大跨度連續(xù)梁懸臂施工線形監(jiān)控與合攏順序優(yōu)化

董金堂

（中鐵二十一局集團(tuán)，甘肅蘭州730000）

1 工程概況

蘭州至烏魯木齊第二雙線（甘青段）酒泉立交特大橋跨連霍高速公路（60+100+60）m連續(xù)梁采用懸臂施工，梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，主墩墩頂4.0 m范圍內(nèi)梁高相等，梁高7.85 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高4.85 m，梁底曲線為二次拋物線，箱梁頂寬12.2 m,底寬6.7 m。1～13#梁段采用掛籃懸臂澆筑施工。全橋共有3個(gè)合攏段，合攏段長度均為2.0m，懸臂施工分為13個(gè)節(jié)段，設(shè)計(jì)圖紙要求嚴(yán)格對稱施工，橋梁總體布置如圖1所示。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：（1）鐵路等級：客運(yùn)專線；（2）雙線鐵路橋，位于直線及曲線上，線間距5.0 m，最小曲線半徑R=7 000 m；（3）設(shè)計(jì)速度：適用于250 km/h及以上鐵路；（4）設(shè)計(jì)活載：列車豎向荷載采用ZK活載；（5）橋面二期恒載：150 kN/m；（6）主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100 a。

2 施工監(jiān)控的原則和方法

該（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工。橋梁的懸臂現(xiàn)澆施工，因其施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，而且這種相互影響又存在差異，這就造成各階段的位移隨著混凝土澆筑過程不斷變化而出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，甚至可能會出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)允許的位移。若不通過有效的施工控制及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)調(diào)整，就勢必出現(xiàn)成橋狀態(tài)的線形不符合設(shè)計(jì)要求的情況。

懸臂施工屬于典型的自架設(shè)施工方法，由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在施工過程中的已建成結(jié)構(gòu)（懸臂階段）狀態(tài)是無法事后調(diào)整的，所以，針對該（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)和施工特點(diǎn)，該橋的施工監(jiān)控主要采用預(yù)測控制法。

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(gè)施工階段形成前后的狀態(tài)進(jìn)行分析預(yù)測，使施工沿著預(yù)定的狀態(tài)進(jìn)行。由于預(yù)測狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)間有誤差存在，某種誤差對施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測中予以考慮。以此循環(huán)，直到施工完成并獲得和設(shè)計(jì)相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3 施工控制的計(jì)算方法

橋梁結(jié)構(gòu)從懸臂澆筑施工到最終成橋需經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜施工過程，以及結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)化過程。對施工過程中每個(gè)階段的變形計(jì)算和受力分析，是橋梁結(jié)構(gòu)施工控制中最基本的內(nèi)容。為達(dá)到施工控制的目的，就需要對橋梁施工過程中每個(gè)階段的變形情況進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)控，采用合理的理論分析和計(jì)算方法來確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)行為。針對該（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的實(shí)際情況，采用正裝分析法進(jìn)行施工控制結(jié)構(gòu)分析，并用倒退分析進(jìn)行計(jì)算各階段梁體的理論狀態(tài)。

4 施工控制分析的步驟

（1）施工監(jiān)控首先要根據(jù)施工圖紙進(jìn)行初步的計(jì)算，在正常的施工過程中會存在許多難以預(yù)料的因素，會出現(xiàn)施工進(jìn)度安排等與初始計(jì)算不符的情況。若出現(xiàn)此情況應(yīng)根據(jù)施工單位實(shí)際提供的施工步驟進(jìn)行重新計(jì)算分析。

（2）按照施工步驟進(jìn)行計(jì)算。分別考慮梁段的自重、施加的預(yù)應(yīng)力和混凝土收縮、徐變及溫度的變化等因素對結(jié)構(gòu)的影響。對于混凝土的收縮、徐變等在各施工階段中逐步計(jì)入。

