高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工線形控制技術(shù)研究

李玉明

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500)

1 工程概況

武倘尋高速公路魯六河大橋為三跨形式，跨度為95 m+170 m+95 m，剛構(gòu)橋平曲線曲率半徑達(dá)到了1 200 m，主梁構(gòu)造為變截面混凝土箱梁。其中箱梁底部寬度為6 m，頂部寬度為12 m，支點梁高達(dá)到了9 m，跨中梁高度為4 m，剛構(gòu)橋縱坡為0.33%，單向橫坡為3%；橋墩則采取等截面空心墩，其壁厚為1 m，截面寬度為6.5 m，長為8 m，高度為90 m；下部采取樁長15 m、直徑2.5 m的5根嵌巖樁進(jìn)行地基處理。該剛構(gòu)橋墩身采取滑模形式施工，主梁則為掛籃懸臂法施工，梁體和墩身的施工精度要求較高。

2 施工分析

2.1 施工控制技術(shù)

該高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋采取懸臂法施工，施工階段中，2#、3#墩邊跨、中跨分別劃分為18#塊梁段，施工至最大懸臂塊時，先采取邊跨合龍，后進(jìn)行中跨合龍。以2#墩為例，其施工梁段0#塊長度為13 m；1#～4#梁塊長度為14 m，且每個梁塊長度為3.5 m；5#～10#兩塊長度為24 m，每個梁塊長度為4 m；11#～18#每個梁塊長度為5 m；邊塊現(xiàn)澆處理長度為5 m，邊跨合龍段長度為2 m，中跨合龍段長度為2 m。懸臂法施工中需要重點控制線形，線形誤差極難通過后續(xù)措施進(jìn)行糾正，對于未施工梁塊，則可以采取控制立模標(biāo)高來調(diào)整殘余誤差，一旦殘余誤差偏大，則需要進(jìn)行多個梁段的調(diào)整。

該連續(xù)鋼構(gòu)大橋采取自適應(yīng)控制法進(jìn)行懸臂施工，該技術(shù)主要是對施工不同階段的主梁標(biāo)高進(jìn)行實測，繼而與模型理論值進(jìn)行對比，識別主梁主要設(shè)計參數(shù)，分析線形偏差產(chǎn)生的原因，獲取估計參數(shù)進(jìn)行模型修正。自適應(yīng)控制法在系統(tǒng)運行階段進(jìn)行參數(shù)識別修正，確保實際、設(shè)計輸出的相互匹配。項目依據(jù)該施工控制技術(shù)主要可以分為以下組成部分：線形跟蹤測量、現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)采集、橋梁結(jié)構(gòu)分析及結(jié)果反饋[1]。其中，施工測量主要是設(shè)計控制點來獲取不同階段的梁塊標(biāo)高；測試則是依據(jù)事先埋設(shè)的控制截面應(yīng)變計獲取變形數(shù)據(jù)；通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合設(shè)計主要參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)果反饋，該過程主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行精讀判斷、誤差分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，為后續(xù)的梁塊立模標(biāo)高確定提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

2.2 施工線形控制要點

連續(xù)剛構(gòu)橋施工階段極容易出現(xiàn)線形誤差，且大跨度橋梁的施工階段較多，其線形誤差受到較多因素限制。橋梁線形控制是確保施工成橋后整體線形滿足設(shè)計要求，對于線形控制可以分為高程控制、平面線形控制兩個方面，平面線形控制主要是控制橋梁軸線，在橋梁布設(shè)平面上滿足設(shè)計規(guī)范，直線橋的平面控制較為容易，曲線橋的平面控制則需要經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計分析；主梁高程控制是施工監(jiān)控中的關(guān)鍵，高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的主梁高程施工監(jiān)控較為復(fù)雜，這主要歸因于施工項目周期較長，梁段劃分較多，造成高程影響因素復(fù)雜，實測撓度和計算撓度之間的誤差也較為明顯[3]。

橋梁線形控制影響因素包含橋梁規(guī)模、跨徑、施工技術(shù)等，對于采取懸臂澆筑施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，其質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，施工過程中受到復(fù)雜因素的影響，橋梁產(chǎn)生線形變形，實際橋梁位置難以達(dá)到設(shè)計要求，施工中需要對其進(jìn)行平面、高程的控制，對偏差及時調(diào)整[4]。

