鐵路大跨度連續剛構柔性拱主梁施工監控技術研究

陳偉庚，王石磊

(1.廣珠鐵路有限責任公司，廣東 珠海 519015;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

連續剛構橋因其整體性能好、跨越能力大、施工技術成熟、造型美觀，于20世紀70年代起在世界范圍內得到普遍應用，目前公路連續剛構橋主跨跨徑已突破300 m，因鐵路橋使用活載大、對橋梁結構動力性能要求較高，目前國內已建鐵路最大連續剛構橋跨徑為168 m。研究表明采用柔性拱連續剛構組合結構形式在充分發揮梁與拱兩種結構受力優點基礎上，可進一步提高鐵路混凝土橋梁的跨越能力，同時亦能保證鐵路對結構動力性能的要求，目前該組合結構形式在已運營的宜萬鐵路［1］及在建的廣珠鐵路上得到了應用。本文以廣珠鐵路重點工程西江特大橋為依托，結合國內外大跨度連續剛構橋主梁施工監控的技術及成功經驗［2］，討論鐵路大跨度連續剛構柔性拱主梁施工監控相關技術及特點。

1 西江特大橋主橋工程概況

西江特大橋主橋跨越主航道，長682.1 m，跨徑組合為(110+2×230+110)m，為連續剛構—柔性拱組合結構體系，大橋結構布置見圖1。主橋連續剛構部分梁體采用單箱雙室截面，兩邊腹板為直腹板。箱梁中支點處梁高12.0 m，端支點及中跨跨中處4.0 m，梁底曲線為拋物線，根據梁段所處位置，邊跨依次編號S24～S1，梁拱墩結合塊編號 S0;中跨編號M1～M25，梁拱墩結合塊編號M0。箱梁除邊跨直線段S24號梁段及S0、M0號梁段在支架(或托架)上施工外，其余各節段均采用掛籃懸臂澆筑。主拱部分拱軸線立面投影采用二次拋物線，拱肋計算跨度220 m，矢跨比1/5，矢高44.0 m。鋼管拱管內采用C50微膨脹混凝土。每片拱肋由4-φ750 mm鋼管混凝土組成，由橫向平聯板、豎向腹桿連接成為鋼管混凝土桁架，其中橫向平聯板之間亦灌注混凝土。

2 主梁施工監控內容

根據連續剛構的受力特點，西江特大橋主梁施工監控主要包括以下內容。

1)結構線形監測與控制

圖1 大橋總體布置(單位:m)

針對主梁每一節段懸臂施工過程，在澆筑節段混凝土、張拉預應力及掛籃行走的前后進行結構變形監測，與理論計算值比較，進行誤差分析，并對下一階段預拋高量進行計算，指導現場施工。

2)結構關鍵截面應力監測

對本橋選取雙薄壁墩、主梁L/8截面邊緣布置應力測點，具體應力監測截面布置如圖2所示。應力監測一方面用于結構在施工過程控制，確保施工安全;另一方面用于綜合結構線形監測，對實測與理論計算之間的誤差進行分析，為施工監控提供科學依據。

3)掛籃變形監測

西江特大橋主梁懸臂施工掛籃采用菱形掛籃，掛籃變形一方面可采用掛籃預壓試驗對掛籃系統在不同荷載作用下的變形值進行回歸分析，另一方面可于不同梁段澆筑前后進行監測，綜合分析掛籃變形的特點，為現場施工提供充分、可靠的數據支持。

3 主梁結構線形監控方法

3.1 施工監控思路

結構線形監控包括監測及預測控制兩部分內容。線形監測主要用于分析在已完成的工況下(如混凝土澆筑、預應力張拉、掛籃移動等)結構的變形狀況，并與理論計算值進行比較;線形預測控制是參考線形、應力監測數據對下一階段主梁變形進行預測分析，并反映到主梁立模高程之上，相應控制流程如圖3所示。

圖2 應力監測截面布置

圖3 連續剛構施工監控流程

3.2 立模高程的確定

在主梁的懸澆過程中，梁段立模高程的確定關系到竣工后主梁線形能否達到設計要求。立模高程并不等于設計橋梁建成后的高程，為使成橋線形與設計線形相符合，總要設一定的預拱度，以抵消施工中產生的各種變形。對于柔性拱連續剛構橋主梁，節段立模高程公式見公式(1)

式中 Hlmi—i節段立模高程(節段上某確定位置);

Hsji—i節段設計高程;

∑f1i—由各梁段自重在 i節段產生的撓度總和;

∑f2i—由張拉各節段預應力在i節段產生的撓度總和;

