短線匹配法預(yù)制箱梁線形控制方法

劉 嶺，陳喜鳳，黃 騰

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展和城市化進程的需要，橋梁建設(shè)進入了高峰期，橋梁的分段施工方法和技術(shù)逐漸受到廣泛重視［1－2］，常用的分段施工方法分為長線法［3］和短線法。其中短線法以其占地面積小、制梁效率高［4］、制造周期短、成橋后混凝土收縮徐變影響小、節(jié)約成本等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種線形的預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度橋梁建設(shè)中。

短線匹配法預(yù)制箱梁施工技術(shù)是指將連續(xù)橋梁劃分為若干短節(jié)段（一般為2～4m）逐榀進行澆筑的一種施工工藝。預(yù)制箱梁時，把幾何線形控制點在橋梁整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場預(yù)制坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并以其作為線形控制依據(jù)（匹配箱梁），從每跨的初始箱梁開始，用固定端模為箱梁前端控制面，前一榀箱梁（活動端模）作為匹配箱梁，以控制預(yù)制箱梁的形態(tài)達到設(shè)計線形。

短線匹配法預(yù)制箱梁是一個復(fù)雜的施工過程，各箱梁在不同時段逐步澆筑而成，過程中累積與隨機誤差影響效果顯著［5］，幾何線形與內(nèi)力狀態(tài)很難精確達到理想狀態(tài)。所以，預(yù)制過程對測量精度、施工控制及誤差修正等要求較高，本文將對短線匹配法中的預(yù)制線形控制和誤差修正等技術(shù)問題進行探討。

1 線形控制技術(shù)

箱梁預(yù)制工作是橋梁從設(shè)計階段到安裝階段［6］承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證橋梁線形、結(jié)構(gòu)、強度達到設(shè)計值的重要步驟。用短線匹配法進行預(yù)制時，最終所需達到的控制精度［7］如表1所示。

為達到表1中的預(yù)制精度，需要在預(yù)制場區(qū)建立高精度的平面及高程控制網(wǎng)，并在箱梁上布設(shè)一定的控制點，以期達到理想的成橋線形。

表1 短線匹配法預(yù)制箱梁控制精度

1.1 施工控制網(wǎng)

平面控制網(wǎng)按照國家一等邊角網(wǎng)精度［8］要求采用全圓測回法進行觀測。測角時，每站觀測12個測回，測角中誤差不超過0.7″；測邊時，平均邊長小于50m，每條邊觀測4個測回，每測回讀數(shù)4次，并進行對向觀測?？刂泣c布設(shè)為測量塔，塔上采用強制對中底盤，以減小每次架設(shè)儀器時對中誤差的影響，如圖1所示。平面控制網(wǎng)在預(yù)制場區(qū)內(nèi)也作為水平位移變形監(jiān)測網(wǎng)，在測量塔上架設(shè)全站儀，使用相鄰測量塔校核架站點的水平位移量。

圖1 施工控制網(wǎng)示意圖

每個測量塔周圍穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)布設(shè)1個高程控制點，按二等水準(zhǔn)要求施測，往返較差、閉合差應(yīng)小于0.3mm（n為總測站數(shù)）。

場區(qū)內(nèi)按照一定周期進行變形監(jiān)測［9］，并對觀測結(jié)果進行必要的分析，及時掌握預(yù)制現(xiàn)場測量控制系統(tǒng)的動態(tài)變化，確保預(yù)制工作良好運行。

1.2 箱梁控制點

為確保箱梁的預(yù)制精度和控制橋梁安裝線形，需在箱梁頂部設(shè)置6個測控點，如圖2所示，根據(jù)測控點的幾何數(shù)據(jù)評定其制造精度。沿箱梁中心線用兩個U形圓鋼（FH，BH）控制平面位置，在箱梁的翼緣板和腹板交接處用4個鍍鋅十字頭螺栓（BL，F(xiàn)L，BR，F(xiàn)R）控制箱梁標(biāo)高。這些控制點在澆筑混凝土?xí)r布設(shè)在近似位置，混凝土達到設(shè)計強度后測量其精確坐標(biāo)，用于后續(xù)控制工作。

