預應力混凝土箱梁橋施工控制技術要點研究

袁立群,彭 冀,魏文暉

(1.深圳市天健(集團)股份有限公司，深圳 518000；2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

近些年，我國大力倡導建設行業(yè)往低碳化、工業(yè)化與信息化方向轉型，橋梁建設技術在相關政策的引導下得到了飛速發(fā)展。預應力混凝土箱梁橋不僅受力性能良好，標準化的設計與施工工藝還能起到節(jié)約建設成本、加快施工進度和保證施工質量的效果，因而得到了廣泛的應用[1]。

預應力混凝土箱梁橋的施工是一個復雜的動態(tài)循環(huán)過程，是集設計、建造、監(jiān)控、評估、校準、規(guī)劃于一體的龐大體系[2]。設計通常能給出理想化的成橋狀態(tài)，而在實際工程中，因設計方法、計算理論與誤差、參數取值、材料實際性能、施工環(huán)境等諸多方面不確定因素的影響，橋梁的實際狀態(tài)與設計目標之間必然存在著差別[3]。為提高預制箱梁橋的施工質量，許多學者在施工控制技術方面進行了大量的深入研究，主要集中在箱梁預制與架設安裝等對成橋質量影響較大的施工環(huán)節(jié)。

1 橋梁施工控制理論

橋梁施工控制理論與技術的研究應用是橋梁工程質量的重要保證，也是我國橋梁工程領域研究與應用較早的方向之一。目前，橋梁施工控制理論相關研究已趨于成熟，針對不同工程條件的創(chuàng)新應用技術研究正逐漸興起，一些以智能建造技術為依托的先進造橋理念與工藝技術方法得到快速發(fā)展[4]。

橋梁施工控制的主要任務包括結構變形控制、結構應力控制與結構穩(wěn)定控制，目標是保證在整個施工過程中及成橋后運營階段，橋梁變形與結構內力均處于容許范圍以內，且結構不會因為整體或局部失穩(wěn)而毀壞。一般來說，橋梁建設周期較長，施工干擾因素較多，為達到施工控制目標往往需要建立一套完善的控制系統(tǒng)，以此來更好地對施工狀態(tài)進行監(jiān)測、預測和調整。針對各施工階段，通常可以按圖1所示流程對橋梁施工進行調控，當每個階段的過程狀態(tài)與控制目標相符時可進行下一工序，直至橋梁施工完成。

2 預制階段施工控制要點

預應力混凝土箱梁的制作按鋼束張拉方式可分為先張法與后張法。相較于先張法制梁，后張法所需張拉構件(錨具、預埋件等)少，對張拉臺座的要求不高，更利于現(xiàn)場施工，因而在橋梁建設中應用更為廣泛。采用后張法進行梁體預制的施工工序圖如圖2所示，此階段的施工難點在于構件配筋復雜且需要進行大體積混凝土澆筑，施工控制的主要任務是確保鋼筋骨架與模板安裝、混凝土的澆筑質量、預應力鋼束張拉以及構件的幾何線性符合設計標準，總結出相應的舉措見表1。

表1 制梁階段施工控制要點及對應舉措

通過對制梁階段施工要點進行控制雖可以基本保證梁體成型按照預定的理想狀態(tài)(設計狀態(tài))推進，但實際工程中依舊可能出現(xiàn)橋面上拱度過大的現(xiàn)象，并對最終的成橋線形與荷載分布產生影響[5,6]，非常不利于橋梁結構安全與行車平順性。目前，施工時多依賴于經驗控制法對制梁臺座的外形進行調整，通過設置初始的(反)預拱來保證合理的成橋線形，實際應用時準確度往往欠佳。

近些年，越來越多的學者開始關注并對預制混凝土箱梁橋的反預拱理論進行研究，王文洋等[7]以寧波舟山港主通道公路橋梁為背景，利用有限元方法分析不同預應力張拉方式下箱梁的撓度，發(fā)現(xiàn)預應力分批張拉更有利于整體線性控制，與實測結果對比發(fā)現(xiàn)按跨中累積撓度的60%來設置反預拱可以較好地實現(xiàn)線形控制目標。鄭玉峰[8]與沈明[9]結合實際工程研究發(fā)現(xiàn)，按照設計建立理論模型進行計算雖能給出反預拱建議值，但實際的反拱值因受到操作人員、工程材料、存梁時長以及所在區(qū)域自然環(huán)境等多因素的影響與建議值有較大誤差。

