大跨度連續(xù)梁懸臂施工線形監(jiān)控與合攏順序優(yōu)化

董金堂

（中鐵二十一局集團，甘肅蘭州730000）

1 工程概況

蘭州至烏魯木齊第二雙線（甘青段）酒泉立交特大橋跨連霍高速公路（60+100+60）m連續(xù)梁采用懸臂施工，梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，主墩墩頂4.0 m范圍內(nèi)梁高相等，梁高7.85 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高4.85 m，梁底曲線為二次拋物線，箱梁頂寬12.2 m,底寬6.7 m。1～13#梁段采用掛籃懸臂澆筑施工。全橋共有3個合攏段，合攏段長度均為2.0m，懸臂施工分為13個節(jié)段，設(shè)計圖紙要求嚴格對稱施工，橋梁總體布置如圖1所示。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：（1）鐵路等級：客運專線；（2）雙線鐵路橋，位于直線及曲線上，線間距5.0 m，最小曲線半徑R=7 000 m；（3）設(shè)計速度：適用于250 km/h及以上鐵路；（4）設(shè)計活載：列車豎向荷載采用ZK活載；（5）橋面二期恒載：150 kN/m；（6）主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100 a。

2 施工監(jiān)控的原則和方法

該（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工。橋梁的懸臂現(xiàn)澆施工，因其施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，而且這種相互影響又存在差異，這就造成各階段的位移隨著混凝土澆筑過程不斷變化而出現(xiàn)偏離設(shè)計值的現(xiàn)象，甚至可能會出現(xiàn)超過設(shè)計允許的位移。若不通過有效的施工控制及時發(fā)現(xiàn)、及時調(diào)整，就勢必出現(xiàn)成橋狀態(tài)的線形不符合設(shè)計要求的情況。

懸臂施工屬于典型的自架設(shè)施工方法，由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在施工過程中的已建成結(jié)構(gòu)（懸臂階段）狀態(tài)是無法事后調(diào)整的，所以，針對該（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)和施工特點，該橋的施工監(jiān)控主要采用預(yù)測控制法。

預(yù)測控制法是指在全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達到的目標(biāo)后，對結(jié)構(gòu)的每一個施工階段形成前后的狀態(tài)進行分析預(yù)測，使施工沿著預(yù)定的狀態(tài)進行。由于預(yù)測狀態(tài)與實際狀態(tài)間有誤差存在，某種誤差對施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測中予以考慮。以此循環(huán)，直到施工完成并獲得和設(shè)計相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3 施工控制的計算方法

橋梁結(jié)構(gòu)從懸臂澆筑施工到最終成橋需經(jīng)歷一個復(fù)雜施工過程，以及結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)化過程。對施工過程中每個階段的變形計算和受力分析，是橋梁結(jié)構(gòu)施工控制中最基本的內(nèi)容。為達到施工控制的目的，就需要對橋梁施工過程中每個階段的變形情況進行預(yù)測和監(jiān)控，采用合理的理論分析和計算方法來確定橋梁結(jié)構(gòu)施工過程中每個階段的結(jié)構(gòu)行為。針對該（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的實際情況，采用正裝分析法進行施工控制結(jié)構(gòu)分析，并用倒退分析進行計算各階段梁體的理論狀態(tài)。

4 施工控制分析的步驟

（1）施工監(jiān)控首先要根據(jù)施工圖紙進行初步的計算，在正常的施工過程中會存在許多難以預(yù)料的因素，會出現(xiàn)施工進度安排等與初始計算不符的情況。若出現(xiàn)此情況應(yīng)根據(jù)施工單位實際提供的施工步驟進行重新計算分析。

（2）按照施工步驟進行計算。分別考慮梁段的自重、施加的預(yù)應(yīng)力和混凝土收縮、徐變及溫度的變化等因素對結(jié)構(gòu)的影響。對于混凝土的收縮、徐變等在各施工階段中逐步計入。

圖1 橋梁總體布置圖

（3）每一階段的結(jié)構(gòu)分析必須以前一階段的計算結(jié)果為基礎(chǔ)。前一階段結(jié)構(gòu)位移是本階段確定結(jié)構(gòu)軸線的基礎(chǔ)。之前各施工階段受力狀態(tài)是本階段確定結(jié)構(gòu)軸線的基礎(chǔ)。之前各施工階段結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是本階段時效的計算基礎(chǔ)。

（4）計算出各階段的位移之后，根據(jù)后續(xù)施工階段對本階段的影響，進行倒退分析即可得到各階段橋梁結(jié)構(gòu)的合理狀態(tài)和立模標(biāo)高。

5 計算模型與理論值

5.1 計算模型

該計算模型采用有限元方法計算結(jié)構(gòu)在自重、預(yù)應(yīng)力、施工荷載等作用下每一施工階段中結(jié)構(gòu)的位移，給出理論立模標(biāo)高以指導(dǎo)實際施工。首先建立連續(xù)梁橋的有限元計算模型，由于連續(xù)梁懸臂澆注施工的階段性，按照每一個施工梁段劃分單元，模型里的每一個單元和實際施工中的澆筑號段嚴格對應(yīng)。根據(jù)設(shè)計圖紙反映的內(nèi)容，對全橋總體結(jié)構(gòu)建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態(tài)。計算模型中根據(jù)懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋劃分為6 0個結(jié)點和5 9個單元。計算模型如圖2所示。采用橋梁博士軟件進行施工模擬分析，考慮混凝土收縮徐變的時間依存性參數(shù)等。按照實際的施工順序，模擬結(jié)構(gòu)的形成、荷載的施加、邊界條件的變化及結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變等對結(jié)構(gòu)變形的影響。計算結(jié)果輸出每一個施工階段中結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。在實際施工控制中作為理論值和實測值進行比對，發(fā)現(xiàn)誤差較大及時進行調(diào)整，使施工過程得以有效的控制。

