趙 永

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 工程概況

新建南昌至贛州高速鐵路地處江西省中南部，其中贛州贛江特大橋全長(zhǎng)2 155.64 m，主橋570 m，采用雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁斜拉橋，半漂浮體系，主跨300 m，兩邊跨各長(zhǎng)135 m，主橋相鄰設(shè)32.6 m 簡(jiǎn)支梁(見圖1、圖2)，主橋斜拉橋采用埋入式CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度為785 mm，設(shè)計(jì)速度350 km/h，線間距5.0 m，是我國(guó)第一次在300 m 跨徑斜拉橋上鋪設(shè)CRTSⅢ型無砟軌道的嘗試。

CRTSⅢ型板式無砟軌道對(duì)平順性、舒適性的嚴(yán)格要求，使得施工精度要求沒有隨橋梁跨度的增加而降低[1]，而贛州贛江特大橋是一座主跨300 m 的斜拉橋，剛度小，在底座板、軌道板、自密實(shí)混凝土、鋼軌等二期恒載作用下(約150 kN/m)，橋梁主跨產(chǎn)生的撓度變形大(最大可達(dá)27 cm)，施工線形控制困難，需要在施工過程中不斷調(diào)整預(yù)拱度，以達(dá)到無砟軌道對(duì)成橋線形的要求。 為了精準(zhǔn)地測(cè)量出無砟軌道施工時(shí)產(chǎn)生的變形值并為精調(diào)軌道板提供精準(zhǔn)的定位，需要布置CPⅢ控制網(wǎng)，而CPⅢ聯(lián)測(cè)的精度要求高，溫度、風(fēng)荷載等作用產(chǎn)生的變形足以超過CPⅢ控制網(wǎng)高程測(cè)量和平面測(cè)量的限差，需要在測(cè)量過程中嚴(yán)格控制環(huán)境條件，減小風(fēng)荷載和溫度作用對(duì)CPⅢ聯(lián)測(cè)的影響。

圖1 贛州贛江特大橋主橋斜拉橋立面圖(單位:m)

圖2 贛州贛江特大橋斜拉橋主梁橫截面圖(單位:mm)

2 CPⅢ點(diǎn)聯(lián)測(cè)的控制條件研究

2.1 風(fēng)速對(duì)主橋影響

在橫橋向風(fēng)作用下主梁和索塔單位長(zhǎng)度上的橫向靜風(fēng)荷載按下式計(jì)算[2-3]：

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速(m/s)；CH為主梁的阻力系數(shù)；H為主梁投影高度(m)；Gv為靜陣風(fēng)系數(shù)，本橋取值1.25；Vz為基準(zhǔn)高度Z處的風(fēng)速(m/s)。

贛州贛江特大橋有限元模型(見圖3)，共672個(gè)單元、795 個(gè)節(jié)點(diǎn)，用梁?jiǎn)卧M索塔和主梁，用只受拉桁架單元模擬拉索，拉索與主塔、主梁采用剛性連接，橫向靜風(fēng)荷載以及橋面系、底座板、軌道板等二期恒載均以梁?jiǎn)卧己奢d的形式加載，主塔材料為C50 混凝土，主梁為C55 混凝土和Q345鋼，斜拉索為Wire1670，預(yù)應(yīng)力鋼筋為Strand1860鋼絞線。

圖3 贛州贛江特大橋有限元模型

計(jì)算得出在風(fēng)速4、5、6、10 m/s 時(shí)主塔和主梁上的橫向靜風(fēng)荷載，并以均布荷載的形式加載到梁?jiǎn)卧?，不考慮風(fēng)振的動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過有限元分析得到不同橫向靜風(fēng)荷載下的最大水平位移，如圖4 和表1 所示。

圖4 不同風(fēng)速主梁水平位移

表1 不同橫向靜風(fēng)荷載作用下主梁最大水平位移

2.2 溫度梯度對(duì)主梁的影響

考慮主梁橋面板豎向以及橫向溫度梯度1、2、3 ℃時(shí)主梁的位移情況。 由于溫度梯度范圍較小(≤3 ℃)且混凝土橋面板厚度(500 mm)不大，故采取線性溫度梯度，中間不設(shè)置折點(diǎn)溫度。 豎向溫度梯度由橋面板頂部豎向500 mm 范圍內(nèi)線性變化；橫向溫度梯度由橋面板端部橫向8 000 mm 范圍內(nèi)線性變化[4-5]。 主梁中跨最大位移的有限元計(jì)算結(jié)果如圖5 和表2 所示。

圖5 梯度溫度作用下的主梁位移

表2 溫度梯度作用下的主梁最大位移

2.3 大氣溫度變化對(duì)主梁的影響

考慮大氣溫度變化1、2、3、4 ℃時(shí)主梁的位移情況，主梁跨中最大豎向位移的有限元計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 大氣溫度變化時(shí)主梁中跨最大豎向位移

