(wǎng)在預(yù)制場(chǎng)區(qū)內(nèi)也作為水平位移變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在測(cè)量塔上架設(shè)全站儀，使用相鄰測(cè)量塔校核架站點(diǎn)的水平位移量。

圖1 施工控制網(wǎng)示意圖

每個(gè)測(cè)量塔周圍穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)布設(shè)1個(gè)高程控制點(diǎn)，按二等水準(zhǔn)要求施測(cè)，往返較差、閉合差應(yīng)小于0.3mm（n為總測(cè)站數(shù)）。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)按照一定周期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)［9］，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行必要的分析，及時(shí)掌握預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，確保預(yù)制工作良好運(yùn)行。

1.2 箱梁控制點(diǎn)

為確保箱梁的預(yù)制精度和控制橋梁安裝線形，需在箱梁頂部設(shè)置6個(gè)測(cè)控點(diǎn)，如圖2所示，根據(jù)測(cè)控點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)評(píng)定其制造精度。沿箱梁中心線用兩個(gè)U形圓鋼（FH，BH）控制平面位置，在箱梁的翼緣板和腹板交接處用4個(gè)鍍鋅十字頭螺栓（BL，F(xiàn)L，BR，F(xiàn)R）控制箱梁標(biāo)高。這些控制點(diǎn)在澆筑混凝土?xí)r布設(shè)在近似位置，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后測(cè)量其精確坐標(biāo)，用于后續(xù)控制工作。

圖2 箱梁控制點(diǎn)布設(shè)示意圖

1.3 坐標(biāo)系的建立

短線匹配法預(yù)制箱梁過(guò)程中，涉及到以下3種不同的坐標(biāo)系：①橋梁整體坐標(biāo)系。②預(yù)制臺(tái)座上的箱梁預(yù)制坐標(biāo)系。如圖3所示，以測(cè)量塔基線方向?yàn)閄軸，由現(xiàn)澆箱梁指向匹配箱梁方向，X軸與固定端模面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，固定端模模面與現(xiàn)澆箱梁的交點(diǎn)集為Y軸，其方向?yàn)閄軸沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，Z軸由右手螺旋法則確定。③箱梁計(jì)算坐標(biāo)系。以箱梁縱向中心線為X軸，前端面為Y軸，Z軸由右手螺旋法則確定，它與預(yù)制坐標(biāo)系為平移關(guān)系，是聯(lián)系橋梁整體坐標(biāo)系與預(yù)制坐標(biāo)系的關(guān)鍵。

圖3 箱梁預(yù)制坐標(biāo)系

1.4 平面控制精度

平面位置測(cè)量時(shí)，在一個(gè)測(cè)量塔上設(shè)站，另一個(gè)作為后視定向，用極坐標(biāo)法精確測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。假設(shè)定向方位角為α，盤左盤右測(cè)量的平均轉(zhuǎn)角為β，則設(shè)站點(diǎn)A與目標(biāo)點(diǎn)B的方位角為θ＝α＋β－π，水平距離為D，則可求得目標(biāo)點(diǎn)B的坐標(biāo)為

B點(diǎn)點(diǎn)位誤差為

由于起始點(diǎn)點(diǎn)位誤差和儀器對(duì)中誤差影響較小，可忽略；只考慮目標(biāo)點(diǎn)標(biāo)定誤差m標(biāo)和目標(biāo)偏心誤差m偏的影響，觀測(cè)n個(gè)測(cè)回后B點(diǎn)的總點(diǎn)位中誤差

1.5 高程控制精度

測(cè)量控制點(diǎn)高程值時(shí)，以固定端模為相對(duì)高程基準(zhǔn)，采用精密水準(zhǔn)方法測(cè)量箱梁上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程

式中：HC為箱梁節(jié)點(diǎn)的高程，H固為固定端模上控制點(diǎn)的高程，a為后視—固定端模讀數(shù)，b為前視—待測(cè)點(diǎn)讀數(shù)。

