王勝杰

中國鐵路設(shè)計集團有限公司土建院，天津 300308

20 世紀(jì)60年代建成于法國巴黎塞納河上的Choisy-Le-Roi橋首次采用了長線法預(yù)制節(jié)段澆筑施工工藝［1］，之后預(yù)制拼裝技術(shù)在美國得到了快速發(fā)展。我國在20 世紀(jì)60年代也已開始應(yīng)用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)，但受工程技術(shù)條件的限制未得到廣泛應(yīng)用。近年來，在我國基礎(chǔ)工程建設(shè)高速度、高質(zhì)量發(fā)展需求日益增加的背景下，節(jié)段預(yù)制膠拼技術(shù)展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，如梁部結(jié)構(gòu)的預(yù)制不受橋墩施工進(jìn)度的影響，節(jié)段拼裝施工速度快，工廠化節(jié)段預(yù)制質(zhì)量好，經(jīng)過較長時間的養(yǎng)護后具有拼裝橋梁收縮徐變小、預(yù)應(yīng)力損失小等優(yōu)點［2］。在國內(nèi)鐵路領(lǐng)域，該技術(shù)已有較多應(yīng)用，例如黃韓候鐵路芝水溝大橋、京唐鐵路潮白河大橋等。考慮調(diào)整線形、防止施工誤差等因素，多數(shù)預(yù)制拼裝橋梁均設(shè)有濕接段。關(guān)于無濕接段的長線法全膠拼梁開展的研究較少。本文對新建鄭濟鐵路中的一座全膠拼梁開展施工控制技術(shù)研究，通過研究橋梁施工過程、線形計算原理及線形的參數(shù)敏感性，從而指導(dǎo)橋梁的施工監(jiān)控。

1 工程概況

新建鄭濟鐵路（山東段）長清黃河特大橋181#墩（改DK38+497.87）—247#墩（改DK42+193.87）的3×56 m 雙線預(yù)應(yīng)力混凝梁為全膠拼連續(xù)梁，設(shè)計速度為350 km/h，采用新型節(jié)段預(yù)制膠拼法施工，整梁不設(shè)濕接段。全橋總計22 聯(lián)3×56 m 膠拼連續(xù)梁，梁體全部位于2.0‰縱坡上，其中18 聯(lián)位于半徑為5 500 m 的圓曲線上，3 聯(lián)位于緩和曲線上，1 聯(lián)位于緩和曲線及直線上。每聯(lián)梁體全長167.85 m，共37 片節(jié)段，節(jié)段預(yù)制數(shù)量總計為814片。本項工程為目前國內(nèi)預(yù)制長度最長，且采用了新型全梁膠拼技術(shù)的鐵路預(yù)制膠拼連續(xù)梁。

預(yù)制工藝采用長短線結(jié)合法，在短線臺座上將0 號、12 號節(jié)段預(yù)制完成后吊運至長線法臺座上作為端模，其余節(jié)段使用定型液壓鋼模板施工。主梁立面布置見圖1。一般預(yù)制節(jié)段長4.5、4.8 m，0號塊、梁端節(jié)段為減輕吊重，分別長3.5、3.8 m。其中0號節(jié)段質(zhì)量為197.82 t，其余節(jié)段最大質(zhì)量為178.79 t。接縫面剪力鍵布置：接縫面剪力鍵采用密鍵布置形式，剪力鍵采用梯形。腹板剪力鍵高5 cm，頂寬5、10 cm，根部寬15、20 cm；頂?shù)装寮袅︽I高5 cm，頂寬5、10、20 cm，根部寬15、20、30 cm。

圖1 主梁立面布置（單位：cm）

2 節(jié)段拼裝施工與控制

2.1 節(jié)段拼裝施工方案

將全橋分為3 個整段拼裝并張拉相應(yīng)鋼束，且全橋不設(shè)濕接段，施工效率提升明顯。整體施工步驟（圖2）為先拼裝12A—3B 節(jié)段，再拼裝4B—3C 節(jié)段，最后拼裝4C—12C 節(jié)段。腹板及頂?shù)装邃撌⒚娌贾靡妶D3。

