先簡支后連續(xù)梁橋施工線形控制技術(shù)研究

張志高

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300222）

1 引言

為提高施工質(zhì)量及其安全性，確保橋梁成橋之后的線形滿足設(shè)計要求，必須對其進(jìn)行施工監(jiān)控。對于先簡支后連續(xù)梁而言，因其多采用節(jié)段預(yù)制的方式進(jìn)行施工，在某一跨完成預(yù)制箱梁節(jié)段的拼裝之后，即基本確定了其余各跨的線形［1］，因此對于先簡支后連續(xù)梁而言必須對其節(jié)段預(yù)制時的線形進(jìn)行施工控制。

2 工程概況

本次研究所基于的背景橋梁結(jié)構(gòu)要點(diǎn)為：主梁采用的截面形式為等截面單箱單室截面，3m的主梁高度，箱梁頂板以及底板的寬度分別為16m和7m；厚度分別為26cm和25cm。箱梁縱向以及橫向均施加預(yù)應(yīng)力，采用15.2mm直徑的鋼絞線以及塑料波紋管作為成孔管道。

中部橫隔梁需進(jìn)行現(xiàn)澆，箱梁其余部位在工廠預(yù)制完成，然后運(yùn)送至現(xiàn)場進(jìn)行吊裝施工。以預(yù)應(yīng)力張拉的方式使各個分段預(yù)制梁塊形成整體后，采取連續(xù)段橫隔梁現(xiàn)澆方式，箱梁完成從簡支到連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換。在簡支狀態(tài)下，箱梁一期荷載以及施工荷載均由體內(nèi)預(yù)應(yīng)力提供；在連續(xù)狀態(tài)下，二期荷載以及活載均由體外預(yù)應(yīng)力張拉提供。

通過有限元軟件Midas/Civil建立該橋梁模型，如圖1所示，并對其進(jìn)行仿真分析。通過仿真分析獲得橋梁在施工階段的受力狀態(tài)，以獲取其內(nèi)力及變形數(shù)據(jù)，從而為橋梁施工控制提供依據(jù)?；谄蓿疚膬H列出部分模型數(shù)據(jù)。

圖1 一聯(lián)建模圖（以116#-122#墩為例）

3 仿真數(shù)據(jù)分析

雖然通過仿真分析可以得到較為精確的施工預(yù)拱度，但橋梁實(shí)際施工時所受影響較多，如氣候溫度以及時間等。鑒于其復(fù)雜性，為進(jìn)一步確保橋梁施工的安全性，本文對該橋梁開展了單梁靜載試驗(yàn)。

本次靜載試驗(yàn)加載時以縱向跨中截面最不利彎矩處采用沙袋直接進(jìn)行加載，布載方案為跨徑的一半。所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 各級加載撓度值

從圖中可知，橋梁的豎向撓度在跨中存在46mm的最大值，可知其處于規(guī)范L/600的允許范圍內(nèi)。

靜載試驗(yàn)下各截面測點(diǎn)所測得的應(yīng)變值如圖3所示。

圖3 各級加載應(yīng)變圖

從相關(guān)規(guī)范可知，橋梁校驗(yàn)系數(shù)應(yīng)在0.9-0.5的范圍內(nèi)，其實(shí)際值有著0.8的最大值，以及0.63的最小值，可知該橋梁的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)滿足要求。對其相對殘余變位進(jìn)行計算可知其有著0.19的最大值，滿足0.2容許值的要求。

3.1 汽車活載計算

該橋梁采用的汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，為考慮最不利狀態(tài)，本文考慮了放大系數(shù)1.3。仿真數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 汽車活載撓度/mm

從圖4中可知，橋梁在汽車活載下具有-9.678mm的最大撓度值，對結(jié)構(gòu)線形不會造成影響。

限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。汽車活載彎矩包絡(luò)如圖5所示，從汽車活載下的彎矩仿真結(jié)果可知：在汽車活載作用下，橋梁有著2.06e4KN/m-1.75e4KN/m的最大彎矩值，橋梁結(jié)構(gòu)保持在安全狀態(tài)，滿足要求。