圖1 橋梁總體布置圖

（3）每一階段的結(jié)構(gòu)分析必須以前一階段的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)。前一階段結(jié)構(gòu)位移是本階段確定結(jié)構(gòu)軸線的基礎(chǔ)。之前各施工階段受力狀態(tài)是本階段確定結(jié)構(gòu)軸線的基礎(chǔ)。之前各施工階段結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是本階段時(shí)效的計(jì)算基礎(chǔ)。

（4）計(jì)算出各階段的位移之后，根據(jù)后續(xù)施工階段對本階段的影響，進(jìn)行倒退分析即可得到各階段橋梁結(jié)構(gòu)的合理狀態(tài)和立模標(biāo)高。

5 計(jì)算模型與理論值

5.1 計(jì)算模型

該計(jì)算模型采用有限元方法計(jì)算結(jié)構(gòu)在自重、預(yù)應(yīng)力、施工荷載等作用下每一施工階段中結(jié)構(gòu)的位移，給出理論立模標(biāo)高以指導(dǎo)實(shí)際施工。首先建立連續(xù)梁橋的有限元計(jì)算模型，由于連續(xù)梁懸臂澆注施工的階段性，按照每一個(gè)施工梁段劃分單元，模型里的每一個(gè)單元和實(shí)際施工中的澆筑號段嚴(yán)格對應(yīng)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙反映的內(nèi)容，對全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進(jìn)行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計(jì)算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點(diǎn)、跨中、截面變化點(diǎn)等控制截面將全橋劃分為6 0個(gè)結(jié)點(diǎn)和5 9個(gè)單元。計(jì)算模型如圖2所示。采用橋梁博士軟件進(jìn)行施工模擬分析，考慮混凝土收縮徐變的時(shí)間依存性參數(shù)等。按照實(shí)際的施工順序，模擬結(jié)構(gòu)的形成、荷載的施加、邊界條件的變化及結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變等對結(jié)構(gòu)變形的影響。計(jì)算結(jié)果輸出每一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。在實(shí)際施工控制中作為理論值和實(shí)測值進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)誤差較大及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使施工過程得以有效的控制。

圖2為成橋階段模型，2＃墩設(shè)置固定支座，其余墩設(shè)置活動支座。圖2中示出了預(yù)應(yīng)力鋼束。

5.2 成橋階段累計(jì)位移

為了對比不同的合攏順序下，梁體的累積位移，計(jì)算了如下兩種方案。（1）先中后邊：即先合攏中跨，張拉中跨頂板和底板預(yù)應(yīng)力束，再合攏邊跨，張拉所有剩余預(yù)應(yīng)力束；（2）先邊后中：即先合攏邊跨，張拉邊跨頂板和底板預(yù)應(yīng)力束，再合攏中跨，張拉所有剩余預(yù)應(yīng)力束。不同合攏方案時(shí)，該(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁成橋階段累計(jì)位移如圖3所示，ZK活載（雙線）作用下箱梁向下的位移如圖4所示。

5.3 立模標(biāo)高計(jì)算

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標(biāo)高的合理確定，是關(guān)系到主梁線型是否平順、是否符合設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。如果在確定立模標(biāo)高時(shí)考慮的因素比較符合實(shí)際，而且加以正確的控制，則最終橋面線型較為良好。施工中的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)參數(shù)的識別、調(diào)整并準(zhǔn)確確定各階段的立模高程。

立模標(biāo)高并不等于設(shè)計(jì)橋梁建成后的標(biāo)高。一般要設(shè)置一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形（豎向撓度）。其計(jì)算公式如下：