圖2 施工步驟

圖3 腹板及頂?shù)装邃撌⒚娌贾?/p>

1）全橋節(jié)段在梁廠采用長線法預(yù)制并養(yǎng)護，造橋機拼裝架設(shè)就位，2#墩上0A 號塊吊裝到位，調(diào)整線形，安裝2#墩頂支座并設(shè)置墩梁臨時支撐，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。先懸掛第一孔12A—3B節(jié)段，再依次膠拼所有節(jié)段。

2）同時張拉B0-1、T4 鋼束，再依次張拉F1、F2、B2鋼束，拆除4A—7A 節(jié)段吊桿。依次張拉B1、T3 鋼束，然后拆除3A—3B 節(jié)段吊桿。依次張拉B4、B5 鋼束，拆除剩余節(jié)段吊桿。依次張拉T2、B3 鋼束，拆除臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋，第一整段拼裝完成。

3）吊裝3#墩頂0B塊，將其放置在墩頂?shù)呐R時支承上，造橋機過孔，先懸掛第二孔4B—3C 節(jié)段，再依次膠拼所有節(jié)段，安裝3#墩支座。

4）張拉T6、B0-2 鋼束，依次張拉 D3、T3′鋼束，隨后拆除3C節(jié)段吊桿。依次張拉D2、T1鋼束，拆除剩余節(jié)段吊桿，拆除臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋。

5）吊裝前墩12C 塊，臨時放在墩頂多向調(diào)節(jié)支架上，先懸掛第三孔4C—12C 節(jié)段，再依次膠拼所有節(jié)段，安裝4#墩支座。

6）張拉T4′鋼束；依次張拉F1、F2、B2、T2、T1′、T5、T5-1、T7、F3、F4 鋼束，隨后拆除節(jié)段吊桿；依次張拉B1、B4、B5、B3 鋼束，拆除臨時預(yù)應(yīng)力鋼筋。造橋機過孔，繼續(xù)拼裝相鄰連續(xù)梁。

2.2 節(jié)段拼裝施工控制

施工過程中應(yīng)控制膠縫預(yù)存應(yīng)力滿足設(shè)計要求以保證膠接質(zhì)量。本橋無濕接段調(diào)整，因此預(yù)制線形姿態(tài)和安裝線形姿態(tài)應(yīng)嚴(yán)格控制，以滿足設(shè)計成橋要求［3］。因此，需要控制以下幾個要素：

1）因架橋機剛度并非無限大，拼裝時應(yīng)先懸掛所有節(jié)段，使架橋機產(chǎn)生的變形穩(wěn)定后（實測架橋機在懸掛第一段梁所有節(jié)段時產(chǎn)生7.2 mm 變形），依次膠拼所有節(jié)段，保證張拉永久鋼束前整孔膠拼節(jié)段僅有臨時鋼筋傳遞的軸力，處于近似無應(yīng)力狀態(tài)。若逐節(jié)段吊裝并膠拼，會因架橋機的變形破壞已膠拼節(jié)段的無應(yīng)力狀態(tài)，影響拼裝線形和膠結(jié)縫的預(yù)存壓應(yīng)力。

2）膠拼過程中，節(jié)段先在天車吊掛狀態(tài)下進(jìn)行抹膠、拼裝，并張拉臨時固定鋼束，再轉(zhuǎn)換到架橋機吊桿上。轉(zhuǎn)換過程應(yīng)確保節(jié)段重量完全由吊桿承擔(dān)，防止節(jié)段重量通過剪力鍵傳遞給已拼裝節(jié)段，降低已拼裝節(jié)段膠結(jié)縫的預(yù)存應(yīng)力而影響線形。若控制不當(dāng)，已拼裝膠結(jié)縫尤其懸臂根部會存在開裂風(fēng)險。