圖5 汽車活載彎矩包絡(luò)圖

3.2 溫度作用計算

（1）系統(tǒng)溫度作用

為對橋梁的內(nèi)力以及變形開展更進(jìn)一步的研究，本文基于規(guī)范要求，選取在20℃的基準(zhǔn)溫度，34℃的高溫以及-10℃的低溫環(huán)境下，分析溫度與橋梁內(nèi)力和變形之間的關(guān)系［2-3］。所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)降溫?fù)隙惹€圖（單位：mm）

從仿真結(jié)果可知，橋梁在體系溫差以及結(jié)構(gòu)約束環(huán)境下，有44.955mm的最大位移值出現(xiàn)在主梁段的伸縮縫位置，而其在縱向則產(chǎn)生了0.086mm的最大撓度。

（2）梯度溫度作用

圖7 溫度梯度作用下的結(jié)構(gòu)撓度曲線圖（單位：mm）

從圖7的仿真結(jié)果可知，箱梁結(jié)構(gòu)截面在因日照等因素影響而產(chǎn)生的溫度梯度作用下，僅有3.040mm的最大變形值以及2.16mpa的次用力，兩者均滿足設(shè)計要求。

3.3 支座沉降計算

本文以10mm的最大沉降量對單個支座進(jìn)行計算，所得結(jié)果如圖8所示。

圖8 支座沉降變形包絡(luò)圖（單位：mm）

從結(jié)果可知，主梁上緣內(nèi)力在支座沉降時有著0.796mpa的最大值，下緣內(nèi)力在支座沉降時有著1.192mpa的最大值，此時橋梁結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)，橋梁結(jié)構(gòu)有著-12.669mm的最大撓度值。

3.4 荷載組合驗(yàn)算

本文主要考慮了兩種荷載工況，兩種工況僅在溫度作用有所區(qū)別，即恒載+活載+支座不均勻沉降+整體升溫（工況一）/整體降溫（工況二）+梯度正溫差（工況一）/梯度負(fù)溫差（工況二）。兩種荷載工況的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 荷載組合計算結(jié)果

從仿真結(jié)果可看出，在兩種工況下，多數(shù)截面都保持在全截面受壓狀態(tài)，滿足全預(yù)應(yīng)力設(shè)計要求；在工況二下，有較小的拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋墩墩頂下緣截面，因混凝土的收縮徐變作用，導(dǎo)致該位置表現(xiàn)出受壓的應(yīng)力狀態(tài)；此外，在本次模擬過程中，因未對支座彎矩削峰效應(yīng)進(jìn)行考慮，因此該位置較小的拉應(yīng)力仍滿足設(shè)計要求。

3.5 仿真計算結(jié)果

將各個階段的撓度最大值歸納如表1所示。

表1 橋梁撓度變形與應(yīng)力值

續(xù)表

從上表可看出，箱梁截面在各種荷載作用下均保持在全截面受壓狀態(tài)，并且橋梁所受最大應(yīng)力滿足設(shè)計要求，即橋梁結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，滿足全預(yù)應(yīng)力要求；基于橋梁預(yù)拱度設(shè)置要求，若橋梁在其自重以及活載作用下產(chǎn)生的最大撓度小于L/1600時，可不設(shè)置預(yù)拱度［4］。該橋梁計算跨徑為50m，有著31.25mm的容許最大豎向撓度。從表2可知，橋梁在各荷載下所產(chǎn)生的撓度滿足要求。故該橋無需設(shè)置預(yù)拱度。

4 施工控制

本文以上述有限元模擬結(jié)果為依據(jù)，采用短線法進(jìn)行實(shí)例計算以及誤差分析。該橋梁現(xiàn)場預(yù)制廠有兩條生產(chǎn)線，分別位于南北方，具體如圖10所示。本文將以中跨對象研究匹配坐標(biāo)和誤差分析方法，以對橋梁線形進(jìn)行控制。基于該橋梁僅需以設(shè)計線形進(jìn)行預(yù)制施工的特點(diǎn)，本文將以短線法對其預(yù)制線形進(jìn)行計算分析，以滿足線形控制的要求。

