鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱主梁施工監(jiān)控技術(shù)研究

陳偉庚，王石磊

(1.廣珠鐵路有限責(zé)任公司，廣東 珠海 519015;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

連續(xù)剛構(gòu)橋因其整體性能好、跨越能力大、施工技術(shù)成熟、造型美觀，于20世紀(jì)70年代起在世界范圍內(nèi)得到普遍應(yīng)用，目前公路連續(xù)剛構(gòu)橋主跨跨徑已突破300 m，因鐵路橋使用活載大、對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能要求較高，目前國內(nèi)已建鐵路最大連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑為168 m。研究表明采用柔性拱連續(xù)剛構(gòu)組合結(jié)構(gòu)形式在充分發(fā)揮梁與拱兩種結(jié)構(gòu)受力優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步提高鐵路混凝土橋梁的跨越能力，同時(shí)亦能保證鐵路對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的要求，目前該組合結(jié)構(gòu)形式在已運(yùn)營的宜萬鐵路［1］及在建的廣珠鐵路上得到了應(yīng)用。本文以廣珠鐵路重點(diǎn)工程西江特大橋?yàn)橐劳校Y(jié)合國內(nèi)外大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁施工監(jiān)控的技術(shù)及成功經(jīng)驗(yàn)［2］，討論鐵路大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱主梁施工監(jiān)控相關(guān)技術(shù)及特點(diǎn)。

1 西江特大橋主橋工程概況

西江特大橋主橋跨越主航道，長682.1 m，跨徑組合為(110+2×230+110)m，為連續(xù)剛構(gòu)—柔性拱組合結(jié)構(gòu)體系，大橋結(jié)構(gòu)布置見圖1。主橋連續(xù)剛構(gòu)部分梁體采用單箱雙室截面，兩邊腹板為直腹板。箱梁中支點(diǎn)處梁高12.0 m，端支點(diǎn)及中跨跨中處4.0 m，梁底曲線為拋物線，根據(jù)梁段所處位置，邊跨依次編號(hào)S24～S1，梁拱墩結(jié)合塊編號(hào) S0;中跨編號(hào)M1～M25，梁拱墩結(jié)合塊編號(hào)M0。箱梁除邊跨直線段S24號(hào)梁段及S0、M0號(hào)梁段在支架(或托架)上施工外，其余各節(jié)段均采用掛籃懸臂澆筑。主拱部分拱軸線立面投影采用二次拋物線，拱肋計(jì)算跨度220 m，矢跨比1/5，矢高44.0 m。鋼管拱管內(nèi)采用C50微膨脹混凝土。每片拱肋由4-φ750 mm鋼管混凝土組成，由橫向平聯(lián)板、豎向腹桿連接成為鋼管混凝土桁架，其中橫向平聯(lián)板之間亦灌注混凝土。

2 主梁施工監(jiān)控內(nèi)容

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)的受力特點(diǎn)，西江特大橋主梁施工監(jiān)控主要包括以下內(nèi)容。

1)結(jié)構(gòu)線形監(jiān)測與控制

圖1 大橋總體布置(單位:m)

針對(duì)主梁每一節(jié)段懸臂施工過程，在澆筑節(jié)段混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力及掛籃行走的前后進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，與理論計(jì)算值比較，進(jìn)行誤差分析，并對(duì)下一階段預(yù)拋高量進(jìn)行計(jì)算，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測

對(duì)本橋選取雙薄壁墩、主梁L/8截面邊緣布置應(yīng)力測點(diǎn)，具體應(yīng)力監(jiān)測截面布置如圖2所示。應(yīng)力監(jiān)測一方面用于結(jié)構(gòu)在施工過程控制，確保施工安全;另一方面用于綜合結(jié)構(gòu)線形監(jiān)測，對(duì)實(shí)測與理論計(jì)算之間的誤差進(jìn)行分析，為施工監(jiān)控提供科學(xué)依據(jù)。

3)掛籃變形監(jiān)測

西江特大橋主梁懸臂施工掛籃采用菱形掛籃，掛籃變形一方面可采用掛籃預(yù)壓試驗(yàn)對(duì)掛籃系統(tǒng)在不同荷載作用下的變形值進(jìn)行回歸分析，另一方面可于不同梁段澆筑前后進(jìn)行監(jiān)測，綜合分析掛籃變形的特點(diǎn)，為現(xiàn)場施工提供充分、可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 主梁結(jié)構(gòu)線形監(jiān)控方法

3.1 施工監(jiān)控思路

結(jié)構(gòu)線形監(jiān)控包括監(jiān)測及預(yù)測控制兩部分內(nèi)容。線形監(jiān)測主要用于分析在已完成的工況下(如混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、掛籃移動(dòng)等)結(jié)構(gòu)的變形狀況，并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較;線形預(yù)測控制是參考線形、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)下一階段主梁變形進(jìn)行預(yù)測分析，并反映到主梁立模高程之上，相應(yīng)控制流程如圖3所示。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測截面布置

圖3 連續(xù)剛構(gòu)施工監(jiān)控流程

3.2 立模高程的確定

在主梁的懸澆過程中，梁段立模高程的確定關(guān)系到竣工后主梁線形能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。立模高程并不等于設(shè)計(jì)橋梁建成后的高程，為使成橋線形與設(shè)計(jì)線形相符合，總要設(shè)一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形。對(duì)于柔性拱連續(xù)剛構(gòu)橋主梁，節(jié)段立模高程公式見公式(1)

式中 Hlmi—i節(jié)段立模高程(節(jié)段上某確定位置);

Hsji—i節(jié)段設(shè)計(jì)高程;

