140m鋼箱系桿拱橋施工變形觀測與控制技術

王文勝 鄧文洪

武廣高速鐵路汀泗河特大橋140m鋼箱系桿拱橋是該類橋型首次應用于高速鐵路無砟軌道,其在荷載與溫度變化作用下的變形都將對軌道狀態造成一定影響,從而影響到高速列車行駛的安全性及舒適性[1]。因此變形觀測與控制是貫穿整個施工過程質量控制中重要的環節,研發本橋的變形觀測與控制技術是非常有必要的。

1 工程概況

本橋跨度 140m,梁與拱剛性連接形成系桿拱結構。系梁高3.5m,箱寬同拱肋均為 1.94m。兩拱肋變截面平行布置,橫向中心間距 16m,拱軸中心線型為二次拋物線,矢高 30m,矢跨比 1/4.67,吊桿間距 8m;全橋設 5道橫撐,各撐高度適應拱肋變化,全橋均用高強螺栓進行連接,軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道[2]。

2 施工變形觀測與控制的目的、思路和原則

2.1 施工變形觀測的目的

鋼箱系桿拱橋結構的最終形成必須經歷一個復雜的施工與體系轉換過程,且無砟軌道施工過程中,鋼橋本體隨荷載、溫度的變化而變化,因此施工變形觀測與控制的最終目的是保證鋼橋的最終線型在設計允許誤差范圍內,同時保證列車在高速行駛時的安全性和舒適性[3,4]。

施工變形觀測與控制分為兩部分:1)拼裝過程中的變形觀測與控制;2)無砟軌道施工過程中的變形觀測與控制。

拼裝過程中變形觀測與控制的目的:1)確保施工中結構安全,使結構應力應變在設計控制范圍內。2)確保拼裝過程中,應力應變及線型在設計誤差范圍內,確保順利合龍。3)確保成橋后的梁體、鋼箱拱應力、線型在設計誤差范圍之內。

無砟軌道施工過程中變形觀測與控制的目的:

1)確保無砟軌道施工過程中軌道幾何尺寸誤差滿足設計要求;

2)確保無砟軌道滿足高速列車舒適度的要求。

2.2 施工變形觀測與控制的思路

拼裝過程中,通過計算來確定鋼箱系桿拱橋施工過程中每個階段在受力和應變方面的理想狀態,以此為依據來控制施工過程中每個階段的結構行為,使其最終成橋線型和受力狀態滿足設計要求。

無砟軌道施工過程中,通過計算來確定每階段施工荷載和溫度變化引起的鋼橋變形對無砟軌道的影響,并以理論計算結果作為無砟軌道施工線型控制的重要依據,同時隨著二期恒載逐步增加引起的鋼橋變形來印證、修訂計算結果,指導無砟軌道施工,確保無砟軌道線型的準確與精確。

3 施工變形觀測

3.1 施工變形觀測流程

施工變形觀測與控制流程圖見圖1。

3.2 拼裝施工過程變形觀測

3.2.1 系梁施工過程

1)軸線。系梁節段施工放樣前先進行測點設置,在節段前端截面上、下板中心位置設置測點或標志(十字反光標),放樣和檢查都以底板測點為主,頂板測點作為校核測點。2)高程。本橋系梁采用分段懸臂拼裝,懸臂拼裝過程中,在每一節段前端底板位置布置三個測點,從墩頂臨時水準點測量其高程,或采用全站儀從施工控制網點直接引測高程,與理論值比較,調整在預期精度范圍內,保障橋梁預拱度符合理論計算值。3)撓度。為保障橋梁局部線型平順,各箱梁施工節段頂板距前端約 10cm處設置 A,B兩撓度測點(焊接 2cm左右高的鋼筋頭),在其后各節段的安裝施工中,測定系梁的撓度變形,與理論值進行比較。

3.2.2 吊桿安裝過程

吊桿安裝前,先用極坐標法在系梁上標定吊桿底部中心的安裝位置,用精密水準儀測量其高程,鋼尺丈量吊桿長度(精確到mm),計算吊桿頂高程,待吊桿吊裝就位后,先用垂球進行初調。

