對(duì)橋梁懸臂線性控制的研究

【摘要】懸臂澆筑和懸臂拼裝在采用預(yù)制梁段施工速度比現(xiàn)澆的快，但在施工變形及穩(wěn)定性安全方面控制比較難。如何做好懸臂拼裝線性質(zhì)量控制是關(guān)系到橋梁工作質(zhì)量和后期養(yǎng)護(hù)的一項(xiàng)重要工作。本文介紹了懸臂拼裝的理論和控制方法，確保橋梁拼裝精準(zhǔn)和施工安全穩(wěn)定。

【關(guān)鍵字】懸臂拼裝；穩(wěn)定性；控制

0 引言

橋梁分段施工控制就是圍繞著三個(gè)結(jié)構(gòu)基本狀態(tài)進(jìn)行，即設(shè)計(jì)理想狀態(tài)、施工實(shí)際狀態(tài)、最優(yōu)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)。施工控制的目的就是確保施工中結(jié)構(gòu)的安全以及結(jié)構(gòu)形成后的外形和內(nèi)力狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)，以符合設(shè)計(jì)要求。在分段施工前，一般要結(jié)合橋型特點(diǎn)及施工方法等計(jì)算確定成橋階段的設(shè)計(jì)理想狀態(tài)，采用倒退分析方法確定施工理想狀態(tài)，與實(shí)際施工狀態(tài)比較，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)分析兩種狀態(tài)的誤差，然后采用各種控制方法加以預(yù)測(cè)、調(diào)整，確保合攏段兩懸臂端的相對(duì)偏差在允許范圍內(nèi)。

懸臂拼裝施工連續(xù)梁橋的建成要經(jīng)歷復(fù)雜的施工過(guò)程，結(jié)構(gòu)體系也將隨施工階段不同而不斷變化。施工過(guò)程中，因設(shè)計(jì)參數(shù)誤差（如材料特性、截面特性、徐變系數(shù)等）、施工誤差（如制造誤差、安裝誤差等）、測(cè)量誤差及結(jié)構(gòu)分析模型誤差等種種原因，將導(dǎo)致施工過(guò)程中橋梁的實(shí)際狀態(tài)（線形、內(nèi)力）與理想目標(biāo)存在一定的偏差，這種偏差累積到一定程度如不及時(shí)加以識(shí)別和調(diào)整，成橋后的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)將難以保證。而且，已施工梁段上一旦出現(xiàn)線形誤差時(shí)，誤差將永遠(yuǎn)存在，并導(dǎo)致成橋狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。因此對(duì)大橋施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控具有重要實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況

某大橋?yàn)椋?5+70+45）m三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。梁體為單箱單室斜腹板截面，箱梁中跨跨中梁高2.6 m，根部梁高4.8 m；梁底下緣為1.8次拋物線，底板及腹板厚度按折線變化。采用短線預(yù)制法與現(xiàn)澆相結(jié)合進(jìn)行施工，即0號(hào)塊、合攏段及濕接縫現(xiàn)澆，其余節(jié)段工廠預(yù)制，預(yù)制節(jié)段截面由多鍵型剪力鍵定位匹配，現(xiàn)場(chǎng)懸拼。

2 線形控制的實(shí)施

2.1 線形控制基本原理

大跨度橋梁的線形控制是施工-量測(cè)-識(shí)別-修正-預(yù)測(cè)-施工的循環(huán)過(guò)程，即首先根據(jù)結(jié)構(gòu)模型分析計(jì)算，確定箱梁理論定位高程并實(shí)施，然后監(jiān)測(cè)已完成梁段的高程和平面位置，將已完梁段的實(shí)際高程和理論高程相比較，在對(duì)偏差的結(jié)果綜合分析的基礎(chǔ)上，對(duì)待拼粱段的定位高程和平面位置加以?xún)?yōu)化調(diào)整。

這種預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化不是一次在線完成，而是反復(fù)在線完成的，每一采樣時(shí)刻優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及該時(shí)刻起到未來(lái)有限時(shí)刻。到下一個(gè)采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段會(huì)同時(shí)向前推移。因此預(yù)測(cè)控制不是用一個(gè)對(duì)全局相同的性能優(yōu)化指標(biāo)，而是每一時(shí)刻有一個(gè)相對(duì)于該時(shí)刻的局部性能優(yōu)化指標(biāo)。