由于高速鐵路CPⅢ點(diǎn)水準(zhǔn)環(huán)閉合差不能超過±1 mm，平面網(wǎng)距離觀測(cè)測(cè)回間距較差不大于±1 mm[6]，而1 ℃的豎向梯度溫度作用的最大豎向位移為3.18 mm，1 ℃的橫向梯度溫度作用的最大水平位移為3.73 mm，所以日照溫度梯度很容易造成CPⅢ點(diǎn)聯(lián)測(cè)結(jié)果超限。 此外大氣溫度變化4 ℃時(shí)主橋最大豎向位移可達(dá)到1.22 mm，還需要控制環(huán)境溫度的穩(wěn)定，保證大氣溫度變化不超過3 ℃，故選取溫度穩(wěn)定且無陽(yáng)光直射的夜間環(huán)境(8：00 pm-6：00 am)，能有效保證CPⅢ點(diǎn)聯(lián)測(cè)的準(zhǔn)確性[7-8]，從而保障無砟軌道高精度控制的要求。

當(dāng)橫向靜風(fēng)風(fēng)速在4 ～5 m/s(即3 級(jí)風(fēng))時(shí)主橋最大水平位移為0.48 ～0.75 mm，考慮到風(fēng)振對(duì)水平位移增大的不利影響，盡量保證靜風(fēng)荷載產(chǎn)生的位移不超過CPⅢ控制網(wǎng)高程測(cè)量和平面測(cè)量限差的1/2 ～2/3(約0.5 ～0.6 mm)，故應(yīng)嚴(yán)控CPⅢ網(wǎng)聯(lián)測(cè)時(shí)風(fēng)力不超過3 級(jí)。

3 無砟軌道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

為了精準(zhǔn)地測(cè)量CRTSⅢ型無砟軌道施工時(shí)主橋撓度的變化，大橋需要布置CPⅢ控制網(wǎng)，并在每根斜拉索附近設(shè)置加密測(cè)點(diǎn)，加密測(cè)點(diǎn)邊跨編號(hào)S1 ～S12，中跨編號(hào)M1 ～M12。 主橋上設(shè)13 對(duì)共26 個(gè)CPⅢ點(diǎn)和48 對(duì)共96 個(gè)加密測(cè)點(diǎn)，布點(diǎn)位置如圖6 所示。

圖6 主橋CPⅡ點(diǎn)、CPⅢ點(diǎn)及加密測(cè)點(diǎn)布設(shè)

CRTSⅢ型板式無砟軌道自下而上分別為底座板、中間隔離層、自密實(shí)混凝土(103 mm)、CRTSⅢ型軌道板(200 mm)等部分，如圖7 所示。 因此在鋼梁合龍且橋面系施工完成后，贛江特大橋CRTSⅢ型板式無砟軌道施工主要分為底座板施工—拉索微調(diào)—軌道板施工—后續(xù)其它荷載施工四個(gè)階段。

圖7 無砟軌道結(jié)構(gòu)形式圖(單位:mm)

為了保證高速鐵路的平順性、舒適性，設(shè)計(jì)成橋線形(跨中6 cm 的預(yù)拱度)、無砟軌道現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層厚度以及軌道板精調(diào)限差(高程±0.5 mm，中線位置±0.5 mm)都有嚴(yán)格的要求，需要在每個(gè)施工階段精準(zhǔn)地把握橋梁的線形，并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)下一階段施工荷載作用下的變形值，不斷修正預(yù)拱度，以保證成橋線形和無砟軌道現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層厚度在規(guī)定范圍之內(nèi)。 因此每一施工階段都需要進(jìn)行加密點(diǎn)的測(cè)量，并附合到CPⅢ控制點(diǎn)上，當(dāng)施工階段線形與設(shè)計(jì)存在較大偏差時(shí)須及時(shí)調(diào)索修正，索力調(diào)整值根據(jù)有限元模擬計(jì)算確定。 因此保證CPⅢ控制網(wǎng)精度以得到精確的施工階段線形、保證有限元模型計(jì)算的準(zhǔn)確性以得到正確的調(diào)索值和軌道板精調(diào)值，是CRTSⅢ型板式無砟軌道施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵[9-10]。

(1)鋼梁合龍且橋面系施工完成后，對(duì)大橋線形進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)贛江特大橋在設(shè)計(jì)索力(原設(shè)計(jì)文件中的值)下，大橋橋面計(jì)算線形與理論計(jì)算線形均無法滿足設(shè)計(jì)成橋線形(跨中6 cm 的預(yù)拱度)要求，而且無法滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)無砟軌道底座與自密實(shí)混凝土層厚度的要求。 為了使得橋面線形滿足成橋線形要求，需要根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果調(diào)整大橋的索力，圖8 顯示了贛州贛江特大橋圖紙?jiān)O(shè)計(jì)線形、施工階段實(shí)測(cè)線形在原設(shè)計(jì)索力作用下的預(yù)測(cè)成橋線形、施工階段實(shí)測(cè)線形在重新擬定的索力作用下的預(yù)測(cè)成橋線形之間的對(duì)比情況。

