無砟軌道客運專線168 m連續(xù)剛構(gòu)施工

吳 榃,丁衛(wèi)林

(中鐵四局集團(tuán)有限公司,合肥 230023)

1 概述

對連續(xù)剛構(gòu),其成橋的混凝土梁線形和結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力與施工方法有著密切的關(guān)系,也就是說,不同的施工方法和工序會導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力[1]。另一方面,由于各種因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度影響等)的隨機(jī)影響,由于在測量等方面產(chǎn)生的誤差,結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計值難以做到與實際測量值完全一致,兩者之間會存在偏差。尤其值得注意的是,某些偏差(如主梁的豎向撓度誤差)具有累積的特性。若對偏差不加以及時有效的調(diào)整,隨著梁的懸臂長度的增加,主梁的高程會顯著偏離設(shè)計值,造成合龍困難或影響成橋的內(nèi)力和線形。特別是采用懸臂施工技術(shù)的大跨度橋梁,施工中的不合理誤差狀態(tài)如不能及時地加以識別和處理,主梁的應(yīng)力有可能發(fā)生積聚而超出設(shè)計安全狀態(tài)發(fā)生施工事故。施工控制的目的,就是根據(jù)實際的施工工序,以及現(xiàn)場獲取的參數(shù)和數(shù)據(jù),對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時理論分析和結(jié)構(gòu)驗算；對每一施工階段,根據(jù)分析計算結(jié)果給出其主梁端的撓度(每階段施工梁段定位高程)等施工控制參數(shù),分析施工誤差狀態(tài),采用應(yīng)力預(yù)警體系對施工狀態(tài)進(jìn)行安全度評價和災(zāi)害預(yù)警；通過變形觀測,對橋梁的變形進(jìn)行預(yù)測和評價。這樣,才能保證結(jié)構(gòu)的受力和變形始終處于安全的范圍內(nèi)、成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形符合設(shè)計要求,保證無砟軌道鋪設(shè)滿足鋪設(shè)條件要求和無砟軌道高平順性的要求。

2 無砟軌道客運專線大跨度連續(xù)剛構(gòu)施工控制

2.1 預(yù)測控制技術(shù)

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制可以歸結(jié)到控制問題,其每一環(huán)節(jié)(過程)的工作包括發(fā)布控制指令、量測誤差、誤差控制等,控制的目的就是通過誤差控制手段以最小的誤差實現(xiàn)預(yù)設(shè)的目標(biāo)。所以近20年來,通過引進(jìn)現(xiàn)代控制理論中的成果,形成了一些實用的施工控制方法。由于懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,其已經(jīng)施工完成節(jié)段的狀態(tài)(內(nèi)力,高程)已無法調(diào)整,只能對未施工節(jié)段的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測并控制修正,所以只能采用預(yù)測控制法對橋梁施工過程進(jìn)行控制。

所謂預(yù)測控制法,是指在全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達(dá)到的目標(biāo)后,對結(jié)構(gòu)的每一個施工階段(節(jié)段)形成前后的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行。由于預(yù)測狀態(tài)與實際狀態(tài)之間必然有誤差存在,某種誤差對施工目標(biāo)的影響在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測中予以考慮,如此循環(huán),直到施工完成和獲得與設(shè)計相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。預(yù)測控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 預(yù)測控制的基本結(jié)構(gòu)

2.2 施工控制體系

從信息論的觀點看,橋梁的施工控制過程是一個信息采集、信息分析處理和信息反饋的過程。通過實時測量體系和現(xiàn)場測試體系,可以采集到橋梁施工過程中所關(guān)心的各類數(shù)據(jù)信息。借助橋梁施工監(jiān)控、監(jiān)測的計算分析體系,對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析。尤其是對施工中各類結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)(如變形、內(nèi)力、應(yīng)力)的分析,可以對施工誤差做出評價,并根據(jù)需要研究制定出精度控制和誤差調(diào)整的具體措施。最后以施工控制指令的形式為橋梁的施工提供指導(dǎo)信息。在施工控制計算和誤差分析中,通過對施工容許誤差度指標(biāo)數(shù)據(jù)體系、施工反饋數(shù)據(jù)(尤其是應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù))、施工控制目標(biāo)值數(shù)據(jù)的分析確立施工狀態(tài)的應(yīng)力預(yù)警體系[3]。

同時,為保障施工控制工作的保質(zhì)、保量、高效地完成,必須制定施工控制實施過程中設(shè)計、咨詢、施工及監(jiān)理相關(guān)各方的工作制度和組織制度,以保障在施工控制的日常工作中,信息傳遞的時效性、準(zhǔn)確性、可靠性和通暢性。