∑f1i—由各梁段自重在 i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;

∑f2i—由張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和;

∑f3i—由主拱安裝、吊桿張拉、二期恒載在i階段產(chǎn)生的撓度總和;

f4i—混凝土收縮、徐變?cè)趇節(jié)段引起的撓度;

f5i—施工臨時(shí)荷載在i節(jié)段引起的撓度;

f6i—使用荷載在 i節(jié)段引起的撓度，一般為靜活載作用下結(jié)構(gòu)變形的一半;

fgl—掛籃變形;

fxz—誤差分析后的高程修正值，可通過卡爾曼濾波或灰色系統(tǒng)控制理論進(jìn)行計(jì)算。

4 仿真分析

4.1 剛構(gòu)橋施工監(jiān)控仿真分析方法

結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控計(jì)算分析一般包括正裝分析、倒裝分析兩種計(jì)算方法［3］。其中較為適合混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控的為正裝分析方法。正裝分析法按照橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工加載順序來進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和受力分析，它能較好地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工歷程，能得到橋梁結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段的位移和受力狀態(tài)，這不僅可以用來指導(dǎo)橋梁的設(shè)計(jì)和施工，而且為橋梁的施工控制提供了依據(jù)，同時(shí)在正裝分析法中能較好地考慮一些與橋梁結(jié)構(gòu)形成歷程有關(guān)的因素，如混凝土的收縮徐變問題［4］。

4.2 結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析

1)計(jì)算模型。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用MIDAS/civil 2010進(jìn)行，根據(jù)橋梁施工圖建立空間桿系模型，主梁采用空間梁單元進(jìn)行模擬，吊桿采用桁架單元進(jìn)行模擬，拱肋弦桿、腹桿采用梁單元進(jìn)行模擬，同時(shí)為考慮平聯(lián)板混凝土灌注過程，平聯(lián)板亦采用梁單元進(jìn)行模擬，主拱腹桿及平聯(lián)板采用軟件所提供的施工階段聯(lián)合截面進(jìn)行模擬，計(jì)算模型依據(jù)設(shè)計(jì)施工順序建立施工階段，結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 主橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2)主梁累積位移計(jì)算。主梁累積位移理論值是施工過程中各節(jié)段立模高程必須之參數(shù)，其值為公式(1)中第二至第五項(xiàng)之和，本橋主梁各節(jié)段累積位移見圖5所示。

3)主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力計(jì)算。主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力計(jì)算用于把握在施工全過程之中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化及所處范圍，把握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，為現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測提供理論數(shù)據(jù)，為監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差分析和進(jìn)一步修正預(yù)測值提供參考。主梁0#塊MA截面施工過程中受力狀態(tài)變化如圖6所示，MAt標(biāo)識(shí)為截面上緣，MAb標(biāo)識(shí)為截面下緣。

圖5 各梁段大橋竣工時(shí)累積位移

圖6 MA截面上下緣截面施工過程中受力狀況理論計(jì)算值

4)過程跟蹤計(jì)算。施工過程中的臨時(shí)荷載作用、參數(shù)敏感性分析、誤差識(shí)別等工作均需要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤計(jì)算分析，以把握結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，為施工監(jiān)控提供實(shí)時(shí)理論支持。

5 結(jié)語

1)圖7給出了施工過程中143#墩第22#段懸臂澆筑與預(yù)應(yīng)力張拉所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形及相應(yīng)理論計(jì)算值，實(shí)測結(jié)果表明理論計(jì)算值能較好地反應(yīng)施工過程中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，施工過程中理論跟蹤計(jì)算對(duì)把握施工階段結(jié)構(gòu)的響應(yīng)具有重要的參考意義。

圖7 結(jié)構(gòu)監(jiān)測變形與理論變形對(duì)比

2)圖8、圖9給出了主梁合龍后全橋?qū)崪y線形與設(shè)計(jì)線形的對(duì)比圖，其中設(shè)計(jì)線形已考慮后期收縮徐變及靜活載的理論修正，實(shí)測結(jié)果表明主梁合龍后線形與設(shè)計(jì)線形相差較小，線形控制效果良好，最大差值為3.9 cm，滿足施工監(jiān)控線形誤差控制在L/5 000=4.6 cm的要求。另外141#墩與142#墩跨中主梁合龍誤差為1.3 cm，142#墩與143#墩跨中主梁合龍誤差為1.7 cm，滿足大跨度剛構(gòu)橋跨中合龍誤差為3 cm的技術(shù)要求。

圖8 140#墩～142#墩區(qū)間主梁合龍線形與設(shè)計(jì)線形對(duì)比

3)廣珠鐵路西江特大橋主橋主梁已順利合龍，西江特大橋已進(jìn)入架設(shè)拼裝拱肋階段，通過前期施工過程中結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力監(jiān)測，利用有限元進(jìn)行跟蹤計(jì)算分析，實(shí)時(shí)把握結(jié)構(gòu)的實(shí)際及理論受力狀態(tài)，對(duì)誤差進(jìn)行分析識(shí)別，指導(dǎo)后續(xù)施工工況的開展，實(shí)踐表明主梁合龍后線形良好，受力正常，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，為同類型橋梁的施工監(jiān)控工作提供了參考，積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

［1］羅世東，嚴(yán)愛國，劉振標(biāo)．大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋型研究［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(2):57-62.

［2］劉振標(biāo)，嚴(yán)愛國，羅世東．大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋施工控制［J］．橋梁建設(shè)，2009(6):62-66．

［3］顧安邦．橋梁施工監(jiān)測與控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］史麗濤．大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土多孔連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控研究［D］．西安:長安大學(xué)，2005.