2.2 懸臂拼裝線形控制方法

2.2.1 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)是指在短線法梁節(jié)段預(yù)制過(guò)程中，預(yù)制廠根據(jù)線路的設(shè)計(jì)參數(shù)（橋梁的平、豎曲線及理論預(yù)拱度設(shè)置）確定整體坐標(biāo)系，在待安裝節(jié)段頂面預(yù)埋軸線控制點(diǎn)、標(biāo)高控制點(diǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)六點(diǎn)坐標(biāo)。六點(diǎn)坐標(biāo)包括有預(yù)制的理論坐標(biāo)和預(yù)制的實(shí)際坐標(biāo)，預(yù)制過(guò)程中，為了保證最終成橋坐標(biāo)符合設(shè)計(jì)理論六點(diǎn)坐標(biāo)，后續(xù)節(jié)段須根據(jù)前一節(jié)段的預(yù)制誤差及測(cè)釘埋設(shè)偏差進(jìn)行修正，并且采用三維定位軟件將節(jié)段局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至整體坐標(biāo)系內(nèi)，這便是預(yù)制的實(shí)際六點(diǎn)坐標(biāo)。預(yù)制的實(shí)際六點(diǎn)坐標(biāo)便是懸臂拼裝施工過(guò)程的理論定位坐標(biāo)。

2.2.2 節(jié)段預(yù)制定位高程的控制

采用節(jié)段預(yù)制為使成橋線形能符合設(shè)計(jì)要求，要求在預(yù)制施工過(guò)程中必須將可能影響結(jié)構(gòu)線形的因素都要進(jìn)行考慮，如臨時(shí)支撐形式、節(jié)段施工順序、受力齡期、合攏順序、混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力損失、二期恒載（橋面鋪裝、體外預(yù)應(yīng)力張拉）等。在考慮這些因素的前提下，經(jīng)結(jié)構(gòu)分析得到各“T”構(gòu)的預(yù)制拱度，形成預(yù)制曲線，線形控制作業(yè)的關(guān)鍵在于節(jié)段生產(chǎn)與安裝的施工精度，必須建立專(zhuān)業(yè)、固定的測(cè)量系統(tǒng)，在調(diào)整匹配面以形成預(yù)制曲線過(guò)程中，嚴(yán)格控制誤差在2 mm以?xún)?nèi)。

預(yù)制塊實(shí)際六點(diǎn)定位坐標(biāo)標(biāo)高： 。

綜合預(yù)留拱度：

式中： —設(shè)計(jì)高程； —各施工階段的累計(jì)撓度； —1/2靜活載撓度； —支座壓縮及基礎(chǔ)沉降值； —混凝土收縮、徐變撓度； —預(yù)制偏差調(diào)整值。

2.2.3 懸臂拼裝定位高程的控制

懸臂拼裝施工中高程控制的關(guān)鍵就是施工撓度，雖然在預(yù)制過(guò)程中已經(jīng)考慮了理論預(yù)拱度，但是在實(shí)際施工中膠拼張拉預(yù)應(yīng)力前后、墩臺(tái)沉降以及施工誤差等造成實(shí)際與理論預(yù)拱度值的偏差。因此就需要采取優(yōu)化措施對(duì)后面施工節(jié)塊定位標(biāo)高進(jìn)行優(yōu)化，以期張拉完后預(yù)制塊標(biāo)高達(dá)到最優(yōu)。

下面以灰色預(yù)測(cè)控制理論來(lái)對(duì)預(yù)制塊的定位標(biāo)高進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)Z（i）為第i節(jié)段膠拼張拉預(yù)應(yīng)力前后懸臂豎向位移實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之比，考慮到Z（i）的獨(dú)立性，對(duì)Z（i）建立GM（1，1）預(yù)測(cè)模型：

（1）

其中 為z的累加生成數(shù)；則當(dāng)確定 ， 后有：

（2）

若（2）式也成為GM（1，1）預(yù)測(cè)響應(yīng)式，其還原值為：

（3）

若第k+1節(jié)段膠拼張拉預(yù)應(yīng)力前后豎向位移設(shè)計(jì)值為 則模型輸出 為：

（4）

則第k+1節(jié)段優(yōu)化定位標(biāo)高為：

（5）

其中， 為實(shí)際預(yù)制六點(diǎn)坐標(biāo)高程。

雖然應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)理論模型對(duì)定位標(biāo)高進(jìn)行了優(yōu)化，但是由于短線預(yù)制法的特點(diǎn)，前后節(jié)段相匹配，通過(guò)對(duì)多鍵型剪力鍵進(jìn)行定位，預(yù)制塊件前后緊密卡位，所以實(shí)際調(diào)整量很小，不如懸臂現(xiàn)澆那樣可以自由調(diào)整掛籃來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。因此實(shí)際調(diào)整較難達(dá)到預(yù)期的理想效果，只能達(dá)到調(diào)整范圍內(nèi)的實(shí)際優(yōu)化。