2.3 線形控制

無砟軌道客運專線大跨度橋梁,由于設(shè)計速度高,軌道的平順性和穩(wěn)定性要求高,對線形控制的要求非常嚴(yán)格；而且與公路大跨度連續(xù)梁不同,在線形控制中需要考慮無砟軌道鋪設(shè)的要求,線形控制分成橋線形控制、工后線形監(jiān)測和評估。

(1)成橋線形控制

成橋線形控制主要由管理主梁立模高程來實現(xiàn)。懸臂施工中,掛籃上澆筑主梁的底模高程的測量設(shè)置被認(rèn)為是主梁線形控制的最重要的決定因素之一,由于這一底模高程的測量設(shè)置工作需要全天候作業(yè),因此除了需要在理論計算上給出正確的符合實際的底模高程之外,在施工作業(yè)時的全天候的實時修正尤為重要,為了排除臨時荷載變化、日照溫差、掛籃剛度差別和已成梁段的施工誤差等因素對確定未澆梁段底模高程的影響,采用如下修正公式

式中，Δδi為未澆段底模前端實時修正量；δi為臨時荷載變化和日照溫差等的修正量；δg為掛籃的彈性變形修正量；δΔ為已成梁段的誤差修正量。

根據(jù)結(jié)構(gòu)變形的幾何關(guān)系容易導(dǎo)出δi

式中，δi-1為第i-1段梁的臨時荷載和日照溫差的豎向變位；δi-2為第i-2段梁的臨時荷載和日照溫差的豎向變位；li和li-1分別為第i-1段梁和第i-2段梁的長度。δΔ為

式中，Δ為已成梁段的高程施工誤差。

根據(jù)以上分析,未澆梁段前端底模高程Hi為：

式中，Hsj為設(shè)計高程；Δe為未澆梁段前端的最終彈性變形值。

(2)線形監(jiān)測和評估

為了滿足無砟軌道客運專線鐵路軌道高平順性、穩(wěn)定性的要求,在無砟軌道鋪設(shè)之前,需要對混凝土梁橋的工后線形進(jìn)行監(jiān)測,并對變形進(jìn)行評估和預(yù)測。線形監(jiān)測從橋墩的承臺完成后開始,隨著施工的展開,按規(guī)定的頻次監(jiān)測結(jié)構(gòu)的沉降、徐變變形等,直到無砟軌道鋪設(shè)后并且線形穩(wěn)定才結(jié)束；橋面系二期恒載加載后,需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測評估,當(dāng)變形滿足無砟軌道鋪設(shè)條件后才能鋪設(shè)無砟軌道,評估的方法為判斷梁體變形是否趨于穩(wěn)定。

3 武廣鐵路客運專線西華海水道連續(xù)剛構(gòu)施工控制

3.1 工程概述

武廣鐵路客運專線流溪河特大橋跨西華海水道的結(jié)構(gòu)為(94+168+94)m雙線無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬13.4 m,底寬8.5 m。頂板厚度45 cm,底板厚度由跨中的50 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的130 cm,中支點處加厚到180 cm。腹板厚度分別為50、70、100、150 cm,按折線變化。全聯(lián)在支點和每跨跨中處共設(shè)7道橫梁。梁中支點處梁高11 m,跨中2 m直線段及邊跨11 m直線段梁高為5.5 m,梁底下緣按半徑為570.114 m圓曲線變化。下部結(jié)構(gòu)采用圓端形雙壁墩,雙柱中心距8.0 m,凈間距5.5 m,墩身截面尺寸為11 m×2.5 m,其中288號墩墩高15.3 m、289號墩墩高22.3 m。施工采用懸臂節(jié)段澆筑施工,共有21節(jié)段,除零號塊外,最大節(jié)段質(zhì)量為692.7 t。

3.2 施工控制過程

本橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),主跨達(dá)到168 m跨徑,在設(shè)計時速350 km的世界無砟軌道高速鐵路橋梁中是跨度最大的。由于客運專線橋梁的剛度指標(biāo)很高,所以這類橋梁的大剛度、大梁高導(dǎo)致懸澆節(jié)段質(zhì)量大,而且連續(xù)剛構(gòu)橋梁缺乏調(diào)整已澆筑節(jié)段線形的手段,施工控制的難度較大。本橋施工控制采用預(yù)測控制方法,通過對施工過程的高程和內(nèi)力的實測值與計算值進(jìn)行比較,對橋梁結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行識別,找出產(chǎn)生偏差的原因,從而對參數(shù)進(jìn)行修正,進(jìn)而動態(tài)修正下一施工節(jié)段的立模高程。這種方法的重點在于對影響結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的主要設(shè)計參數(shù)的識別上,在每一荷載工況(澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力、掛籃前移等)都要嚴(yán)密監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的線形和應(yīng)力狀況,及時對產(chǎn)生偏差的主要參數(shù)進(jìn)行修正。施工中必須嚴(yán)格按照確定的施工步驟進(jìn)行施工,否則由于施工過程不可逆,將導(dǎo)致不可調(diào)整的線形的偏差。施工監(jiān)控工作的要點如下。

