T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋精細(xì)化施工控制技術(shù)

胡義新，孫艷鵬，孫 遠(yuǎn)，姚 進(jìn)

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014；2.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

我國是一個交通量異常龐大的國度，轉(zhuǎn)體法施工因為跨越鐵路時可以最大限度地減少對鐵路運營的干擾，故而得到了鐵路部門的青睞，轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋在跨越繁忙線路的橋梁施工中逐步推廣[1]。理想轉(zhuǎn)體體現(xiàn)在兩方面，一為轉(zhuǎn)動容易，二為過程安全穩(wěn)定，因此需對轉(zhuǎn)動系統(tǒng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及線形狀態(tài)等進(jìn)行控制[2]。魯錦華[3]對橋梁轉(zhuǎn)體時無平衡配重進(jìn)行了研究，每節(jié)段混凝土澆筑實行物料稱重控制；周樂平等[4]研究了大噸位曲線T形斜拉橋平轉(zhuǎn)施工自平衡方法，提出并應(yīng)用了不平衡配重法；TB 10092-2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定了鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土施工及使用階段的應(yīng)力控制指標(biāo)。Kang等[6,7]研究了將三維模型與各項工程信息進(jìn)行科學(xué)整合，進(jìn)而實現(xiàn)工程建設(shè)項目的信息化、可視化；苑晨丹等[8,9]提出將BIM(Building Information Modeling)技術(shù)在應(yīng)用模式上進(jìn)行創(chuàng)新，并形成相關(guān)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推廣BIM應(yīng)用是符合國家政策要求的；張健[10]歸納出物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍；Chen等[11,12]提出電子沙盤的當(dāng)前現(xiàn)狀主要集中于三維場景模擬，包括基于GIS(Geographic Information System)的動態(tài)可視化展示。

目前國內(nèi)對大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋跨越高速鐵路施工的研究相對較少；轉(zhuǎn)體不平衡重控制操作較為繁瑣；未見分析施工階段支架安拆對主體結(jié)構(gòu)的受力影響；轉(zhuǎn)體橋梁建設(shè)在三維可視化監(jiān)控平臺展示、控制分析結(jié)論搭接與智能控制平臺開發(fā)等方面，國內(nèi)外尚處于空白。本文現(xiàn)依托鄭萬鐵路跨京廣客專T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋為工程背景，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)問題，研究出全過程控制內(nèi)容，優(yōu)化施工控制細(xì)節(jié)，綜合運用集成信息化控制系統(tǒng)，達(dá)到精細(xì)化控制目標(biāo)。

1 T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工背景及控制難點

鄭萬上行聯(lián)絡(luò)線在ZWSLDK2+229.01～ZWSLDK2+245.57處跨越京廣客專，夾角50°，采用T構(gòu)上跨通過。T構(gòu)橋梁線路位于R=2500 m的平曲線上，縱坡8.9‰，主梁采用C55高性能混凝土，設(shè)計推薦分A，B，C三節(jié)段進(jìn)行澆筑，端部不設(shè)合龍段。T構(gòu)橋橋跨布置如圖1所示。

圖1 T構(gòu)橋橋跨布置/m

T構(gòu)橋梁跨越既有京廣客專，邊墩承臺距離京廣客專梁邊2.9 m，轉(zhuǎn)體后T構(gòu)梁底距離高鐵接觸網(wǎng)僅3.8 m。轉(zhuǎn)體T構(gòu)與既有線的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)體T構(gòu)與既有線的位置關(guān)系

本工程轉(zhuǎn)體施工屬營業(yè)線一級施工，存在多次體系轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)體球鉸安裝精度要求高；其中軸心誤差不超過1 mm，標(biāo)高誤差不超過5 mm；T構(gòu)主梁軸線偏差≤12 mm(L/6000，L為主梁長度)，頂面高程控制在20 mm以內(nèi)，分段澆筑的現(xiàn)場標(biāo)高不易控制；京廣客專屬于繁忙干線，給予轉(zhuǎn)體及精調(diào)的時間僅1.25 h(<2 h)，如何實現(xiàn)“小天窗、高效率”轉(zhuǎn)體及精調(diào)，為本工程最值得挑戰(zhàn)的難題。