考慮水準(zhǔn)儀整平誤差m平、目標(biāo)照準(zhǔn)誤差m照和每次讀數(shù)的固定誤差ma，mb，則C點(diǎn)的高程中誤差

1.6 控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

短線法預(yù)制箱梁的控制流程是：用第n－1塊箱梁位于匹配位置時(shí)6個(gè)控制點(diǎn)在預(yù)制坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進(jìn)行精確定位，依據(jù)其空中姿態(tài)澆筑第n塊箱梁，在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后移走第n－1塊箱梁，將第n塊箱梁移至匹配位置，澆筑第n＋1塊箱梁，直至完成全部箱梁的預(yù)制工作。在此過(guò)程中，為了評(píng)估箱梁預(yù)制精度、修正預(yù)制誤差及指導(dǎo)下一榀箱梁的預(yù)制，需要將箱梁位于現(xiàn)澆位置時(shí)控制點(diǎn)在預(yù)制坐標(biāo)系下的測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到橋梁整體坐標(biāo)系下，再將控制點(diǎn)在橋梁整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到箱梁在匹配位置時(shí)預(yù)制坐標(biāo)下的坐標(biāo)，具體計(jì)算步驟如下：

1）計(jì)算預(yù)制箱梁節(jié)點(diǎn)的整體坐標(biāo)。除每跨的起始?jí)K以外其他箱梁節(jié)點(diǎn)的整體坐標(biāo)需根據(jù)制造誤差不斷修正；

2）將第n－1塊箱梁上6個(gè)控制點(diǎn)在現(xiàn)澆位置時(shí)預(yù)制坐標(biāo)系下的實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)換到第n－1塊計(jì)算坐標(biāo)系下，一般只要平移；

3）將第n－1塊箱梁上6個(gè)控制點(diǎn)在第n－1塊的計(jì)算坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到橋梁整體坐標(biāo)系下；

4）將第n－1塊箱梁6個(gè)控制點(diǎn)在橋梁整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到第n塊箱梁的計(jì)算坐標(biāo)系下；

5）將第n－1塊箱梁6個(gè)控制點(diǎn)在第n塊箱梁計(jì)算坐標(biāo)系下的值轉(zhuǎn)換到預(yù)制坐標(biāo)系下，一般只要平移。

2 誤差分析

預(yù)制過(guò)程中，各種隨機(jī)因素的作用使箱梁的實(shí)際匹配位置與理論匹配位置存在差異，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)澆箱梁的線形產(chǎn)生影響，這種影響分為梁長(zhǎng)誤差和偏角誤差。這些誤差要求在澆筑下一榀箱梁時(shí)加以修正，以減小累積誤差對(duì)成橋線形及內(nèi)力結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 梁長(zhǎng)誤差

箱梁預(yù)制過(guò)程中受到各種因素影響，會(huì)造成軸線實(shí)際長(zhǎng)度與理論長(zhǎng)度不一致，第n＋1塊箱梁梁長(zhǎng)的修正公式為

式中：Ln為第n塊箱梁的理論梁長(zhǎng)，Lsn為第n塊箱梁的實(shí)際梁長(zhǎng)，Ln＋1為第n＋1塊箱梁的理論梁長(zhǎng)。

2.2 偏角誤差

箱梁預(yù)制成型后，左右兩側(cè)的實(shí)際長(zhǎng)度與理論值不一致，或者箱梁實(shí)際匹配位置與理論匹配位置不同會(huì)引起箱梁平面角度和立面角度的變化，造成偏角誤差。澆筑第n榀箱梁時(shí)，由于誤差影響使作為匹配箱梁的第n－1榀箱梁產(chǎn)生了偏角θ，那么澆筑的第n塊箱梁則發(fā)生相應(yīng)的變化，影響預(yù)制線形，如圖4所示（圖中實(shí)線表示理論位置，虛線為實(shí)際位置）。根據(jù)偏角誤差的成因可以選擇一定的方法在預(yù)制下一榀箱梁時(shí)加以修正。

圖4 箱梁預(yù)制誤差

當(dāng)箱梁的預(yù)制誤差絕對(duì)值較小時(shí)可采用直接糾正法。箱梁拼裝階段，按照短線法施工步驟要求，先拼裝第n－1榀箱梁，其在橋梁整體坐標(biāo)系下的位置已確定，所以修正偏角誤差時(shí)認(rèn)為第n－1榀箱梁沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，而是第n榀箱梁轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角θ，那么第n榀箱梁的I端將移動(dòng)至I′位置，即為考慮誤差影響后第n榀箱梁修正后的位置，如圖5所示（圖中實(shí)線表示理論位置，虛線為修正后位置）。

圖5 直接法修正箱梁誤差

當(dāng)箱梁的預(yù)制誤差較大時(shí)，受到工程施工規(guī)范限制且期望達(dá)到光滑的箱梁修正線形，直接修正法就有一定的局限性。此時(shí)可以模擬一條通過(guò)箱梁端點(diǎn)的三次樣條曲線，并且保證其在邊界節(jié)點(diǎn)上與理論控制點(diǎn)的連線有相同切線斜率，如圖6所示。這樣，經(jīng)過(guò)若干個(gè)箱梁修正后，待澆筑箱梁的端點(diǎn)與原理論端點(diǎn)重合，且修正后的箱梁線形光滑平順。