表1 懸臂澆筑連續(xù)剛構(gòu)橋線形控制質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

(1)立模標(biāo)高

懸臂法施工中，連續(xù)剛構(gòu)橋不同梁塊立模標(biāo)高的確定直接影響著成橋線形的平順性。施工立模標(biāo)高的確定需要在設(shè)計標(biāo)高上結(jié)合成橋之后的多類型撓度變形，實際施工中需要設(shè)置預(yù)拱度來對這些撓度變形進(jìn)行抵消。施工梁塊的標(biāo)高受到混凝土收縮徐變、掛籃支架自重、活載等多因素的影響，成橋線形狀態(tài)難以和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)保持一致，單一節(jié)段立模標(biāo)高的計算主要包括以下內(nèi)容：不同節(jié)段自重造成的該節(jié)段撓度增加量、節(jié)段設(shè)計標(biāo)高、節(jié)段混凝土收縮徐變、節(jié)段施工活載變形、掛籃支架導(dǎo)致的節(jié)段變形。

(2)合龍段施工

合龍段施工控制中，現(xiàn)場對于軸線位置的控制要求較高，合龍效果不佳則會造成橋梁線形的波浪狀，更嚴(yán)重者則會出現(xiàn)無法合龍。為充分確保懸臂梁段精確對接，施工中采取全站儀導(dǎo)線技術(shù)，實現(xiàn)不同懸臂過程中的前后斷面連接緊密。實際過程中需要嚴(yán)格控制懸臂前斷面，并且依據(jù)箱梁位置和里程計算設(shè)計控制坐標(biāo)，箱梁平面坐標(biāo)采取單測站極坐標(biāo)法控制時，需要復(fù)核兩個局部平面控制點位。

(3)施工標(biāo)高測點布置

實際施工中橋梁線形位移監(jiān)測點主要包括2#墩上部0#梁塊的控制點及懸臂梁段測點。主梁線形測點布置要求如下：縱橋向單個施工梁段需要設(shè)定測點截面，且截面上需要設(shè)定4個變形測點，一般在梁段施工澆筑之前，測點需要布置在梁底部，梁段施工結(jié)束后則需要移至梁頂部。施工中采取的線形測點測試儀器為高精度全站儀，其精度控制在±1 mm以內(nèi)，測試內(nèi)容包括澆筑混凝土前后梁段標(biāo)高、施工前后的掛籃標(biāo)高、預(yù)應(yīng)力張拉前后的梁段標(biāo)高等[5]。

3 有限元分析

3.1 模型構(gòu)建

結(jié)合該剛構(gòu)橋的施工進(jìn)度及現(xiàn)場結(jié)構(gòu)形式，采取midas Civil進(jìn)行有限元模型構(gòu)建，對不同工序的主梁變形進(jìn)行分析，主要劃分為195個單元、230個節(jié)點，其中主墩和主梁以梁單元進(jìn)行構(gòu)建，梁墩固結(jié)則采取剛性連接，邊跨現(xiàn)澆段托架則采取受壓彈性連接進(jìn)行模擬；模型采取組合截面，其中主梁下部結(jié)構(gòu)則為等截面形式，支座為抗扭支座形式。為簡化計算過程，對承臺土體相互作用不進(jìn)行考慮，只對樁基、土之間的約束作用進(jìn)行分析，其中，樁基采取梁單元模擬，且以3.5 m的間距進(jìn)行不同樁基劃分，樁基邊界土體約束簡化為6個自由度的固結(jié)設(shè)定。

3.2 參數(shù)設(shè)定

(1)主體結(jié)構(gòu)及材料

該剛構(gòu)橋為95 m+170 m+95 m，單個懸臂梁段為一個箱梁單元，橋梁上部結(jié)構(gòu)總共劃分為122個單元。上部結(jié)構(gòu)截面中，箱梁根部和中跨跨中之間，箱梁高度以1.5次拋物線變化設(shè)置；箱梁在0#塊處頂板厚度為50 cm，其余位置處則為30 cm；箱梁底板在0#塊處為150 cm，其余位置的底板厚度則依據(jù)1.5次拋物線變化至跨中截面35 cm。

2#、3#墩高度為90 m，主墩全高度橫橋向以55∶1的坡比進(jìn)行尺寸線性變化，縱橋向尺寸以坡比100∶1進(jìn)行變化；主墩內(nèi)部每隔15 m進(jìn)行厚度0.5 m橫隔板的豎向設(shè)置，模型將橋墩劃分為52個梁單元；樁基模擬梁單元為21個。

主梁采取材料為C60混凝土、橋墩則為C50混凝土，樁基礎(chǔ)則為C40；連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束采取鋼絞線，直徑規(guī)格為15.24 mm，fpk=1 860 MPa。

(2)荷載

模型考慮的荷載主要分為以下幾個部分：橋梁自重；施工預(yù)應(yīng)力(施工張拉控制應(yīng)力為1 400 MPa)；施工荷載(橋墩施工中主要采取滑模形式，其中滑模質(zhì)量為350 kN/m，懸臂掛籃質(zhì)量為1 450 kN)；活載標(biāo)準(zhǔn)為公路II級，移動人群荷載為2.5 kN/m；模型中二期荷載則主要是進(jìn)行鋪裝層質(zhì)量的梁單元荷載轉(zhuǎn)換，線荷載設(shè)計為25 kN/m。