3）全膠拼梁拼裝時線形的可調(diào)整度非常小，因此在預(yù)制時線形已基本確定［4-5］。本橋共分3 個整段吊裝膠拼。第一段拼裝后在自重、預(yù)應(yīng)力、吊桿力解除等作用下線形會發(fā)生變化，導(dǎo)致第一段的懸臂節(jié)段3B發(fā)生轉(zhuǎn)角和位移。第二段在拼裝時，只能按照與3B節(jié)段預(yù)制時的線形進(jìn)行拼裝，因此3B節(jié)段的轉(zhuǎn)角和位移將影響第二段的拼裝線形，即第二段拼裝線形與預(yù)制線形并不相同，同樣第三段的預(yù)制線形與安裝線形也不同。設(shè)計圖僅給出了預(yù)制線形，而現(xiàn)場實施時依然有各種原因?qū)е碌钠囱b誤差，且膠拼梁會產(chǎn)生誤差累積現(xiàn)象。因此，線形控制中應(yīng)計算安裝線形，用于確定節(jié)段的安裝高程和線形調(diào)整。建議在設(shè)計階段計算安裝線形，并在施工圖中給出該線形。

3 預(yù)制及安裝線形計算

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂澆筑施工連續(xù)梁的線形計算一般采用零位移分析法，即單元懸臂端激活時不受已激活單元的影響，其初始位移都設(shè)置為0 的線形計算方法，計算至成橋后得到每個節(jié)點施工過程的疊加位移，將其反號可作為該節(jié)點的計算預(yù)拱度［6］。該方法同樣適用于節(jié)段預(yù)制膠拼梁的安裝線形控制，但預(yù)制時需要按照切線位移法得到預(yù)制線形。切線法原理為新單元激活時沿相接單元的切向生成，其初始位置由相接單元的位置和角度決定。本文采用有限元計算結(jié)合幾何分析的方法研究預(yù)制線形與安裝線形的關(guān)系。

3.1 建立有限元模型

采用MIDAS/Civil建立有限元模型，利用正裝計算模擬施工過程，模型包括主梁、架橋機和吊桿三大部分，主梁和架橋機采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，架橋機鋼材及主梁混凝土材料參數(shù)均按照鐵路規(guī)范［7］取值。

模擬先懸掛節(jié)段后膠拼過程時，先施加等效荷載給架橋機使其變形，再激活有相等初張力的吊桿和拼裝節(jié)段。支座及架橋機支腿采用節(jié)點約束模擬。

3.2 計算結(jié)果分析

為了研究預(yù)制節(jié)段與拼裝預(yù)拱度的問題，利用程序模擬新拼節(jié)段單元，按照切線位移法和零位移法分別激活成橋線形，并將其反號得到預(yù)拱度見圖4?？芍?，兩種方法在第一段得到的預(yù)拱度完全一致，在第二段和第三段得到的線形則不同。這是因為采用切線位移法計算時，第二段和第三段在節(jié)段激活時與前一節(jié)段連接的端面有不為0 的初始位移δi(i= 17、29)和轉(zhuǎn)角θi(節(jié)點編號i= 17、29)，新激活節(jié)段將沿其切線方向產(chǎn)生初始位移，但第一節(jié)段激活時則無此影響，因此與零位移法計算的結(jié)果完全一致。

圖4 預(yù)拱度對比

為了驗證切線位移法計算的預(yù)制線形在安裝階段可以轉(zhuǎn)換為零位移法計算得到的安裝線形，利用MIDAS/Civil的預(yù)拱度功能設(shè)置安裝預(yù)拱度，使膠拼梁按照安裝線形進(jìn)行施工過程計算，得到3C節(jié)段懸空端29 號節(jié)點對應(yīng)截面從第二段剛拼裝時的無應(yīng)力狀態(tài)到第三段即將拼裝時有應(yīng)力狀態(tài)的位移變化量Δδ29和轉(zhuǎn)角量Δθ29，見表1。

表1 第二段梁端拼裝線形變化

設(shè)第三節(jié)段各截面的預(yù)制預(yù)拱度線形為δyi(i=29、30、…、38)，第三節(jié)段各截面的安裝預(yù)拱度線形為δai(i= 29、30、…、38)，則由幾何關(guān)系可以得到