圖10 預(yù)制廠布置示意圖

從上圖可知，有六個測量塔設(shè)置在南北生產(chǎn)線的中部位置，主要用以開展測量放樣以及校核等工作。從B5-0中間段開始進(jìn)行一整跨梁的預(yù)制工作， （因該梁段為標(biāo)準(zhǔn)件，故無需進(jìn)行匹配工作），以該梁段為起點(diǎn)，分別朝兩邊開展匹配工作。

4.1 匹配計算

基于上述仿真結(jié)果，本文以110#-120#墩間的三個梁段（編號：A，B，C）為研究對象進(jìn)行匹配坐標(biāo)的計算以及誤差修正的探討。

為提高施工效率，選取B5-0的待澆筑段為B6-2，并將其作為B5-2的匹配梁。以B5-0最中間段開始進(jìn)行各跨梁段的預(yù)制。因首段單元梁為B5-0，因此無需對其進(jìn)行匹配。故其線形控制的質(zhì)量將會對接下來各個梁段的線形造成影響。故在每次預(yù)制之前需對B5-0梁段臺座的跑位情況進(jìn)行監(jiān)測，以控制其誤差處于設(shè)計要求之內(nèi)。

待A號梁段預(yù)制完成之后（在梁段預(yù)制時，需在混凝土澆筑時將測量點(diǎn)埋設(shè)到位，測點(diǎn)布置如圖11所示，需對測點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測量，并計算出其大地坐標(biāo)系，所得結(jié)果如表2所示。

圖11 測點(diǎn)埋設(shè)位置示意圖（單位：cm）

表2 梁段A整體坐標(biāo)值與局部坐標(biāo)值（單位：m）

表中竣工初始坐標(biāo)即澆筑完并養(yǎng)護(hù)完梁段A之后測量所得坐標(biāo)。上表坐標(biāo)值即梁段A在自身局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。在開始匹配梁段B之前，必須對梁段A的匹配坐標(biāo)進(jìn)行計算。梁段A的匹配坐標(biāo)可通過軟件Auto-CAD以建立局部坐標(biāo)系的方式，計算出梁段B的局部坐標(biāo)下的兩端B的整體坐標(biāo)，所得結(jié)果如表3所示。

表3 梁段A匹配坐標(biāo)計算表（單位：m）

取得匹配坐標(biāo)之后，即可采用全站儀對其進(jìn)行監(jiān)控，并通過千斤頂進(jìn)行微調(diào)，將梁段A調(diào)整至匹配坐標(biāo)處并對臺座進(jìn)行固定，之后即可開展梁段B的澆筑。

4.2 匹配誤差修正

假定待澆筑段為N號塊。將N號塊制作誤差作為N-1號塊匹配誤差的轉(zhuǎn)移對象。故對于N+1號塊的匹配需通過調(diào)整N號塊的方式實(shí)現(xiàn)。即通過調(diào)整N+1號塊的匹配過程來調(diào)整N號塊的制作誤差。在制作N+1號塊時可以負(fù)數(shù)的實(shí)際誤差做為修正值，從而滿足調(diào)整要求。如圖12所示。

圖12 誤差調(diào)整示意圖

上圖A表示各梁段理論線形。假定預(yù)制1號塊時出現(xiàn)角度誤差α角，此時在2號節(jié)段的拼裝會受到1號節(jié)段的誤差的影響，如圖C所示；上個節(jié)段傳遞下來的誤差，降低了2號節(jié)段高程，為對該誤差進(jìn)行修正，可在下一節(jié)段施加相應(yīng)的β轉(zhuǎn)角以進(jìn)行抵消，如圖D所示。此時在預(yù)制4號節(jié)段時梁體線形已回歸設(shè)計線形，即角度誤差α已經(jīng)通過3號節(jié)段的坐標(biāo)匹配抵消掉。

5 結(jié)語

通過放置計算結(jié)果可知，該橋梁在荷載組合作用下的最大變形仍滿足設(shè)計要求，因此可知，在該梁段施工時并不需要施加預(yù)拱度，即在預(yù)制箱梁時可直接以設(shè)計線形開展?；谟嬎憬Y(jié)果，本文采用短線法對其進(jìn)行計算分析，并針對匹配坐標(biāo)誤差進(jìn)行修正，基于現(xiàn)場橋梁拼裝后的線形而言，橋梁線形控制滿足要求。