3.2.3 拱肋拼裝過程

拱肋安裝時必須保證拱肋軸線位置,使拱肋軸線控制在精度范圍之內。在拱肋拼裝過程中,在每一節段接頭軸線位置處的拱肋側面外壁上分別布置測點,安裝專用測距反射片,通過在控制點上架設全站儀進行測量,使測點在理論位置處。

對主拱肋鋼箱、系梁等應進行溫度監測,以獲得與線型及位移相對應的大氣溫度,以及主拱肋箱體溫度,為理論分析提供可靠的溫度值。由于溫差會引起拱肋和系梁等的長度變化和側向變形,監測應選擇早晚溫差較小時進行測量。

3.2.4 合龍監測

合龍前,對合龍口兩端高程進行對測,檢查合龍精度(包括中線偏位和高差)。合龍后,進行復測,對系梁、拱肋的線型內力進行復測。體系轉換后,對系梁、拱肋的線型內力進行復測。橋面澆筑混凝土后,測量拱肋、系梁位移,并測試吊桿內力。

3.3 無砟軌道施工變形觀測與控制

無砟軌道保護層、道床板標高以軌面標高為基準進行計算,測量控制網采用CPⅢ網。

以二期恒載鋪設完成后軌面應達到的設計狀態為依據進行反算,確定二期恒載每一步施工時的控制標高,并以此為依據指導施工。每一步二期恒載施工完成后,對頂面標高進行復測,并與計算結果進行核對,分析結果的差異,修正下一步施工的計算結果。

二期恒載鋪設完成后,鋼橋同樣在溫度的影響下會產生一定變形,從而影響到軌道線型,為此需要對溫度引起的變形進行觀測并作出調整,并在同等溫度下進行復測。

觀測范圍:2-24m簡支箱梁 +1-32m簡支箱梁 +1-140m系桿拱 +3-32m簡支箱梁。觀測步驟如下:

1)系桿拱部分,在 1/2,1/4兩端布點,其余部分在橋墩上布點,共 11個斷面。每個斷面在靠擋墻軌道頂、橋中線橋面上布置三個測點。軌道頂位置在側面做油漆標記,橋中線橋面上埋設不銹鋼標志。2)用DNS03電子水準儀配合因瓦水準尺測量各測點間相對高差,按二等水準測量觀測要求進行觀測。3)用 TCA 2003全站儀測定橋梁左側拱肋和橋面之間的相對伸縮。測點布設于1/2,1/4三個斷面,共 6個測點。4)連續觀測。軌道、橋面水準測量,每天 8:30,14:30和 18:30觀測 3次;拱肋和橋面之間的相對伸縮,每天 10:00和 16:30觀測 2次。每次開始、結束時測定氣溫。5)在連續 5 d觀測后,建立高精度軌道基準測量控制點,控制點間邊長 100m～140m,相鄰點間垂直于軌道方向的點位中誤差小于 1mm,高差中誤差小于 1mm。6)用 TCA 2003全站儀、DNS03電子水準儀,直接測量 5m間隔(8個軌枕間隔)處軌道的相對高程、獨立平面坐標,按線性回歸方法計算軌道水平和豎向的平順性,計算軌向高差。

4 結語

變形觀測與控制實際上就是一個“理論指導實踐,實踐印證理論,理論再指導實踐……”的循環過程,汀泗河特大橋根據施工監測所得的參數,來指導鋼橋拼裝和無砟軌道施工標高,在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測,保證了鋼橋的最終線型在設計允許誤差范圍內,同時拼裝質量得到保證,無砟軌道也滿足了客運專線高速列車舒適性、平穩性。

[1] 鐵建設函[2007]47號,新建時速 300～350km客運專線鐵路設計暫行規定[S].

[2] 武漢至廣州客運專線烏龍泉至花都段新建工程 140m下承式鋼箱系桿拱橋施工圖[Z].

[3] 黎順生.武廣客運專線 140m下承式鋼箱系桿拱橋施工方案探討[J].橋梁建設,2006(2):124-127.

[4] 李曉波.汀泗河特大橋 1～140m鋼箱系桿拱施工技術[J].鐵道建筑技術,2009(1):38-39.