高速鐵路連續梁橋的線形控制與應力控制

李重陽

中國鐵建股份有限公司（100855）

由于高鐵及城鐵對線路的平順性要求極高，因此精確的線形控制是鐵路連續梁橋施工的關鍵。同時，應力控制也是保證成橋后結構應力狀態與設計相吻合，使成橋后橋梁徐變變形達到設計目標的關鍵。以某鐵路橋梁（70+125+70）m預應力混凝土連續梁橋為例,介紹橋梁線形控制與應力控制的關鍵技術和方法。

1 工程概況

某高度鐵路連續梁橋采用無砟軌道，設計列車時速350 km/h。在跨越某高速公路處,采用 （70+125+70）m的預應力混凝土連續箱梁橋。該橋采用單箱單室變高度、變截面連續梁。箱梁梁底曲線按圓曲線變化，端支座處及邊跨直線段和跨中處梁高為5.2 m,中支點處梁高9.2 m。全橋箱梁頂板寬12.0 m，底寬7.0 m。全橋共設5道橫隔梁，分別設于端支點、中支點、中間跨跨中截面。該橋采用懸臂澆筑，采用菱形掛籃。全橋分兩個T構對稱懸臂澆筑,每個T構包括0 ～13號梁段,中支點0＃塊梁段長度9 m,一般梁段長度分成3 m和4.0 m,2個邊跨各有9.75 m的現澆段,邊、中跨合攏段均長為2 m。

2 結構計算模型的建立

本橋采用有限元軟件MIDAS/Civil進行結構建模分析,MIDAS具備單元激活與鈍化功能,可以很方便的模擬施工過程的正裝分析以及倒拆分析。全橋共離散為57個單元，58個節點。其中零號塊采用托架施工，邊跨現澆段采用滿堂支架施工，其余梁段采用掛籃對稱懸臂施工。

在建模時應注意以下幾點:

1）施工階段:全橋應按照掛籃安裝、混凝土灌注、張拉鋼束等不同階段劃分施工階段，以便對線形和應力詳細監測。2）邊界條件:未合龍時零號塊處墩梁固結，合龍時約束釋放，轉化為鉸接和鏈桿約束，以適應梁體轉動和縱橋向位移。3）體系轉換:按照邊跨合攏、中跨合攏的順序進行體系轉換。

MIDAS計算模型如下圖1所示。

3 鐵路連續梁橋施工控制方法

為保證橋梁的安全建設，使最終的主梁線形和恒載內力與設計相吻合，選擇科學合理的控制方法是非常重要的。（70+125+70）m連續梁橋施工監控采用先進的自適應控制法。參數誤差識別采用Kalman濾波法。

自適應控制法是指在施工控制開始時，控制系統的某些設計參數和實際情況不完全吻合，此時可以通過系統識別或參數估計,調整計算模型的參數，使設計輸出與實測結果相符,進而使實際問題得到解決。得到修正的計算模型參數后，重新計算各施工階段的理想狀態，按反饋控制方法對結構進行控制。這樣，經過若干工況的反復辨識后，計算模型與實際結構趨于一致,在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。自適應施工控制系統框圖如圖2所示。

參數誤差識別過程是自適應控制的關鍵，其任務就是根據對控制目標（如內力、標高和結構應力）的測量值與計算值之間的誤差反算施工模擬計算所選用的參數是否合理,如混凝土的彈性模量、主梁自重集度、掛籃剛度、徐變系數等。本文所述及的（70+125+70）m連續梁橋的參數誤差識別采用Kalman濾波法。

4 線形控制

線形控制是橋梁施工控制的重要工作之一。使用全站儀對主梁軸線進行測量，保證箱梁懸灌端的合攏精度和橋面變形。主梁的線形監測應以線形通測和局部塊件高程測量相結合，在主梁塊件澆筑及掛籃移動后進行。

4.1 懸臂澆筑各節段立模高程的確定

懸臂澆筑段前端底板和橋面高程應根據掛籃垂直變形和梁體預拱度進行設置。而預拱度是受到梁體自重、預應力張拉、溫度、收縮徐變等多方面因素的影響。懸臂結構逐段澆筑，后節段的受力情況對前節段產生作用。因此現澆梁段的預拱度=本段和后面所有各段混凝土和張拉預應力束的累計撓度+二期恒載作用下產生的撓度+1/2活載產生的撓度+從澆筑至設計使用10年中混凝土收縮徐變引起的撓度。

4.2 線形控制結果

成橋線形是在橋梁合龍后約一年的時間，對全橋進行了成橋線形測量。此時橋梁的二期恒載已經鋪設完畢，徐變變形按照理論計算約完成80%。測得的成橋線形與理論計算值比較結果如下表1所示，限于篇幅僅記錄部分數值。

表1 成橋線形控制結果

為了更直觀的分析成橋線形控制的結果，將成橋后的橋面實測高程和設計成橋線形繪制成圖，如下圖3所示。

從表1和圖3分析可以得出，該橋的線形控制結果良好，滿足鐵路連續梁施工技術交底要求和相關規范的要求。

5 應力控制

預應力混凝土連續梁橋在懸臂施工的過程中，從結構安全的角度，結構的應力最令人關注。

主梁應力的測試是監測主梁在施工過程中主梁是否安全的一種輔助手段。盡管理論計算結果表明了其安全性，但在實際施工中可能存在著不可預計的因素（如施工荷載、混凝土彈性模量、預應力大小的變異，施工流程的改變等）會使主梁的受力與理論計算結果有差異，因此必須進行主梁應力的監測，確保結構安全。

5.1 應力截面及測點布置

在懸臂施工的過程中，對T構根部的頂板和底板應力進行了監測。應力計的埋設位置如圖4所示。

5.2 應力控制結果

懸臂澆筑的施工過程中，每一個梁段都對每個T構的應力計進行了測量。測量時，考慮了測試現場的溫度，由程序自動進行溫度修正，得出每個施工階段T構根部頂板和底板的應力。限于篇幅，部分測量的應力結果如下所示。

表2 629#墩T構近南京側截面箱梁應力測試記錄測試工況:1#塊混凝土澆筑后

表3 629#墩T構近杭州側截面箱梁應力測試記錄測試工況:1#塊混凝土澆筑后

從以上給列舉的部分應力監測記錄可以看出:在懸臂施工的過程中，T構根部的頂板和底板應力均在規范允許的范圍值之內，因而，在懸臂施工的過程中，結構處于安全可控狀態。

6 結論

1）由于鐵路提速，對鐵路橋梁平順性要求日益提高。故施工控制在鐵路預應力混凝土橋梁的懸臂施工中起著重要作用，監控是一個:施工→量測→識別→修正→預報→施工的循環過程。只有結構有限元理論計算和施工監控相結合，才能保證施工線形和應力達到設計要求。

2）通過對比線形、應力實測值與理論計算值可知，橋梁各施工階段中，線形與應力變化趨勢相同，二者誤差較小，說明本文采用的有限元計算模型與實際較符合,線形與應力控制方法也是合理的，可用于同類型鐵路橋梁的施工控制。

[1]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

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