圖2 箱梁控制點布設(shè)示意圖

1.3 坐標(biāo)系的建立

短線匹配法預(yù)制箱梁過程中，涉及到以下3種不同的坐標(biāo)系：①橋梁整體坐標(biāo)系。②預(yù)制臺座上的箱梁預(yù)制坐標(biāo)系。如圖3所示，以測量塔基線方向為X軸，由現(xiàn)澆箱梁指向匹配箱梁方向，X軸與固定端模面的交點為坐標(biāo)原點O，固定端模模面與現(xiàn)澆箱梁的交點集為Y軸，其方向為X軸沿逆時針旋轉(zhuǎn)90°，Z軸由右手螺旋法則確定。③箱梁計算坐標(biāo)系。以箱梁縱向中心線為X軸，前端面為Y軸，Z軸由右手螺旋法則確定，它與預(yù)制坐標(biāo)系為平移關(guān)系，是聯(lián)系橋梁整體坐標(biāo)系與預(yù)制坐標(biāo)系的關(guān)鍵。

圖3 箱梁預(yù)制坐標(biāo)系

1.4 平面控制精度

平面位置測量時，在一個測量塔上設(shè)站，另一個作為后視定向，用極坐標(biāo)法精確測量目標(biāo)點坐標(biāo)。假設(shè)定向方位角為α，盤左盤右測量的平均轉(zhuǎn)角為β，則設(shè)站點A與目標(biāo)點B的方位角為θ＝α＋β－π，水平距離為D，則可求得目標(biāo)點B的坐標(biāo)為

B點點位誤差為

由于起始點點位誤差和儀器對中誤差影響較小，可忽略；只考慮目標(biāo)點標(biāo)定誤差m標(biāo)和目標(biāo)偏心誤差m偏的影響，觀測n個測回后B點的總點位中誤差

1.5 高程控制精度

測量控制點高程值時，以固定端模為相對高程基準(zhǔn)，采用精密水準(zhǔn)方法測量箱梁上各個節(jié)點的高程

式中：HC為箱梁節(jié)點的高程，H固為固定端模上控制點的高程，a為后視—固定端模讀數(shù)，b為前視—待測點讀數(shù)。

考慮水準(zhǔn)儀整平誤差m平、目標(biāo)照準(zhǔn)誤差m照和每次讀數(shù)的固定誤差ma，mb，則C點的高程中誤差

1.6 控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

短線法預(yù)制箱梁的控制流程是：用第n－1塊箱梁位于匹配位置時6個控制點在預(yù)制坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進行精確定位，依據(jù)其空中姿態(tài)澆筑第n塊箱梁，在混凝土達到設(shè)計強度后移走第n－1塊箱梁，將第n塊箱梁移至匹配位置，澆筑第n＋1塊箱梁，直至完成全部箱梁的預(yù)制工作。在此過程中，為了評估箱梁預(yù)制精度、修正預(yù)制誤差及指導(dǎo)下一榀箱梁的預(yù)制，需要將箱梁位于現(xiàn)澆位置時控制點在預(yù)制坐標(biāo)系下的測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到橋梁整體坐標(biāo)系下，再將控制點在橋梁整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到箱梁在匹配位置時預(yù)制坐標(biāo)下的坐標(biāo)，具體計算步驟如下：

1）計算預(yù)制箱梁節(jié)點的整體坐標(biāo)。除每跨的起始塊以外其他箱梁節(jié)點的整體坐標(biāo)需根據(jù)制造誤差不斷修正；

2）將第n－1塊箱梁上6個控制點在現(xiàn)澆位置時預(yù)制坐標(biāo)系下的實測值轉(zhuǎn)換到第n－1塊計算坐標(biāo)系下，一般只要平移；

3）將第n－1塊箱梁上6個控制點在第n－1塊的計算坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到橋梁整體坐標(biāo)系下；

4）將第n－1塊箱梁6個控制點在橋梁整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到第n塊箱梁的計算坐標(biāo)系下；

5）將第n－1塊箱梁6個控制點在第n塊箱梁計算坐標(biāo)系下的值轉(zhuǎn)換到預(yù)制坐標(biāo)系下，一般只要平移。

2 誤差分析

預(yù)制過程中，各種隨機因素的作用使箱梁的實際匹配位置與理論匹配位置存在差異，進而對現(xiàn)澆箱梁的線形產(chǎn)生影響，這種影響分為梁長誤差和偏角誤差。這些誤差要求在澆筑下一榀箱梁時加以修正，以減小累積誤差對成橋線形及內(nèi)力結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 梁長誤差

箱梁預(yù)制過程中受到各種因素影響，會造成軸線實際長度與理論長度不一致，第n＋1塊箱梁梁長的修正公式為

式中：Ln為第n塊箱梁的理論梁長，Lsn為第n塊箱梁的實際梁長，Ln＋1為第n＋1塊箱梁的理論梁長。

2.2 偏角誤差

箱梁預(yù)制成型后，左右兩側(cè)的實際長度與理論值不一致，或者箱梁實際匹配位置與理論匹配位置不同會引起箱梁平面角度和立面角度的變化，造成偏角誤差。澆筑第n榀箱梁時，由于誤差影響使作為匹配箱梁的第n－1榀箱梁產(chǎn)生了偏角θ，那么澆筑的第n塊箱梁則發(fā)生相應(yīng)的變化，影響預(yù)制線形，如圖4所示（圖中實線表示理論位置，虛線為實際位置）。根據(jù)偏角誤差的成因可以選擇一定的方法在預(yù)制下一榀箱梁時加以修正。