圖6 三次樣條曲線法修正箱梁誤差

根據(jù)直接法或者三次樣條曲線法修正后的線形計(jì)算出箱梁6個(gè)控制點(diǎn)在匹配位置的坐標(biāo)值，并以此定位匹配箱梁，可以減小預(yù)制過(guò)程中累積誤差對(duì)橋梁整體線形的影響。

3 工程實(shí)例

南京長(zhǎng)江第四大橋位于南京市區(qū)段內(nèi)，2008年開工建設(shè)，引橋部分總長(zhǎng)2 802.60m，共分為2 122榀箱梁，其中短線法預(yù)制2 054榀，現(xiàn)澆68榀。箱梁寬15.8m，底板寬6.2m，高3.0m。箱梁預(yù)制場(chǎng)在安徽省蕪湖市裕溪口，場(chǎng)區(qū)內(nèi)布設(shè)有14個(gè)預(yù)制臺(tái)座，東西長(zhǎng)約360m，南北長(zhǎng)約370m，總面積約120 000m2。

本文以S28－S27－L1Y聯(lián)45至58號(hào)箱梁的測(cè)控結(jié)果驗(yàn)證本文中的預(yù)制線形控制方法，其中50號(hào)箱梁為初始箱梁，51號(hào)至58號(hào)箱梁為正向預(yù)制，49號(hào)至45號(hào)為反向預(yù)制。預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)平面控制采用全站儀TCA2003（測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度1＋1ppm）測(cè)量箱梁6個(gè)節(jié)點(diǎn)，觀測(cè)塔距離放樣點(diǎn)約30m，根據(jù)式（3）取m標(biāo)＝m偏＝±0.5mm，可求得觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回時(shí)B點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±0.88mm。高程控制采用NA2水準(zhǔn)儀（±0.3mm/km），根據(jù)式（5）取ma＝mb＝±0.3mm，m平＝m照＝±0.5mm，可求得C點(diǎn)的高程中誤差為±0.82mm。

S28－S27－L1Y聯(lián)45號(hào)箱梁至58號(hào)箱梁預(yù)制施工按照表1中的精度要求進(jìn)行，最后所得箱梁I端高程偏差值如圖7所示，箱梁I端平面偏差值如圖8所示。從中可以看出，箱梁I端高程與平面偏差均控制在允許范圍內(nèi)，預(yù)制偏差滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 箱梁I端高程差值

圖8 箱梁I端平面差值

4 結(jié)束語(yǔ)

線形控制技術(shù)是短線匹配法預(yù)制箱梁施工技術(shù)的關(guān)鍵，針對(duì)其施工特點(diǎn)，通過(guò)建立高精度施工控制網(wǎng)，利用匹配箱梁上控制點(diǎn)的空中姿態(tài)控制現(xiàn)澆箱梁的線形，采用合理的測(cè)量方法提高測(cè)控精度及在預(yù)制過(guò)程中不斷修正前期的預(yù)制誤差等措施，使得短線匹配法預(yù)制箱梁的線形趨于設(shè)計(jì)值，并體現(xiàn)出短線匹配法機(jī)械化、流水化、高精度、高效率的施工特點(diǎn)。短線匹配法在南京長(zhǎng)江第四大橋中的成功應(yīng)用，表明該方法具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值，為今后類似大跨度預(yù)應(yīng)力橋梁的施工建設(shè)提供參考。

［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］ING.G.Rombach：Precast Segmental Box Girder Bridges with External Prestressing，Segmental Bridges，F(xiàn)ebruary 2002：1－15.

［3］李斌.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工測(cè)控技術(shù)研究及應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)，2006：45－67.

［4］錢建漳，周一橋.采用長(zhǎng)線法和短線法預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁節(jié)段的比較［J］.公路交通技術(shù)，2003（5）：69－73.

［5］王景海.短線法箱梁節(jié)段預(yù)制拼裝及線形控制技術(shù)原理［J］.中國(guó)市政工程，2009（2）：24－25.

［6］周建林.蘇通大橋75m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁短線匹配預(yù)制和懸拼技術(shù)［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2007，4（4）：26－29.

［7］上海市第一市政工程有限公司.CJJ/T 111－2006預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［8］中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì).GB 50026－2007工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

［9］岳建平，田林亞.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.