2 T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋施工控制技術(shù)

2.1 總體施工順序

無合攏段轉(zhuǎn)體橋梁，相對于常規(guī)有合攏段的轉(zhuǎn)體橋梁少了邊跨現(xiàn)澆段與合攏段的施工步驟，增加了梁端頂升體系轉(zhuǎn)換工序，施工控制要求更高。T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋總體施工順序主要包括：樁基施工→下承臺及下球鉸施工→上球鉸安裝→上承臺施工→墩身施工→現(xiàn)澆主梁施工→稱重及配重試驗→試轉(zhuǎn)體及轉(zhuǎn)體施工→轉(zhuǎn)盤封鉸→梁端頂升體系轉(zhuǎn)換?？傮w施工順序形象如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)體橋梁總體施工順序形象

2.2 總體控制流程

由于本橋為曲線橋梁且轉(zhuǎn)體重量大(達(dá)100000 kN)，轉(zhuǎn)體過程中需要對偏心和施工造成的不平衡力進(jìn)行重點監(jiān)測，線形控制主要依賴主梁澆筑階段，現(xiàn)場調(diào)控手段有限，因此決定采用全過程的控制理念。全過程控制總體上劃分為：計劃階段、基礎(chǔ)和主梁施工及轉(zhuǎn)體階段、邊墩頂升體系轉(zhuǎn)換階段。在計劃階段，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點和總體工藝，確定成橋狀態(tài)、施工控制參數(shù)、影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力線形及轉(zhuǎn)體不平衡重的關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析；在施工階段，針對曲線橋梁重點進(jìn)行轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的精細(xì)化安裝控制，大跨長節(jié)段梁端支架脫空體系轉(zhuǎn)換控制，進(jìn)行自重參數(shù)的識別和修正；在邊墩頂升階段，通過頂升荷載、頂升量及輔助控制措施實現(xiàn)體系安全轉(zhuǎn)換。特別對球鉸安裝、支架搭設(shè)、主梁施工等關(guān)鍵工序進(jìn)行控制，借助精密的測控儀器獲取主要參數(shù)信息，根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)參數(shù)對模型進(jìn)行更新，實現(xiàn)線形和內(nèi)力的有效控制。轉(zhuǎn)體施工控制總體流程如圖4所示。

圖4 T構(gòu)轉(zhuǎn)體全過程監(jiān)控流程

2.3 施工全過程仿真分析

2.3.1 施工全過程結(jié)構(gòu)受力分析

施工控制的全過程安全性分析，首先采用設(shè)計計算參數(shù)、施工計劃方案對施工過程進(jìn)行分析，計算出控制目標(biāo)的主梁各施工階段理論撓度、主梁及橋墩截面理論應(yīng)力，確定方案的合理性和安全性。

采用MIDAS/civil，建立有限元模型。支架豎向線剛度取106 kN/mm。各主要施工階段模型見圖5。

結(jié)合各施工階段，分別對A梁段支架拆除、B梁段支架拆除、C梁段支架拆除、后預(yù)應(yīng)力張拉完成、二期恒載完成、收縮徐變完成共六個典型工況進(jìn)行分析，生成主梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)如圖6，7所示。

在整個施工過程中，主梁最大壓應(yīng)力為18.2 MPa>0.7fc(fc為軸心抗壓強(qiáng)度允許值)=17.7 MPa，最大拉應(yīng)力1.7 MPa>0.5ft(ft為抗拉強(qiáng)度允許值)=0.98 MPa。通過對全橋施工過程分析可知，T構(gòu)橋整體受力合理，但在施工過程中(C梁段支架拆除后)，箱梁頂板局部出現(xiàn)1.7 MPa的拉應(yīng)力，底部出現(xiàn)18.2 MPa壓應(yīng)力，均超過施工階段控制值，但未超過規(guī)范設(shè)計值，可以通過設(shè)置臨時預(yù)應(yīng)力束，達(dá)到降低施工階段的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力的目的。