圖4 箱梁預(yù)制誤差

當(dāng)箱梁的預(yù)制誤差絕對值較小時可采用直接糾正法。箱梁拼裝階段，按照短線法施工步驟要求，先拼裝第n－1榀箱梁，其在橋梁整體坐標(biāo)系下的位置已確定，所以修正偏角誤差時認(rèn)為第n－1榀箱梁沒有轉(zhuǎn)動，而是第n榀箱梁轉(zhuǎn)動了一個角θ，那么第n榀箱梁的I端將移動至I′位置，即為考慮誤差影響后第n榀箱梁修正后的位置，如圖5所示（圖中實線表示理論位置，虛線為修正后位置）。

圖5 直接法修正箱梁誤差

當(dāng)箱梁的預(yù)制誤差較大時，受到工程施工規(guī)范限制且期望達到光滑的箱梁修正線形，直接修正法就有一定的局限性。此時可以模擬一條通過箱梁端點的三次樣條曲線，并且保證其在邊界節(jié)點上與理論控制點的連線有相同切線斜率，如圖6所示。這樣，經(jīng)過若干個箱梁修正后，待澆筑箱梁的端點與原理論端點重合，且修正后的箱梁線形光滑平順。

圖6 三次樣條曲線法修正箱梁誤差

根據(jù)直接法或者三次樣條曲線法修正后的線形計算出箱梁6個控制點在匹配位置的坐標(biāo)值，并以此定位匹配箱梁，可以減小預(yù)制過程中累積誤差對橋梁整體線形的影響。

3 工程實例

南京長江第四大橋位于南京市區(qū)段內(nèi)，2008年開工建設(shè)，引橋部分總長2 802.60m，共分為2 122榀箱梁，其中短線法預(yù)制2 054榀，現(xiàn)澆68榀。箱梁寬15.8m，底板寬6.2m，高3.0m。箱梁預(yù)制場在安徽省蕪湖市裕溪口，場區(qū)內(nèi)布設(shè)有14個預(yù)制臺座，東西長約360m，南北長約370m，總面積約120 000m2。

本文以S28－S27－L1Y聯(lián)45至58號箱梁的測控結(jié)果驗證本文中的預(yù)制線形控制方法，其中50號箱梁為初始箱梁，51號至58號箱梁為正向預(yù)制，49號至45號為反向預(yù)制。預(yù)制現(xiàn)場平面控制采用全站儀TCA2003（測角精度0.5″，測距精度1＋1ppm）測量箱梁6個節(jié)點，觀測塔距離放樣點約30m，根據(jù)式（3）取m標(biāo)＝m偏＝±0.5mm，可求得觀測兩個測回時B點的點位中誤差為±0.88mm。高程控制采用NA2水準(zhǔn)儀（±0.3mm/km），根據(jù)式（5）取ma＝mb＝±0.3mm，m平＝m照＝±0.5mm，可求得C點的高程中誤差為±0.82mm。

S28－S27－L1Y聯(lián)45號箱梁至58號箱梁預(yù)制施工按照表1中的精度要求進行，最后所得箱梁I端高程偏差值如圖7所示，箱梁I端平面偏差值如圖8所示。從中可以看出，箱梁I端高程與平面偏差均控制在允許范圍內(nèi)，預(yù)制偏差滿足設(shè)計要求。

圖7 箱梁I端高程差值

圖8 箱梁I端平面差值

4 結(jié)束語

線形控制技術(shù)是短線匹配法預(yù)制箱梁施工技術(shù)的關(guān)鍵，針對其施工特點，通過建立高精度施工控制網(wǎng)，利用匹配箱梁上控制點的空中姿態(tài)控制現(xiàn)澆箱梁的線形，采用合理的測量方法提高測控精度及在預(yù)制過程中不斷修正前期的預(yù)制誤差等措施，使得短線匹配法預(yù)制箱梁的線形趨于設(shè)計值，并體現(xiàn)出短線匹配法機械化、流水化、高精度、高效率的施工特點。短線匹配法在南京長江第四大橋中的成功應(yīng)用，表明該方法具有較強的推廣應(yīng)用價值，為今后類似大跨度預(yù)應(yīng)力橋梁的施工建設(shè)提供參考。

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