基于墩梁臨時固結應力差的鐵路轉體連續梁平衡控制

梁超LIANG Chao

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

大跨度連續梁是鐵路橋梁類型中跨越一般性障礙物的首選結構形式，跨度組合也比較容易設計為通圖。通常情況下，從掛籃懸臂灌注施工穩定性及平衡控制角度出發，一般除采用墩柱頂位置的墩梁臨時固結措施（后期體系轉換時進行鑿出）外，輔助在承臺位置上方設置鋼管柱的體外固結措施，構成雙保險，保證大懸臂狀態即使出現掛籃跌落等最不利工況時，橋梁結構可依然保持安全穩定。但對于臨水、臨溝等高墩大跨度連續梁而言，由于地理位置及墩柱較高等原因限制，現場沒有辦法設置體外固結措施，為此該類型橋梁施工過程中的不平衡控制策略較一般性結構更為重要，值得建設者們特別關注。本文提出除加強結構檢算及臨時結構控制外，可有效利用懸臂根部應力及墩梁臨時固結應力差識別方法，運用施工全過程主動控制思維，對各節段存在的不平衡狀態進行動態識別和調節，確保施工安全。

1 施工過程不對稱荷載因素分析

為了進一步做好懸臂灌注施工的平衡狀態，需要在保證節段對稱澆筑、張拉和掛籃同步前移的基礎上，做好不平衡因素分析。

結合橋梁施工實際，不平衡因素主要來源于混凝土方量的偏差、預應力張拉差異及橋面臨時荷載堆放等，同時隨著懸臂的增長，不平衡因素導致的不平衡力矩越大。

結合多座鐵路連續梁現場施工實踐經驗，可以得出以下需要重點關注的施工過程及參數偏差控制若干方面：

①混凝土的容重控制。很多時候，我們經常忽略了混凝土容重的重要性，往往更多關注混凝土的和易性、振搗狀態及塌落度指標等，但是容重是等體積重量偏差的關鍵性因素；②混凝土的收面控制。在節段施工過程中，應重點關注底模位置是否控制合理，混凝土厚度是否會忽高忽低，頂板位置的收面是否嚴格遵守監控單位的標記控制；③節段前端位置的臨時堆載。從施工方便的角度出發，節段施工時往往在前端堆放有大量的鋼筋、方木等臨時性荷載，也是造成偏載的一個重要原因。

由于進行了墩梁臨時固結設計，為此鐵路連續梁在掛籃節段懸臂澆筑施工過程中，是一個典型的不斷增長的懸臂結構體系，從理論計算及有限元仿真分析可知：箱梁懸臂根部的應力狀態、墩梁臨時固結的應力差是縱向不對稱荷載存在響應的敏感性控制參數。

2 施工過程平衡控制思路

2.1 箱梁懸臂根部上緣應力控制

運用Midas civil 結構有限元分析軟件，根據橋梁設計結構參數及施工工序安排，進行受力分析，得到施工工況下箱梁懸臂根部上緣的應力理論值。（圖1）

通過施工過程中的控制斷面劃分，在有限元軟件中提取圖2 中懸臂根部上緣的應力值。

圖2 施工過程控制應力測試斷面控制值

圖3 墩梁臨時固結預埋監測元器件

2.2 墩梁臨時固結應力控制

2.2.1 墩梁臨時固結構造設計

一般情況下，順著橋梁施工方向，在墩梁位置的大小里程均設置2 個臨時固結措施構造，全橋共計4 個，利用混凝土的抗壓性能及精軋螺紋鋼的抗拉性能，承受不對稱荷載荷載。

在施工方案的編寫及逐級審核過程中，均需要委托具有資質的第三方對設計文件中墩梁固結構造進行檢算，確保在正常使用及最不利施工工況下的結構滿足要求。

本文提出不僅需要滿足正常的檢算要求，還充分利用兩側的數值偏差進行參數識別，進行構建動態控制系統。

2.2.2 監測元器件布設思路

墩梁臨時固結的措施一般分布在永久支座的四周，在墩中施工到墩頂前預埋伸入0#塊的精軋螺紋鋼，然后進行混凝土澆筑。

在墩梁臨時固結施工過程中，順著橋梁施工的方向，沿著豎向每個墩梁臨時固結措施布設一個應力監測元器件，并讀取初始值。

為了保證懸臂施工過程中的數據監測穩定性，應特別強調現場的導線做好充分的保護措施。

3 偏差識別模型及控制策略

3.1 構建實時監測系統

3.1.1 模塊安裝

①首先將傳感器的線用分線鉗減至合適長度（保證線能穿進模塊里面）。然后將線用分線鉗剝去最外層的絕緣層露出紅黃藍綠四根分線加上一根銀色的屏蔽線，再將紅黃藍綠四根分線剝去合適長度的外層絕緣層（不宜過長，為后續接入模塊做準備）。②模塊與傳感器連接，先用啟子將線路ABCD 上面的四顆螺絲松開，再將銀色的屏蔽線應與紅線相纏繞，然后將紅、黃、藍、綠四根分線分別對應插入ABCD 四個槽中，最后用啟子將四顆螺絲擰緊。剩下的線按照上述方法逐一安裝。模塊安裝后如圖4 所示。