Hlmi=Hsji+∑f1i+∑f2i+f3i+f4i+f5i+fgl式中：Hlmi——階段立模標(biāo)高；

Hsji——階段設(shè)計(jì)標(biāo)高；

∑f1i——由本階段及后續(xù)施工階段梁段自重在階段產(chǎn)生的撓度總和；

∑f2i——由張拉本階段及后續(xù)施工階預(yù)應(yīng)力在階段引起的撓度；

f3i——混凝土收縮、徐變在階段引起的撓度；

f4i——施工臨時(shí)荷載在階段引起的撓度；

f5i——取使用荷載在階段引起的撓度的50%；

fgl——掛籃變形值。

其中，掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗(yàn)確定的在施工過程中加以考慮，∑f1i、∑f2i、f3i、f4i、f5i在前進(jìn)分析和倒退分析計(jì)算中已經(jīng)加以考慮。根據(jù)上述計(jì)算式和監(jiān)控分析，可以計(jì)算出各梁段的預(yù)拱度。

5.4 不同合攏方式對預(yù)拱度的影響

圖2 全橋計(jì)算模型

圖3（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁累計(jì)位移曲線圖

圖4 ZK活載作用下連續(xù)梁最大豎向位移曲線圖

分析成橋階段累積位移數(shù)據(jù)，先邊跨合攏方案成橋階段累積位移遠(yuǎn)小于先中跨合攏方案的成橋累積位移。先邊跨合攏時(shí)成橋階段累積位移，中跨合攏段最大累積位移向下2 mm，邊跨合攏段最大豎向位移向下0.3 mm；先中跨合攏時(shí)成橋階段累積位移，中跨合攏段最大累積位移向上42.1 mm，邊跨合攏段最大豎向位移向下96.4 mm。合攏順序?qū)υ摌虺蓸螂A段累積位移影響較大，采用不同的合攏方式，中跨合攏段累積位移相差44.1 mm，邊跨合攏段累積位移相差96.1 mm。先中跨合攏后邊跨合攏的方式，在邊跨合攏段和中跨合攏段所給的預(yù)拱度值都較大，較容易產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致合攏精度不高，成橋線形偏離設(shè)計(jì)較多。

6 線形測量

橋梁的線形監(jiān)控是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工監(jiān)控中的一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。線形控制就是嚴(yán)格控制每一階段箱梁的豎向撓度，若有偏差并且偏差較大時(shí)，就必須立即進(jìn)行誤差分析并確定調(diào)整方法，為下一階段更為精確的施工做好準(zhǔn)備工作，以保證橋梁的線形滿足設(shè)計(jì)要求。

撓度觀測資料是控制成橋線形最主要的依據(jù)。在整個(gè)施工過程中主要觀測內(nèi)容包括如下：（1）混凝土澆筑前的高程測量；（2）混凝土澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉前的高程測量；（3）預(yù)應(yīng)力張拉后、掛籃行走前的高程測量；（4）掛籃行走后的高程測量；（5）拆除掛籃后、邊(中)跨合攏前的高程測量；（6）最終成橋后的高程測試。

7 結(jié)語

對于分節(jié)段懸臂澆注施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，施工控制的目的就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段計(jì)算，確定出每個(gè)懸澆節(jié)段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進(jìn)行分析、預(yù)測和對下一立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩端懸臂端標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值，以及確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性，保證橋梁成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。

大跨度連續(xù)梁橋懸臂施工不同的合攏順序?qū)α后w預(yù)拱度的設(shè)置相差較大，雖然，在跨越既有線時(shí)，先中跨合攏方案，可較早拆除防護(hù)棚架以保證既有線安全暢通，但梁體累積位移較大，在邊跨合攏段和中跨合攏段所給的預(yù)拱度值都較大，對線性控制工作的要求也較高，容易導(dǎo)致合攏精度不高，成橋線形偏離設(shè)計(jì)較多。而先邊跨合攏方案，梁體變形較小，對線性控制有利，應(yīng)優(yōu)先采用。

本文對合攏方案的分析得出對施工安全和橋梁線形保證有意義的結(jié)果,對類似橋型的工程施工有參考價(jià)值,值得在工程中繼續(xù)推廣研究。

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