圖5 主梁施工階段模型

圖6 主梁上、下緣壓應(yīng)力包絡(luò)圖/MPa

圖7 主梁上、下緣拉應(yīng)力包絡(luò)圖/MPa

2.3.2 施工過程結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

采用設(shè)計參數(shù)及施工計劃方案，主要施工階段結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)如圖8所示。

圖8 主要施工階段位移響應(yīng)

從圖8可以看出，各施工階段T構(gòu)兩側(cè)主梁變形對稱，有利于確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。按照“成橋累計變形+徐變+1/2活載”反拱值考慮設(shè)置主梁立模時的預(yù)拱度，全橋預(yù)拱度如圖9。頂升高度對于支座受力及主梁內(nèi)力均存在一定影響，需根據(jù)體系轉(zhuǎn)換過程中現(xiàn)場實測結(jié)果，設(shè)置施工預(yù)拱度。

圖9 施工預(yù)拱度

2.4 轉(zhuǎn)體施工精細(xì)化控制關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 基于三維激光掃描的梁體不平衡重識別

傳統(tǒng)的梁體不平衡重識別主要依靠梁體澆筑混凝土方量統(tǒng)計和轉(zhuǎn)體前的稱重試驗進(jìn)行判別，進(jìn)而分析推測整體自重誤差，不便于過程中的糾偏決策。三維激光掃描儀作為監(jiān)測領(lǐng)域的前端技術(shù)，集成了多種先進(jìn)測繪儀器，在復(fù)雜環(huán)境下采用非接觸式高速激光進(jìn)行測量，實現(xiàn)對被測物體進(jìn)行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面距離，自動存儲并計算，進(jìn)而獲得點云數(shù)據(jù)。

借助逆向檢測方法，三維激光掃描識別不平衡重主要步驟為：前段梁體澆筑→三維激光掃描采集梁體輪廓→三維模型建立→生成體積報告→下段梁體不平衡重澆筑修正、預(yù)配重，如圖10所示。

圖10 三維激光掃描不平衡重控制步驟

T構(gòu)主梁單側(cè)分三次澆筑，充分運用三維激光掃描的自動化測量技術(shù)，遠(yuǎn)距離快速、精確地采集目標(biāo)表面的完整幾何形態(tài)，對已澆筑梁段進(jìn)行輪廓識別和自重分析，在下一節(jié)段澆筑時采取針對性的糾偏措施。實施過程中，梁體全部澆筑完成后，根據(jù)三維激光掃描識別梁體混凝土重量結(jié)果，得到T構(gòu)縱向不平衡彎矩52.5 t·m，折算球鉸處偏心距5 mm<(50，150 mm)，僅在小里程側(cè)AB節(jié)段交界面位置設(shè)置了2.5 t預(yù)配重。

2.4.2 梁端支架拆除影響性分析

橋梁設(shè)計要求推薦分節(jié)段拆除支架，待支架拆除后，梁體處于懸臂狀態(tài)，在梁體混凝土自重作用下勢必引起梁端有一定的下?lián)?，且越遠(yuǎn)離主墩，下?lián)狭吭酱?。C節(jié)段支架拆除完成后主梁變形見圖11。

為防止?jié)M堂支架在支架卸落過程中由于梁體的下?lián)希憾撕笮堵涞牟糠种Ъ苁芰υ龃?，?dǎo)致滿堂架局部失穩(wěn)破壞，同時也易造成梁體開裂。轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋主梁現(xiàn)澆支架的拆除，為保障梁體的平緩下?lián)?，主要有兩個拆除方案：方案一從梁端往主墩方向；方案二從主墩往梁端方向。

