大跨度鐵路連續梁橋線形控制關鍵技術分析

趙慶武

(中國中鐵鄭州地鐵工程指揮部，河南鄭州 450016)

大跨度鐵路預應力混凝土連續梁橋一般采用懸臂施工工藝，其結構體系的形成需要經過一個復雜的過程，我國鐵路橋梁施工規范明確要求，懸臂施工工藝連續梁橋需進行專門線形控制分析。一般而言，線形控制目標包括三方面內容:①主梁合龍后懸臂兩端撓度的豎向偏差和軸線的橫向偏差不超過允許范圍;②合龍后的梁體橋面線形平順、高程滿足設計要求，符合有碴及無碴軌道鋪設條件;③施工期及運營期梁體截面應力滿足設計要求。隨著我國鐵路運營速度的不斷提高，無碴軌道的鐵路橋梁對橋面線形要求更為嚴苛，必須把鐵路橋梁線形控制問題置于更加突出的位置加以解決。目前，針對公路預應力混凝土連續梁橋的研究已較為充分［1－5］，但針對鐵路橋梁，尤其是客運專線鐵路橋梁的研究尚不多。

一般而言，線形控制技術是指室內分析與現場測試密切配合、相互作用的過程。大跨度連續梁橋的設計與施工相關性很強，如所采用的施工方法、材料性能、施工程序、環境溫度場及立模高程等都直接影響成橋的線形與內力，而施工的實際參數與設計參數的差異是客觀存在的，必須在施工現場采集必要的數據，通過參數識別后，對理論值進行修正計算，通過調整澆筑立模高程使主梁高程達到設計要求。通過施工過程的監測、數據采集和優化控制，在施工中依據已建結構的指標，預測未來結構的指標，最終實現梁橋的線形控制目的。

1 工程概述

本文以福廈鐵路中亞城雙線特大橋——(60+100+60)m預應力混凝土連續箱梁橋為例，闡述線形控制過程，揭示影響線形控制精度的主要因素以及其作用機理。中亞城雙線大橋主橋懸臂現澆連續梁段位于曲線半徑為4 500 m的緩和曲線段內，梁體設計為單箱單室、變高度、變截面結構，箱梁頂寬13.0 m，箱梁底寬6.4 m。頂板厚度35～45 cm、45～55 cm，按折線變化，底板厚度40～120 cm，按折線變化，腹板厚60～80 cm、80～100 cm，按折線變化。全聯在端支點、中跨中及中支點處共設5個橫隔板。主梁典型截面如圖1所示。

連續梁橋施工及線形控制與橋址處施工期間地形、氣象以及水文等環境因素密切相關。大橋處于集美區杏林鎮，段內屬閩南丘陵地貌，地勢起伏較小。上覆第四系全新統人工填土、粉質黏土、砂、淤泥質黏土及松軟土，下伏基巖為燕山早期第三次侵入的花崗巖，無不良地質構造。地表水主要以溝水、渠水及魚塘水為主，水量較小。地下水以第四系土層中的孔隙水為主，少量為花崗巖基巖裂隙水。該地區屬亞熱帶海洋性季風氣候，溫和濕潤，雨量充沛，四季不甚分明，夏季白天酷熱夜晚涼爽。年平均氣溫約20℃，八至九月份氣溫最高，一至二月份氣溫最低，偶有霜凍。降雨多集中在3～9月份，10月至次年2月少雨，7～9月份為臺風暴雨期。

2 連續梁的線形控制技術分析

2.1 施工工藝

中亞城雙線特大橋主橋連續梁采用三角掛籃分節懸臂澆筑法施工，泵送混凝土。0號塊采用在墩身兩側焊接型鋼托架法施工，懸臂灌注9個節段后，在邊跨采用萬能桿件支架法合龍邊跨，待邊跨混凝土達到設計要求強度并張拉邊跨合龍鋼束后，合龍中跨，最后鋪設橋面設施，完成全橋施工。

2.2 線形控制理論分析

采用正裝結構分析進行結構變形初始預測，在施工過程中將理論值與現場實測值進行對比分析，通過參數識別技術得出結構實際設計參數，將識別出的結構參數代入計算模型，重復正裝分析過程。由于調整后的計算變形與原始理論分析結果的差異，為得到最優化的后續節段高程調整方案，引入最小二乘法進行誤差調整，得到優化后的后續節段立模高程值，現場進行箱梁模型高程調整，以取得最佳的線形控制結果。

誤差調整采用最小二乘法，通過對設計參數的識別與修正，可以使提前預測值不斷向真實值逼近，隨著數據量的增多，其準確性也逐步提高。具體思路為采用“H實際撓度=A×H理論計算+B ×TIME實測+C”的線性回歸模式進行控制。在運用中使用計算機進行最小二乘法參數估計，通過對已知量的線性回歸，在解出回歸系數后，即可按照多元線性回歸模型對未知量進行預測。

2.3 線形控制關鍵技術

施工監控的目的是要對成橋目標進行有效控制，修正施工過程中各種影響成橋目標的參數誤差對成橋目標的影響，確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求。因此，連續梁橋施工控制的原則為以主梁線形控制為主，應力控制為輔。這是因為在懸臂施工階段梁段是靜定結構，只要合龍過程中所施加壓重不太大，成橋后內力狀態一般不會偏離設計值很多。因此，懸灌施工中應重點加強梁體高程控制，確保合龍順利，同時，對主梁截面內力的監控則選取控制截面進行適當應力監測，確保保證施工過程中內力(應力)偏差在允許范圍內，保證施工過程的安全。