式中：ΔLi(i= 29、30、…、38)為第三節(jié)段截面距29 號節(jié)點對應(yīng)截面的水平距離。

利用式（1）推算第三節(jié)段的安裝預(yù)拱度Δai，計算結(jié)果見表2。其中，計算安裝預(yù)拱度?ai指采用零位移法計算得到的第三節(jié)段安裝預(yù)拱度；Δyi為預(yù)制預(yù)拱度?？芍害i與?ai完全一致，說明切線位移法得到的預(yù)制線形在與前一段已安裝單元順接時，可轉(zhuǎn)化為零位移法計算得到的安裝線形。

表2 第三段安裝線形對比

4 參數(shù)敏感性分析

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析是施工監(jiān)控的重要組成部分，可以快速分析實測線形與理論線形產(chǎn)生誤差的原因［8］。本橋為全膠拼連續(xù)梁，即合龍時無濕接段“將就”線形，合龍線形偏差基本無法糾正。因此，預(yù)制線形需要有更高的精度要求，對全膠拼連續(xù)梁進(jìn)行參數(shù)敏感性研究十分必要。本文主要對節(jié)段重量、彈性模量、摩阻系數(shù)及施工階段溫度對線形的敏感性進(jìn)行分析，分析其中一方面因素影響時，其他參數(shù)采用規(guī)范規(guī)定的設(shè)計值。

1）節(jié)段重量：按照工程實驗室實測混凝土重度，并考慮鋼筋、齒塊、鋼絞線重量得到節(jié)段實際重量，據(jù)此計算預(yù)制線形。

2）彈性模量：已建許多橋梁上實測混凝土彈性模量往往比規(guī)范建議值高［9］，按照工程實驗室實測混凝土28 d 彈性模量計算預(yù)制線形。實測彈性模量在36.9 ～ 38.6 GPa。

3）摩阻系數(shù)：施工現(xiàn)場通過摩阻試驗實測了長清黃河特大橋219 墩和220 墩之間的預(yù)制膠拼連續(xù)梁F1、F2 及 B2 鋼束 3 根管道，得到局部偏差影響系數(shù)k=0.001 55，摩擦因數(shù)μ=0.165 07，即偏差影響系數(shù)比設(shè)計值0.001 5大3.3%，摩阻系數(shù)比設(shè)計值0.17小2.9%，實測值與原設(shè)計值誤差在5%以內(nèi)，滿足規(guī)范和設(shè)計文件的要求。通過錨口及喇叭口摩阻試驗數(shù)據(jù)分析得到17束、19束、22束和25束預(yù)應(yīng)力鋼絞線管道對應(yīng)的錨口及喇叭口摩阻平均損失率分別為5.77%、5.76%、5.81%和5.84%，滿足設(shè)計要求。按照實測摩阻系數(shù)修正膠拼梁模型，計算預(yù)制線形。

4）施工階段溫度：依據(jù)設(shè)計文件，施合龍溫度按照5～15 ℃考慮，整體溫度按均勻升溫25 ℃、降溫25 ℃計算；非線性溫度設(shè)計按照拼裝過程橋面非線性升溫7℃、降溫3.5 ℃，停梁階段橋面非線性升溫10 ℃、降溫5 ℃計算。溫度敏感性分析按照最大值計算，并考慮升降溫有相似且相反的影響。因此，整體溫度按均勻升溫25 ℃，橋面非線性升溫按10 ℃計算。