建立本橋平面模型，在每個節(jié)點下方設(shè)置了一個彈性受壓單向支座，支座的剛度與臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度相匹配，通過比較各節(jié)點處彈性受壓單向支座的支反力，來反映支架拆除過程中支架受力的重新分配情況，比較兩種方案的優(yōu)劣性，模擬彈性受壓支座的支反力值，詳見圖12。

圖12 不同支架拆除方案支架受力比較

從圖12可知：在支架拆除過程中，發(fā)生受力重分配，拆除后的剩余支架的受力明顯增加；梁端部分支架拆除后，靠主墩方向支架受力重分配的同時，靠近B節(jié)段部分支架出現(xiàn)脫空；方案一的支架受力相對不利，模擬支座的反力超過了4000 kN；方案二的支架受力則相對較小。

綜合以上分析，大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋的主梁現(xiàn)澆支架的拆除，應(yīng)該從主墩往梁端方向拆除，支架在拆除過程中的受力相對較小。在拆除過程中，可以利用千斤頂，在梁體與支架貝雷梁或者立柱之間增設(shè)臨時剛性支撐，改善主體結(jié)構(gòu)受力。卸落支架具體布置如圖13所示。

圖13 卸落支架布置

通過現(xiàn)場應(yīng)用，滿堂支架實現(xiàn)了順利拆除，主梁端部平緩下?lián)希Ｕ狭宿D(zhuǎn)體前主體結(jié)構(gòu)受力安全。

3 施工信息化集成控制體系搭建及應(yīng)用

3.1 施工信息化集成控制體系搭建

常規(guī)的施工控制方法精細(xì)化融合程度不強(qiáng)、結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)識別難度大、信息化技術(shù)適用性有待提高。為此，鄭萬鐵路T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋?qū)蛄菏┕と^程納入精細(xì)化控制體系，以安全性控制為核心，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理、展示、評估及決策，開發(fā)T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體精細(xì)化施工控制技術(shù)。

施工信息化集成控制體系主要包括轉(zhuǎn)體數(shù)控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和基于BIM+IOT(Internet of Things)的施工電子沙盤，基于信息化準(zhǔn)確和精細(xì)的控制手段，確保T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體的安全順利進(jìn)行，建立轉(zhuǎn)體T構(gòu)信息化集成控制體系，如圖14所示。

圖14 轉(zhuǎn)體T構(gòu)信息化集成控制體系結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)流程上，通過對T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋的施工現(xiàn)場、工程結(jié)構(gòu)等進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)分別傳遞到數(shù)控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)和施工電子沙盤。數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括牽引千斤頂拉力和轉(zhuǎn)體速度等，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)體過程的精確操控。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)體角度、高程、傾角、應(yīng)力等智能前端數(shù)據(jù)，通過對T構(gòu)橋進(jìn)行物理和幾何監(jiān)測，內(nèi)置理論計算結(jié)果和力學(xué)專項決策算法，用于T構(gòu)轉(zhuǎn)體的姿態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。施工電子沙盤集成GIS數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)和數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，一方面用于轉(zhuǎn)體施工現(xiàn)場實時展示，包括轉(zhuǎn)體進(jìn)度、T構(gòu)轉(zhuǎn)體姿態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，另一方面用于計算分析T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體姿態(tài)與牽引力，將分析結(jié)果反饋給轉(zhuǎn)體施工數(shù)控系統(tǒng)以實時調(diào)整控制參數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)體T構(gòu)信息化集成控制工作流程

監(jiān)控管理層根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和前端實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，將分析結(jié)果上報給決策管理層，決策管理層根據(jù)電子沙盤集成數(shù)據(jù)和監(jiān)控管理層計算結(jié)果，將轉(zhuǎn)體控制的牽引力、時間等決策下達(dá)給設(shè)備管理層，設(shè)備管理層根據(jù)決策管理層的指令對T構(gòu)轉(zhuǎn)體的千斤頂?shù)瓤刂圃O(shè)備進(jìn)行操作。轉(zhuǎn)體T構(gòu)信息化集成控制工作流程如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)體T構(gòu)信息化集成控制工作流程