圖8 第一次調(diào)索橋面線形對(duì)比

(2)無砟軌道底座板施工完成后，對(duì)主梁中跨線形進(jìn)行觀測(cè)，有限元模型按48 kN/m 的均布荷載模擬分析底座自重荷載作用下的變形值。 無砟軌道底座施工產(chǎn)生的實(shí)際變形值與模型理論變形值之間的關(guān)系如圖9 所示。 從圖中可知，主梁中跨實(shí)測(cè)的變形值與有限元模型剛度調(diào)整之前的變形理論值相比：上游各測(cè)點(diǎn)變形值與模型偏差的平均值為6.6 mm，下游各測(cè)點(diǎn)變形值與模型偏差的平均值為5.7 mm。 根據(jù)這一關(guān)系對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，采用拉索彈性模量修正的方式調(diào)整模型剛度，模型修正后，主梁中跨實(shí)測(cè)的變形值與有限元模型剛度調(diào)整之后的變形理論值相比：上游各測(cè)點(diǎn)變形值與模型偏差的平均值為3.7 mm，下游各測(cè)點(diǎn)變形值與模型偏差的平均值為2.9 mm。

圖9 無砟軌道底座施工后主梁變形值

(3)底座板施工完成后進(jìn)行第二次調(diào)索和軌道板鋪板施工。 根據(jù)無砟軌道底座板施工的結(jié)果可知，無砟軌道底座板的實(shí)際施工荷載大于設(shè)計(jì)荷載值，并且實(shí)測(cè)變形值大于理論(模型修正前)變形值，線形與設(shè)計(jì)存在偏差，需要通過微調(diào)拉索對(duì)主梁的線形進(jìn)行調(diào)整，使得大橋主梁的預(yù)拱度滿足后續(xù)施工及成橋預(yù)拱度的要求。 經(jīng)過計(jì)算分析，確定對(duì)大橋的S8?！玈11＃、M8?！玀11＃拉索進(jìn)行微調(diào)，拉索微調(diào)后，上游各測(cè)點(diǎn)變形值與模型偏差的平均值為1.6 mm，下游各測(cè)點(diǎn)變形值與模型偏差的平均值為1.8 mm，拉索微調(diào)后主梁的實(shí)測(cè)變形值與有限元模型理論變形值基本上吻合。

(4)在現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土等后續(xù)其他荷載施工前，精調(diào)軌道板，以確保無砟軌道最后施工階段完成后，成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要確保有限元模型計(jì)算的準(zhǔn)確性和精調(diào)軌道板時(shí)定位的精度。精調(diào)軌道板需要通過橋上CPⅢ控制點(diǎn)定位，因此在精調(diào)前需要進(jìn)行CPⅢ網(wǎng)聯(lián)測(cè)，保證CPⅢ控制網(wǎng)的精度。 通過大橋?qū)嶋H剛度與線形控制模型剛度的吻合程度，可以準(zhǔn)確模擬計(jì)算后續(xù)荷載(68 kN/m)作用下主梁的變形值，由此得到軌道板精調(diào)時(shí)的控制線形[11]。

(5)軌道板精調(diào)完成后在軌道板和底座板之間澆筑自密實(shí)混凝土，使無砟軌道各部分連接成整體[12]。 贛江特大橋無砟軌道施工完成后，全橋拉索成橋索力與設(shè)計(jì)索力的差值絕大部分在3%以內(nèi)，只有8?！?1＃索因?yàn)槲⒄{(diào)的原因差值在3% ～5%之間，滿足施工及相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過研究，得到了保證大跨度斜拉橋CRTSⅢ型板式無砟軌道施工質(zhì)量與精度的技術(shù)措施。

(1)嚴(yán)格控制CPⅢ網(wǎng)測(cè)設(shè)和使用的邊界條件：夜間聯(lián)測(cè)，風(fēng)力不超過3 級(jí)，避免超過3 ℃的大氣溫度變化，并縮減聯(lián)測(cè)時(shí)間。

(2)建立橋梁線形同步控制模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)線形不斷修正，使有限元模型模擬變形的誤差穩(wěn)定在1 ～2 mm，為精調(diào)軌道板、保證成橋線形提供準(zhǔn)確的預(yù)拱度。

(3)根據(jù)施工階段實(shí)測(cè)線形和設(shè)計(jì)成橋線形要求，通過有限元模型計(jì)算本階段索力理論值并進(jìn)行調(diào)索，使成橋索力與設(shè)計(jì)索力的差值在5%以內(nèi)，避免施工后期大范圍調(diào)索，影響無砟軌道質(zhì)量。

(4)每次調(diào)索后和軌道板精調(diào)前聯(lián)測(cè)CPⅢ控制網(wǎng)，消除二期恒載施工對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)精度的影響。