預(yù)拱度和溫度敏感性分析見圖5?？芍孩俟?jié)段重量修正對預(yù)制線形影響明顯，預(yù)制線形影響量達(dá)到了12.2 mm，因此預(yù)制線形計算模型應(yīng)精確修正節(jié)段重量。為了避免線形受節(jié)段重量的影響，在膠拼梁節(jié)段拼裝施工過程中應(yīng)避免在橋上堆積多余荷載影響節(jié)段重量。②彈性模量修正對預(yù)制線形基本無影響，摩阻系數(shù)則有一定影響，影響位移量為4.1 mm。考慮僅有3 根管道進(jìn)行了摩阻試驗，摩阻系數(shù)相對設(shè)計值的變化具有隨機性，因此監(jiān)控線形計算中可不計入摩擦因數(shù)及偏差系數(shù)的影響。③整體升溫25 ℃對結(jié)構(gòu)豎向線形基本無影響；橋面板非線性升溫10 ℃則使結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的線形偏差，導(dǎo)致位置和轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。在即將拼第二段時，若第一段橋面板發(fā)生10 ℃非線性溫度，則懸臂端發(fā)生6.54 mm 下?lián)虾?.498‰rad轉(zhuǎn)角。按式（1）計算，繼續(xù)拼裝第二段至3#墩時將發(fā)生25.51 mm 下?lián)襄e位，使之不能準(zhǔn)確就位于墩頂支座。在即將拼第三段時，若第一、二段橋面板發(fā)生10℃非線性溫度，則懸臂端發(fā)生4.09 mm 下?lián)虾?.346‰rad轉(zhuǎn)角。按式（1）計算，繼續(xù)拼裝第二段至3#墩時將發(fā)生17.85 mm 下?lián)襄e位，同樣不能準(zhǔn)確就位于墩頂支座。因此，應(yīng)避免在暴曬天氣或極寒天氣進(jìn)行節(jié)段拼裝施工，如施工則用白色土工布覆蓋。夏季應(yīng)澆水降溫，冬季要保溫，并在施工前復(fù)測已拼裝橋面線形，避免橋面非線性溫差對待拼裝節(jié)段的影響。

圖5 預(yù)拱度和溫度敏感性分析

5 結(jié)論

1）因架橋機剛度并非無限大，拼裝時應(yīng)先懸掛所有節(jié)段，待架橋機產(chǎn)生的變形穩(wěn)定后，再依次膠拼所有節(jié)段，保證張拉永久鋼束前整孔膠拼節(jié)段僅有臨時鋼筋傳遞的軸力，處于近似無應(yīng)力狀態(tài)；吊桿力轉(zhuǎn)換過程應(yīng)確保節(jié)段自重完全由吊桿承擔(dān)，防止節(jié)段自重通過剪力鍵傳遞給已拼裝節(jié)段，降低已拼裝節(jié)段膠拼縫的預(yù)存應(yīng)力影響線形。若控制不當(dāng)，已拼裝膠結(jié)縫存在開裂風(fēng)險。

2）膠拼梁預(yù)制線形與安裝線形不相同，預(yù)制線形在與前一段已安裝單元拼接時轉(zhuǎn)化為安裝線形，應(yīng)按照切線位移法計算得到的線形用于節(jié)段預(yù)制，零位移法計算得到的線形用于確定節(jié)段的安裝高程和安裝過程中的線形調(diào)整。

3）彈性模量修正對預(yù)制線形基本無影響；摩阻系數(shù)和偏差系數(shù)有一定影響，考慮預(yù)應(yīng)力管道偏差系數(shù)及摩阻系數(shù)相對設(shè)計值的變化具有隨機性，監(jiān)控線形計算中可不計入摩阻系數(shù)及偏差系數(shù)的影響。節(jié)段重量修正影響明顯，因此對節(jié)段重量應(yīng)精確計算并修正計算模型。同時，在膠拼梁節(jié)段拼裝施工過程中應(yīng)避免在橋上堆積多余荷載。

4）整體升溫對結(jié)構(gòu)豎向線形基本無影響；橋面板非線性升溫則使結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的線形偏差，包括位置和轉(zhuǎn)角變化，應(yīng)避免在暴曬或極寒天氣進(jìn)行節(jié)段拼裝施工。如果施工需要采取措施消除非線性溫差，并在施工前復(fù)測已拼裝橋面線形，避免橋面非線性溫差對待拼裝節(jié)段的影響。