∑f3i—由主拱安裝、吊桿張拉、二期恒載在i階段產生的撓度總和;

f4i—混凝土收縮、徐變在i節段引起的撓度;

f5i—施工臨時荷載在i節段引起的撓度;

f6i—使用荷載在 i節段引起的撓度，一般為靜活載作用下結構變形的一半;

fgl—掛籃變形;

fxz—誤差分析后的高程修正值，可通過卡爾曼濾波或灰色系統控制理論進行計算。

4 仿真分析

4.1 剛構橋施工監控仿真分析方法

結構施工監控計算分析一般包括正裝分析、倒裝分析兩種計算方法［3］。其中較為適合混凝土連續剛構橋施工監控的為正裝分析方法。正裝分析法按照橋梁結構實際施工加載順序來進行結構變形和受力分析，它能較好地模擬橋梁結構的實際施工歷程，能得到橋梁結構在各個施工階段的位移和受力狀態，這不僅可以用來指導橋梁的設計和施工，而且為橋梁的施工控制提供了依據，同時在正裝分析法中能較好地考慮一些與橋梁結構形成歷程有關的因素，如混凝土的收縮徐變問題［4］。

4.2 結構仿真計算分析

1)計算模型。結構整體計算采用MIDAS/civil 2010進行，根據橋梁施工圖建立空間桿系模型，主梁采用空間梁單元進行模擬，吊桿采用桁架單元進行模擬，拱肋弦桿、腹桿采用梁單元進行模擬，同時為考慮平聯板混凝土灌注過程，平聯板亦采用梁單元進行模擬，主拱腹桿及平聯板采用軟件所提供的施工階段聯合截面進行模擬，計算模型依據設計施工順序建立施工階段，結構模型見圖4。

圖4 主橋空間結構計算模型

2)主梁累積位移計算。主梁累積位移理論值是施工過程中各節段立模高程必須之參數，其值為公式(1)中第二至第五項之和，本橋主梁各節段累積位移見圖5所示。

3)主梁關鍵截面應力計算。主梁關鍵截面應力計算用于把握在施工全過程之中結構應力的變化及所處范圍，把握結構的受力狀態，為現場應力監測提供理論數據，為監測數據誤差分析和進一步修正預測值提供參考。主梁0#塊MA截面施工過程中受力狀態變化如圖6所示，MAt標識為截面上緣，MAb標識為截面下緣。

圖5 各梁段大橋竣工時累積位移

圖6 MA截面上下緣截面施工過程中受力狀況理論計算值

4)過程跟蹤計算。施工過程中的臨時荷載作用、參數敏感性分析、誤差識別等工作均需要結合現場監測數據對結構進行跟蹤計算分析，以把握結構受力特點，為施工監控提供實時理論支持。

5 結語

1)圖7給出了施工過程中143#墩第22#段懸臂澆筑與預應力張拉所產生的結構變形及相應理論計算值，實測結果表明理論計算值能較好地反應施工過程中結構的響應，施工過程中理論跟蹤計算對把握施工階段結構的響應具有重要的參考意義。

圖7 結構監測變形與理論變形對比

2)圖8、圖9給出了主梁合龍后全橋實測線形與設計線形的對比圖，其中設計線形已考慮后期收縮徐變及靜活載的理論修正，實測結果表明主梁合龍后線形與設計線形相差較小，線形控制效果良好，最大差值為3.9 cm，滿足施工監控線形誤差控制在L/5 000=4.6 cm的要求。另外141#墩與142#墩跨中主梁合龍誤差為1.3 cm，142#墩與143#墩跨中主梁合龍誤差為1.7 cm，滿足大跨度剛構橋跨中合龍誤差為3 cm的技術要求。

圖8 140#墩～142#墩區間主梁合龍線形與設計線形對比

3)廣珠鐵路西江特大橋主橋主梁已順利合龍，西江特大橋已進入架設拼裝拱肋階段，通過前期施工過程中結構位移及應力監測，利用有限元進行跟蹤計算分析，實時把握結構的實際及理論受力狀態，對誤差進行分析識別，指導后續施工工況的開展，實踐表明主梁合龍后線形良好，受力正常，能夠滿足設計要求，為同類型橋梁的施工監控工作提供了參考，積累了技術經驗。

［1］羅世東，嚴愛國，劉振標．大跨度連續剛構柔性拱組合橋型研究［J］．鐵道科學與工程學報，2004(2):57-62.

［2］劉振標，嚴愛國，羅世東．大跨度連續剛構柔性拱組合橋施工控制［J］．橋梁建設，2009(6):62-66．

［3］顧安邦．橋梁施工監測與控制［M］．北京:機械工業出版社，2004.

［4］史麗濤．大跨徑預應力混凝土多孔連續剛構橋施工監控研究［D］．西安:長安大學，2005.