圖4 模塊安裝示意圖

3.1.2 數據實時采集

應力數據的采集傳輸、分析是動態判斷不對稱荷載存在的直觀控制性系統，利用物聯網技術和無線傳輸理念，構建控制部位應力監測實時監測系統，在施工過程中對傳感器的應力（應變）值進行實時監測。

3.2 偏差識別模型及控制思路

針對不同跨度的鐵路連續梁，首先進行全橋的數值仿真分析，對箱梁懸臂根部上緣的壓應力水平進行計算，確保在各個工況下處在可控狀態內。

①首先通過箱梁上緣的壓應力偏差進行分析，一方面可識別縱向預應力張拉的效果及對稱性，同時根據大小里程的數值偏差，初步判斷不對稱荷載存在的方向；②利用墩梁臨時固結位置的壓應力偏差值作為敏感性參數，構建不對稱荷載的定量分析模型，一般將偏差控制在1MPa 以內；③通過有限元數值仿真分析模型可知，當大小里程位置的墩梁臨時固結偏差在1MPa 以內時，可保證箱梁懸臂根部上緣的應力變化不顯著，說明由于臨時荷載、混凝土質量產生的不平衡力矩相對較小，結果受力較為合理。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

新建鐵路宜昌至鄭萬高鐵聯絡線自漢宜鐵路宜昌東站引出，向西延伸接入鄭萬鐵路興山站，正線全長109.38公里。設計為雙線高速鐵路，設計速度350 公里/小時，該項目建成后，將與鄭萬鐵路萬州至興山段共同形成川渝地區東向高鐵新通道，連通既有滬漢蓉鐵路和新建的鄭州至萬州高鐵，形成湖北省新的沿江高速鐵路通道。

城東特大橋（41+76+41）m 預應力混凝土連續梁，梁全長為159.5m，在鴉宜線及K1 線兩側設T 構，分別轉體就位，跨中合龍。中跨跨越東艷路、鴉宜線、客車車底取送線。東艷路寬度為32m，交叉角度為57°，鴉宜線、客車車底取送線交叉角度為61°；T 構采用墩底轉體法施工，均位于R=400m 的圓曲線上。橋面設2%橫坡。9#墩順時針旋轉60°就位，10#墩順時針旋轉55°就位。

4.2 設計臨時固結措施

臨時支座設置在橋梁永久支座的外側墩帽邊緣處，條形布置，每座墩頂布置四條。每條平面寬度150cm、長度220cm，從墩頂至梁底全高。臨時支座采用C50 混凝土，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），其軸心抗壓強度設計值為22.4MPa。

墩梁臨時固結抗傾覆錨固采用HRB400 鋼筋錨栓，鋼筋直徑為Φ32mm，標準強度[σ]=400MPa。每座橋墩合計布置404 根錨固鋼筋，布置在對應于箱梁腹板處，使其既能承受上部豎向壓力，又能承受不平衡傾覆彎矩。

施工時保證Φ32 螺紋鋼深入梁體內長度不小于1.1m，深入墩身長度不小于1.2cm，每根精軋螺紋長度不短于3.5m。抗傾覆錨固鋼筋布置位置如圖5 所示。

圖5 墩梁臨時固結抗傾覆錨固鋼筋平面位置布置圖

4.3 平衡控制要求及安全風險評估

因地形地勢限制，橋梁主墩的臨時固結無法采用體外臨時支墩措施，僅按照設計文件采用墩梁臨時固結構造，在施工過程中需嚴格控制不平衡力矩，一方面保證梁體的結構安全，同時確保結構的整體穩定性。

從施工角度出發，無體外固結措施的懸臂施工，增加了一定的安全風險，也對不對稱荷載的控制要求更為嚴格，同時也需要構建智慧監測和控制系統，保證施工過程中的風險可控。

4.4 監測數據分析

根據實時監測系統，最大懸臂工況時監測界面如圖6所示。根據墩梁臨時固結應力實時監測數據分析可知：施工過程中將大小里程位置處的應力差控制在0.2-0.8MPa以內，并通過監測箱梁根部上緣的應力狀態，變化不顯著，基本在0.5MPa 以下，控制效果較為理想。

圖6 應力監測曲線圖

5 結論

通過對墩梁臨時固結的理論分析及實時監測數據分析，可得出如下結論：①對于無體外固結的鐵路轉體連續梁而言，通過墩梁臨時固結的應力監測進而控制不平衡力矩對結構的影響，是具有十分必要的意義；②通過將大小里程的應力差控制在1MPa 以內，動態調節現場產生不平衡力矩的施工因素，可有效保證結構大懸臂施工的受力合理和結構安全，特別是轉體過程中的穩定性；③基于墩梁臨時固結應力差法的實時監測系統可同時運用于箱梁懸臂根部應力監測，并對縱向預應力張拉效果進行評價。