(3)模擬工序

模型施工順序按如下開展：進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工；橋墩施工；主橋懸臂梁段施工，主橋采取懸臂掛籃施工，橋墩施工完成后，進(jìn)行萬能托架構(gòu)建，繼而進(jìn)行橋墩0#塊澆筑，該過程施工周期為25 d。之后采取掛籃進(jìn)行其余梁端的澆筑，不同梁端的澆筑周期為6 d，且后續(xù)掛籃前移需要2 d，預(yù)應(yīng)力鋼束張拉階段需要4 d，單個梁端施工周期需要12 d；邊跨現(xiàn)澆段則采取托架或者吊架進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆，周期達(dá)到了15 d；邊跨合龍段施工則需要事先進(jìn)行懸臂端水箱壓重設(shè)置，邊跨混凝土澆筑完成之后，需要等到澆筑強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度85%以上時，且經(jīng)養(yǎng)護(hù)5 d才能夠進(jìn)行鋼束張拉工作；中跨合龍段則需要在懸臂端進(jìn)行吊架安裝，設(shè)置懸臂端水箱承重，繼而開展混凝土澆筑，等到澆筑強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度85%以上時，且經(jīng)養(yǎng)護(hù)5 d才能夠進(jìn)行中跨底板、頂板的鋼束張拉工作；之后進(jìn)行成橋二期鋪裝施工。

3.3 主梁線形分析

模型荷載包括滑模及掛籃荷載、結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載、施工人群及二期鋪裝荷載，對于橋梁施工預(yù)拱度具有較大影響，為此就需要進(jìn)行線形控制分析，對不同梁段的立模標(biāo)高嚴(yán)格控制，減少線形誤差。通過模型計算主要對2#墩的理論預(yù)拱度進(jìn)行分析，如圖1所示。圖1(a)結(jié)果表明，混凝土收縮徐變對主梁的豎向變形影響較大，且中跨的影響程度要大于邊跨；圖1(b)結(jié)果表明，施工活載促使主梁產(chǎn)生下部變形，中跨豎向變形要大于邊跨，這主要歸因于中跨跨度要大于邊跨跨度；圖1(c)結(jié)果為活載、15年混凝土收縮徐變、支架及掛籃荷載情況下的預(yù)拱度，其中2#墩0#梁塊預(yù)拱度具有突變情況，這主要是橋墩高度較大，混凝土收縮變形下橋墩的豎向變形劇烈，且主墩和梁端之間的固結(jié)較為緊密造成的。為了確保成橋線形滿足施工技術(shù)要求，在開展2#墩墩頂施工時需要充分分析墩身的豎向沉降，并且在事先進(jìn)行必要的變形補(bǔ)償措施。

圖1 不同影響參數(shù)下理論線形變化

4 實際、理論線形對比分析

選取2#墩8#梁塊進(jìn)行不同情況下的實際施工、理論模擬線形對比代表性分析，圖2(a)、(b)分別為考慮澆筑混凝土、預(yù)應(yīng)力束張拉后的線形實際、理論對比，結(jié)果表明實際監(jiān)測、理論模擬線性變化存在一定的差異性，這主要是實際測量誤差、環(huán)境溫度變化及鋼筋變形等因素造成的，但是最大誤差能夠控制在0.1 cm之內(nèi)，實際和理論線形變化規(guī)律整體保持一致性。為此，相對于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制施工技術(shù)，自適應(yīng)施工技術(shù)能夠進(jìn)行參數(shù)誤差估計和調(diào)整，在一些施工工序較多、超靜定次數(shù)多的大跨度橋梁施工控制中應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯。該技術(shù)基于主要的設(shè)計參數(shù)，對理論、實際之間的線形誤差進(jìn)行充分分析，繼而采取估計參數(shù)進(jìn)行模型修正，且著重于橋梁結(jié)構(gòu)變形的參數(shù)識別，在前期只要及時進(jìn)行參數(shù)修正，成橋后的線形誤差就相對較小。

圖2 不同情況下的實際施工、理論模擬線形對比

5 小 結(jié)

針對武倘尋高速公路魯六河大橋進(jìn)行自適應(yīng)施工控制技術(shù)的要點分析，設(shè)計現(xiàn)場施工變形監(jiān)測方案，并且開展有限元模擬，對該剛構(gòu)橋懸臂施工中的線形變化規(guī)律進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，混凝土收縮徐變、活載對預(yù)拱度的影響；采取自適應(yīng)施工技術(shù)的成橋線形和理論值之間的規(guī)律具有較大匹配程度，且最大線形差異值控制在0.1 cm以內(nèi)。自適應(yīng)施工控制技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢明顯，可以在類似橋梁工程線形控制中得到推廣應(yīng)用。