主梁線形控制最關鍵的技術之一在于后續節段變形預測并據此給出調整后的立模高程。另外，根據應力實測值與理論值之間的比較分析，掌握梁體應力狀體，對于應力異常情況進行分析處理亦是線形控制中不可或缺的關鍵技術。

2.4 線形控制測量

(1)應力觀測

在箱梁的控制截面布置應力觀測點，以觀察在施工過程中這些截面的應力變化與應力分布情況。

(2)撓度觀測

撓度觀測資料是控制成橋線形最主要的依據。在每個施工塊件上布置6個對稱的高程觀測點，如圖2所示。各測點不僅可以測量箱梁的撓度，同時可以觀察箱梁是否發生扭轉變形。施工過程中，對每一截面需進行立模、混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、預應力張拉前、預應力張拉后的高程觀測，以便觀察各點的撓度及箱梁曲線的變化歷程，保證箱梁懸臂端的合龍精度及橋面線形。

圖2 截面立模高程測點布置

(3)溫度觀測

溫度是影響主梁撓度的最主要的因素之一。溫度變化包括日溫度和季節溫度變化兩部分，為了摸清箱梁截面內外溫差和溫度在截面上的分布情況，在梁體上布置溫度觀測點進行觀測，以獲得準確的溫度變化規律。

(4)混凝土彈性模量及容重的測量

混凝土彈性模量的測試主要是為了測定混凝土彈性模量E隨時間t的變化過程，即E－t曲線。采用現場取樣的方法，分別測定混凝土在3 d、7 d、14 d、28 d、56 d齡期的強度值(含抗折強度)，以得到完整的E－t曲線。

3 參數敏感性分析

為了分析施工過程中各種設計參數對橋梁高程的影響，確定主要和次要控制參數，便于出現偏差時調整立模高程，分別對施工過程中自重、掛籃變形、預應力、收縮徐變、溫度等參數對結構高程的影響程度進行參數分析。限于篇幅，以下列出影響中亞城雙線特大橋主橋成橋預拱度的3種參數敏感性分析結果。

(1)邊跨現澆段采用滿堂支架法施工。為了分析邊跨支架約束方式對成橋線形的影響，計算時考慮邊跨支架豎向約束和豎向水平同時約束兩種工況，分析其對施工的影響。分析結果如圖3所示，結果表明，邊跨現澆段對施工線形的影響最大處發生在3號邊跨合龍段，其數值為3.3 mm，對成橋線形的影響可以忽略不計。

(2)橋墩的壓縮變形會對主梁的線形產生影響，對此考慮無橋墩模型與全橋整體模型對橋梁施工預拱度的影響，其分析結果見圖4，橋墩的豎向壓縮只會對跨中段的施工預拱度有影響，其值為2.1 mm，所以精確模型應考慮橋墩豎向壓縮變形對主梁施工預拱度的影響。

(3)跨中合龍段施工約束方式的不同對整體立模高程有一定影響，模型考慮跨中合龍段固結約束和鉸接約束兩種工況，分析結果表明，跨中合龍段采用固結約束使得施工預拱度稍有提高，最大值發生在跨中10號施工段，其值為5.2 mm，最終模型采用兩者預拱度折中結果。最終施工預拱度見圖5。

結果表明自重、預應力、溫度、掛籃變形對立模高程的影響比較大，應列為主要控制參數，而其余參數影響相對較小，可列為次要參數。

圖3 邊跨支架約束方式對主梁施工預拱度的影響

4 變形分析

線形控制的重點應圍繞梁體節段變形預測及校驗展開，為檢驗本文所述線形控制技術的正確性，列出中亞城雙線特大橋主橋變形預測值與實測值的比較結果(見表1)。

圖4 橋墩豎向壓縮變形對主梁施工預拱度的影響

圖5 跨中合龍段施工約束方式對主梁施工預拱度的影響

表1 福廈鐵路中亞城雙線特大橋2號墩各施工階段變形對比 m

參數分析結果表明，自重、預應力、溫度、掛籃變形對立模高程的影響比較大，應列為主要控制參數，而其余參數影響相對較小，可列為次要參數。圖6列出2號主墩各懸灌節段在混凝土澆筑前后理論計算值與實測值的比較結果，圖7列出2號主墩各懸灌節段在預應力張拉前后理論計算值與實測值的比較結果，以檢驗本文所述控制方法的正確性。

工程實測表明，中亞城雙線特大橋主橋跨中合龍誤差為5mm，軸線最大偏差為6mm，均小于規范限值，合龍后主梁橋面高程理論值與實測值吻合良好，主梁線形順暢。

圖6 2號墩混凝土澆筑前后實測與理論對比(中跨)

圖7 號墩預應力張拉前后實測與理論對比(中跨)

5 結論

首先對鐵路連續梁橋施工控制的關鍵技術進行分析，揭示影響線形控制的影響因素。進一步結合福廈鐵路中亞城雙線特大橋施工監控中進行的參數敏感性分析，得出影響線形控制精度的主要設計參數為自重、預應力、溫度、掛籃變形等，其余參數影響相對較小，可列為次要參數。通過對中亞城雙線特大橋各階段變形預測值與實測值的對比分析，驗證本文所述方法正確可靠，可為同類型橋梁提供參考。

［1］徐君蘭．大跨度橋梁施工控制［M］．北京:人民交通出版社，2000

［2］向中富．橋梁施工控制技術［M］．人民交通出版社，2001

［3］葛耀軍．分段施工橋梁分析與控制［J］．鐵道建筑，2005(6)

［4］張志新．大跨度預應力混凝土連續梁橋施工控制技術及應用［D］．長安大學，2003

［5］劉躍華，李國平．連續梁橋懸臂澆筑施工撓度控制的因素分析［J］．上海公路，2002(4)