(1)線形誤差：允許誤差為±20 mm[4]。

(2)線形監(jiān)控：由于該橋梁體比較高,采用了箱梁頂?shù)装逋瑫r設(shè)置高程測點的測量體系,節(jié)段施工開始時同時測量頂?shù)装鍦y點的高程,確定兩測點間的高差,以后只測量頂板高程即可精確換算出底板高程。在每節(jié)段施工中的每一荷載工況下都進(jìn)行高程測量,并與該工況的預(yù)測值進(jìn)行對比,確定誤差和分析誤差來源。

(3)應(yīng)力監(jiān)控：應(yīng)力監(jiān)控的目的是保證橋梁在整個施工過程中重點監(jiān)測部位的應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)并符合設(shè)計要求,從而保證橋梁施工過程中的安全。通過計算選取最不利的墩頂兩側(cè)、跨中及1/4跨斷面為應(yīng)力測試斷面,在每個施工階段中的荷載工況都進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,并將測試值與當(dāng)前工況的計算分析值對比,如果應(yīng)力異常,及時發(fā)出預(yù)警。

3.3 線形監(jiān)測實施

承臺施工完成后在承臺的4個角設(shè)置沉降觀測點，對基礎(chǔ)的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)墩身完工后將測點移至墩身兩側(cè),對梁體及橋面系施工過程的基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行監(jiān)測,在橋面系完工后在梁部的墩頂、1/4跨及跨中斷面上設(shè)置梁體變形觀測點,對梁體的線形進(jìn)行監(jiān)測。墩臺沉降監(jiān)測頻率為荷載變化前后各1次或每周1次,觀測期為施工全過程；梁體線形監(jiān)測頻率在無砟軌道鋪設(shè)前后不同,無砟軌道鋪設(shè)前為橋面荷載變化前后各1次、荷載穩(wěn)定期為每周1次,觀測期大于2個月,無砟軌道鋪設(shè)后為每月1次。

3.4 施工控制成果

由于篇幅所限,文中只摘錄了大橋合龍并張拉合龍鋼束之后的施工監(jiān)控成果數(shù)據(jù)和中跨線形監(jiān)測分析結(jié)果。

(1)應(yīng)力控制(表1)

表1 中跨合龍段施工完畢應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù) MPa

(2)線形控制(圖2、圖3)

圖2 中跨合龍張拉預(yù)應(yīng)力后288號墩節(jié)塊高程誤差

圖3 中跨合龍張拉預(yù)應(yīng)力后289號墩節(jié)塊高程誤差

(3)線形監(jiān)測(圖4)

圖4 中跨跨中與各斷面變形差

4 結(jié)論

(1)客運專線大跨度剛構(gòu)橋施工控制由于控制精度要求較高,需要參與工程各方共同建立一套施工控制組織體系,施工控制各方密切協(xié)作,才能保障施工控制工作的有效執(zhí)行。

(2)在武廣鐵路客運專線溪河特大橋中跨越西華海水道168 m剛構(gòu)橋的施工控制中采用預(yù)測控制技術(shù),達(dá)到了預(yù)期效果,證明這套技術(shù)與施工過程密切結(jié)合,能夠適用于類似橋梁的施工控制。

(3)在武廣鐵路客運專線溪河特大橋中跨越西華海水道168 m剛構(gòu)橋的施工控制成果顯示：結(jié)構(gòu)變形和高程正常,應(yīng)力水平正常,沒有出現(xiàn)異常情況,合龍口高程誤差在5 mm以內(nèi),梁體高程誤差控制在規(guī)定值內(nèi),成橋線形與控制目標(biāo)吻合良好。梁體工后變形監(jiān)測方法可靠,觀測結(jié)果顯示，合龍后3個月可達(dá)到無砟軌道鋪設(shè)的條件要求。

[1] 范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京：人民交通出版社,1988.

[2] 王照林.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1981.

[3] 向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 鐵建設(shè)[2005]160號,客運專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].