因此，在后續(xù)的研究中，不僅要重視持續(xù)優(yōu)化施工工藝，尋找能考慮實際施工中隨機性變動因素的預拱度計算理論并提出現(xiàn)場施工改進措施也是需要重點努力的方向。

3 箱梁吊裝施工控制研究

箱梁通常在梁場進行養(yǎng)護與存梁，待梁體養(yǎng)護完成后擇時進行架設安裝，主要包括測量放線、支座安裝、運梁、起吊、移梁、落梁安裝等工序。箱梁吊裝往往需要大型起重設備的配合，不同施工機具所對應施工方法也不盡相同。隨著經濟與機械化施工技術的發(fā)展，目前架橋方案較多，針對不同的工程背景選用合適的架橋方式對施工進度、質量與成本的影響較大。

以下對常見的幾種架橋方式進行介紹，并分析其優(yōu)缺點，為架橋方案的選擇提供指導。圖3所示的是采用架橋機進行架梁，不僅施工速度快，而且不受橋高與橋下水深的影響；缺點是對架橋機拼裝技術要求較高，且需要專門的運梁設備輔助架梁。對于小箱梁應用較多的中小跨徑橋梁，在橋高較低、場內可設置行車便道的情況下，更適合選用圖4所示自行式吊車架梁，不僅架設速度快，對臨時設備與技術工種的要求也較低。當在橋墩兩側鋪設軌道不困難，橋高較低且孔數較多時，宜選用圖5所示跨墩門式吊車架梁。

在箱梁架設安裝階段，施工控制的主要任務都是保證構件安全且準確地移梁就位。目前吊點、索力優(yōu)化理論與抗傾覆理論研究與應用發(fā)展的已較為成熟，但箱梁的最終定位仍主要采用較為傳統(tǒng)的人工觀察和實時指揮的模式。傳統(tǒng)的定位方法通常是在梁體架設前按支座尺寸畫出安裝控制線，在梁體端頭標出梁板橫向架設中心線，通過人工觀察比對控制線與架設中心線的吻合情況來指揮落梁。此過程需要多次、反復調整梁體位置，指揮人員往往需要長時間高空作業(yè)，不僅效率十分低下，也容易形成安全隱患。

近些年，測量技術與虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality)飛速發(fā)展，逐漸有學者提出運用現(xiàn)代化測量、仿真技術來對現(xiàn)有吊裝施工技術進行改進，從而達到提高作業(yè)精度、效率與安全性的目的。林光明等[10]運用BIM技術模擬箱梁架設的施工過程，輔助管理人員進行施工準備、可視化技術交底與方案篩選，不僅預示了施工中的難點，還極大地提高了施工管理效率。王兵等[11]提出利用GPS-RTK技術與全站儀聯(lián)合作業(yè)的實時動態(tài)測量定位方法，對深水庫區(qū)疊門梁的吊裝施工進行指揮，實踐發(fā)現(xiàn)該方法不僅技術難度低、效率高，亞厘米級的誤差也滿足工程精度要求。周命端等[12]利用GNSS載波相位測量技術結合塔機的實際構造提出了一種新型定點放樣方法，能在實際工程中對塔機吊鉤的位置進行解算，使得吊裝作業(yè)達到厘米級精度。

目前，針對預應力混凝土箱梁橋吊裝定位導航與可視化施工系統(tǒng)的研究成果還很少。隨著社會對橋梁建設提出的保交要求與安全要求進一步提高，人力成本的不斷上升，可以預見智能化吊裝監(jiān)測系統(tǒng)會成為未來的一個研究重點與熱點。

4 結 語

通過對橋梁施工控制理論進行研究可知，為保證橋梁的施工質量，通常需要利用多種計算方法預先進行施工模擬分析，同時建立施工監(jiān)測系統(tǒng)并根據監(jiān)測數據對計算模型進行修正，綜合評估橋梁的實際施工狀態(tài)后進行調控。近些年，智能建造、智能監(jiān)測成為施工控制技術發(fā)展的重要方向。

箱梁在預制階段可針對施工控制要點采取相應舉措進行工藝優(yōu)化，通過對國內外學者們最新研究成果的梳理可知，考慮實際施工中隨機性變動因素的預拱度計算理論是未來研究的一個重點。在箱梁安裝架設階段，選用適宜的施工機具與方案能有效提高施工效率，降低施工難度并節(jié)省成本，相應的智能化吊裝定位監(jiān)測系統(tǒng)將會是未來的一個新興研究熱點。