2.2.4 懸臂拼裝定位軸線控制

由于懸臂拼裝與懸臂現(xiàn)澆的不同，軸線控制問(wèn)題在懸臂拼裝施工中顯得比較突出，由于短線法的自身特點(diǎn)，不能進(jìn)行整個(gè)預(yù)制跨度的預(yù)拼，線形控制是通過(guò)調(diào)整兩節(jié)匹配節(jié)段平面及立面內(nèi)的轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)。預(yù)制過(guò)程中的軸線控制是施工過(guò)程控制的先決條件，很大程度上決定了懸臂拼裝施工中軸線定位的偏移程度。

實(shí)際懸臂拼裝前應(yīng)實(shí)測(cè)各節(jié)段外形尺寸，并模擬試拼整個(gè)懸臂以檢查預(yù)制過(guò)程中軸線控制的效果，為實(shí)際懸臂拼裝提供參考。實(shí)際施工中在0號(hào)塊現(xiàn)澆完成達(dá)到要求后，通過(guò)濕接縫按照實(shí)際預(yù)制六點(diǎn)坐標(biāo)準(zhǔn)確定位1號(hào)塊，因?yàn)樘幱趹冶鄹?號(hào)塊的定位將直接決定將來(lái)施工線形的偏移程度。懸臂拼裝過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量已膠拼張拉預(yù)應(yīng)力節(jié)段的軸線偏差，同時(shí)試拼下一節(jié)段，觀測(cè)其試拼定位數(shù)據(jù)，結(jié)合兩節(jié)段的偏差測(cè)量數(shù)據(jù)，采用前進(jìn)分析方法，同時(shí)兼顧節(jié)段實(shí)際的調(diào)整量范圍，在使整體拼裝偏移最小的前提下，決定具體的糾偏調(diào)整量。

3 實(shí)際施工控制實(shí)施

3.1 實(shí)施的措施和流程

在懸臂拼裝過(guò)程中采用專(zhuān)人、專(zhuān)儀器實(shí)行控制和數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)為了減少溫度對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響，每天定時(shí)早上7：00測(cè)量。準(zhǔn)確獲得定位、膠拼張拉前后數(shù)據(jù)為優(yōu)化控制提供條件。

在節(jié)段拼裝過(guò)程中確定了調(diào)整量后，一般可通過(guò)張拉力筋或控制力筋張拉力進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)可通過(guò)千斤頂進(jìn)行調(diào)整，也可通過(guò)在膠縫材料中嵌墊軟金層片（如銅）或石棉網(wǎng)來(lái)調(diào)節(jié)。但每次不宜墊得太厚，由于無(wú)相應(yīng)規(guī)范，以經(jīng)驗(yàn)小于5 m為宜，通過(guò)計(jì)算逐步調(diào)整。當(dāng)在拼裝過(guò)程中梁段線形誤差過(guò)大，難以用其他方法進(jìn)行補(bǔ)救時(shí)，可以增設(shè)一道濕接縫來(lái)調(diào)整，所增設(shè)的濕接縫寬度必須用鑿除節(jié)段梁端面混凝土厚度的辦法來(lái)完成。

3.2 工程施工控制的結(jié)果

該大橋只完成了24號(hào)墩最大懸臂狀態(tài)施工，23號(hào)墩懸臂正在施工中，施工過(guò)程中由于節(jié)段間剪力鍵定位匹配，調(diào)整量受到限制，實(shí)際施工結(jié)果比預(yù)測(cè)值有一定量的差距，只能在可調(diào)整范圍內(nèi)達(dá)到實(shí)際的最優(yōu)，最大標(biāo)高施工偏差為1.85cm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及監(jiān)控要求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用預(yù)制節(jié)段懸拼法施工時(shí)，國(guó)外幾乎全是采用短線法進(jìn)行梁體節(jié)段預(yù)制，由于其預(yù)制、施工控制要求精度較高，在國(guó)內(nèi)還未能得到很好的推廣，通過(guò)對(duì)該大橋懸臂拼裝施工控制的具體實(shí)踐，可以對(duì)短線預(yù)制懸拼工藝的推廣起到一定的借鑒作用。

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