圖2為成橋階段模型，2＃墩設(shè)置固定支座，其余墩設(shè)置活動支座。圖2中示出了預(yù)應(yīng)力鋼束。

5.2 成橋階段累計位移

為了對比不同的合攏順序下，梁體的累積位移，計算了如下兩種方案。（1）先中后邊：即先合攏中跨，張拉中跨頂板和底板預(yù)應(yīng)力束，再合攏邊跨，張拉所有剩余預(yù)應(yīng)力束；（2）先邊后中：即先合攏邊跨，張拉邊跨頂板和底板預(yù)應(yīng)力束，再合攏中跨，張拉所有剩余預(yù)應(yīng)力束。不同合攏方案時，該(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁成橋階段累計位移如圖3所示，ZK活載（雙線）作用下箱梁向下的位移如圖4所示。

5.3 立模標(biāo)高計算

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標(biāo)高的合理確定，是關(guān)系到主梁線型是否平順、是否符合設(shè)計的一個重要問題。如果在確定立模標(biāo)高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確的控制，則最終橋面線型較為良好。施工中的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計參數(shù)的識別、調(diào)整并準(zhǔn)確確定各階段的立模高程。

立模標(biāo)高并不等于設(shè)計橋梁建成后的標(biāo)高。一般要設(shè)置一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形（豎向撓度）。其計算公式如下：

Hlmi=Hsji+∑f1i+∑f2i+f3i+f4i+f5i+fgl式中：Hlmi——階段立模標(biāo)高；

Hsji——階段設(shè)計標(biāo)高；

∑f1i——由本階段及后續(xù)施工階段梁段自重在階段產(chǎn)生的撓度總和；

∑f2i——由張拉本階段及后續(xù)施工階預(yù)應(yīng)力在階段引起的撓度；

f3i——混凝土收縮、徐變在階段引起的撓度；

f4i——施工臨時荷載在階段引起的撓度；

f5i——取使用荷載在階段引起的撓度的50%；

fgl——掛籃變形值。

其中，掛籃變形值是根據(jù)掛籃加載試驗確定的在施工過程中加以考慮，∑f1i、∑f2i、f3i、f4i、f5i在前進分析和倒退分析計算中已經(jīng)加以考慮。根據(jù)上述計算式和監(jiān)控分析，可以計算出各梁段的預(yù)拱度。

5.4 不同合攏方式對預(yù)拱度的影響

圖2 全橋計算模型

圖3（60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁累計位移曲線圖

圖4 ZK活載作用下連續(xù)梁最大豎向位移曲線圖

分析成橋階段累積位移數(shù)據(jù)，先邊跨合攏方案成橋階段累積位移遠小于先中跨合攏方案的成橋累積位移。先邊跨合攏時成橋階段累積位移，中跨合攏段最大累積位移向下2 mm，邊跨合攏段最大豎向位移向下0.3 mm；先中跨合攏時成橋階段累積位移，中跨合攏段最大累積位移向上42.1 mm，邊跨合攏段最大豎向位移向下96.4 mm。合攏順序?qū)υ摌虺蓸螂A段累積位移影響較大，采用不同的合攏方式，中跨合攏段累積位移相差44.1 mm，邊跨合攏段累積位移相差96.1 mm。先中跨合攏后邊跨合攏的方式，在邊跨合攏段和中跨合攏段所給的預(yù)拱度值都較大，較容易產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致合攏精度不高，成橋線形偏離設(shè)計較多。

6 線形測量

橋梁的線形監(jiān)控是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工監(jiān)控中的一項非常重要的內(nèi)容。線形控制就是嚴格控制每一階段箱梁的豎向撓度，若有偏差并且偏差較大時，就必須立即進行誤差分析并確定調(diào)整方法，為下一階段更為精確的施工做好準(zhǔn)備工作，以保證橋梁的線形滿足設(shè)計要求。

撓度觀測資料是控制成橋線形最主要的依據(jù)。在整個施工過程中主要觀測內(nèi)容包括如下：（1）混凝土澆筑前的高程測量；（2）混凝土澆筑后、預(yù)應(yīng)力張拉前的高程測量；（3）預(yù)應(yīng)力張拉后、掛籃行走前的高程測量；（4）掛籃行走后的高程測量；（5）拆除掛籃后、邊(中)跨合攏前的高程測量；（6）最終成橋后的高程測試。

7 結(jié)語

對于分節(jié)段懸臂澆注施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，施工控制的目的就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實值進行施工階段計算，確定出每個懸澆節(jié)段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預(yù)測和對下一立模標(biāo)高進行調(diào)節(jié)，以此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩端懸臂端標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值，以及確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全性，保證橋梁成橋線形符合設(shè)計要求。

大跨度連續(xù)梁橋懸臂施工不同的合攏順序?qū)α后w預(yù)拱度的設(shè)置相差較大，雖然，在跨越既有線時，先中跨合攏方案，可較早拆除防護棚架以保證既有線安全暢通，但梁體累積位移較大，在邊跨合攏段和中跨合攏段所給的預(yù)拱度值都較大，對線性控制工作的要求也較高，容易導(dǎo)致合攏精度不高，成橋線形偏離設(shè)計較多。而先邊跨合攏方案，梁體變形較小，對線性控制有利，應(yīng)優(yōu)先采用。

本文對合攏方案的分析得出對施工安全和橋梁線形保證有意義的結(jié)果,對類似橋型的工程施工有參考價值,值得在工程中繼續(xù)推廣研究。

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