3.3 動態(tài)質(zhì)量安全風(fēng)險評估體系形成機(jī)理

鄭萬鐵路T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體控制系統(tǒng)應(yīng)用于跨高鐵營運線轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控中，形成了以數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)質(zhì)量、安全風(fēng)險評估方法與體系，主要機(jī)理如下：

(1)針對結(jié)構(gòu)設(shè)計及理論分析等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用BIM信息模型方法進(jìn)行管理和交換，并運用IOT監(jiān)測手段進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸。

(2)基于多維信息圖層的工程數(shù)據(jù)集成及提供解決方案，開發(fā)施工電子沙盤，形成決策層管理工具平臺。

(3)針對結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)動角度、應(yīng)力等)、轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的作業(yè)數(shù)據(jù)(行程、牽引力等)，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析，并通過平臺進(jìn)行驅(qū)動，實現(xiàn)數(shù)字化控制。

(4)姿態(tài)偏移、撓度超標(biāo)、梁體開裂等屬于質(zhì)量風(fēng)險，轉(zhuǎn)動干涉、碰撞、危險墜落物等屬于安全風(fēng)險，通過現(xiàn)場三維監(jiān)控將數(shù)據(jù)反饋給施工電子沙盤，進(jìn)行質(zhì)量及安全隱患預(yù)推演，輔助決策人員進(jìn)行快速決策，應(yīng)對轉(zhuǎn)體施工中可能出現(xiàn)的各類異常。決策形成指令，反饋給牽引系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)及其他應(yīng)急實施團(tuán)隊，進(jìn)而形成質(zhì)量安全評估方法及相關(guān)體系。

3.4 工程應(yīng)用效果

鄭萬高鐵跨京廣高鐵轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋成功應(yīng)用了精細(xì)化施工控制技術(shù)，于2017年11月22日凌晨成功完成“小天窗、高效率”轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體(50 min)及精調(diào)(20 min)過程僅消耗70 min(<120 min)，實現(xiàn)了跨高鐵營業(yè)線轉(zhuǎn)體施工的重大突破；主梁軸線偏差2 mm(

圖16 工程現(xiàn)場

4 結(jié) 論

(1)新建鄭萬高鐵跨京廣客專T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋梁，建設(shè)過程中存在安全、精準(zhǔn)、高效等關(guān)鍵技術(shù)難題，而常規(guī)的施工控制方法精細(xì)化融合程度不強(qiáng)、結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)識別難度大、信息化技術(shù)融合度有待提高，需探索橋梁轉(zhuǎn)體精細(xì)化施工控制技術(shù)；

(2)提出了跨營業(yè)線T構(gòu)橋施工全過程控制理念，形成了系統(tǒng)的總體控制流程，同時分析出梁體應(yīng)力及線形變化情況；

(3)結(jié)合T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋不平衡重控制及現(xiàn)澆支架拆除兩大控制難點，提出了基于逆向檢測法的三維激光掃描梁體不平衡重識別方法，結(jié)合精細(xì)化施工控制分析，提出主墩到梁段的臨時支架合理拆除順序，同時在梁端設(shè)置卸落裝置，保障梁體的結(jié)構(gòu)安全性，達(dá)到了精細(xì)化控制的目標(biāo)；

(4)信息化集成控制體系打通了各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)：數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體的精確操控、三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)控橋梁姿態(tài)及應(yīng)力、施工電子沙盤集成多維多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)轉(zhuǎn)體施工的實時展示、控制數(shù)據(jù)傳導(dǎo)和決策管理，發(fā)揮了數(shù)據(jù)互通的最大價值，理順了管理、分析和實施人員的工作流程，借助先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，促成了轉(zhuǎn)體橋梁質(zhì)量安全評估方法及相關(guān)體系，保障了鄭萬鐵路T構(gòu)轉(zhuǎn)體的安全實施。