預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋施工控制技術(shù)要點(diǎn)研究

袁立群,彭 冀,魏文暉

(1.深圳市天健(集團(tuán))股份有限公司，深圳 518000；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

近些年，我國大力倡導(dǎo)建設(shè)行業(yè)往低碳化、工業(yè)化與信息化方向轉(zhuǎn)型，橋梁建設(shè)技術(shù)在相關(guān)政策的引導(dǎo)下得到了飛速發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋不僅受力性能良好，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計與施工工藝還能起到節(jié)約建設(shè)成本、加快施工進(jìn)度和保證施工質(zhì)量的效果，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的施工是一個復(fù)雜的動態(tài)循環(huán)過程，是集設(shè)計、建造、監(jiān)控、評估、校準(zhǔn)、規(guī)劃于一體的龐大體系[2]。設(shè)計通常能給出理想化的成橋狀態(tài)，而在實(shí)際工程中，因設(shè)計方法、計算理論與誤差、參數(shù)取值、材料實(shí)際性能、施工環(huán)境等諸多方面不確定因素的影響，橋梁的實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計目標(biāo)之間必然存在著差別[3]。為提高預(yù)制箱梁橋的施工質(zhì)量，許多學(xué)者在施工控制技術(shù)方面進(jìn)行了大量的深入研究，主要集中在箱梁預(yù)制與架設(shè)安裝等對成橋質(zhì)量影響較大的施工環(huán)節(jié)。

1 橋梁施工控制理論

橋梁施工控制理論與技術(shù)的研究應(yīng)用是橋梁工程質(zhì)量的重要保證，也是我國橋梁工程領(lǐng)域研究與應(yīng)用較早的方向之一。目前，橋梁施工控制理論相關(guān)研究已趨于成熟，針對不同工程條件的創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)研究正逐漸興起，一些以智能建造技術(shù)為依托的先進(jìn)造橋理念與工藝技術(shù)方法得到快速發(fā)展[4]。

橋梁施工控制的主要任務(wù)包括結(jié)構(gòu)變形控制、結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制，目標(biāo)是保證在整個施工過程中及成橋后運(yùn)營階段，橋梁變形與結(jié)構(gòu)內(nèi)力均處于容許范圍以內(nèi)，且結(jié)構(gòu)不會因?yàn)檎w或局部失穩(wěn)而毀壞。一般來說，橋梁建設(shè)周期較長，施工干擾因素較多，為達(dá)到施工控制目標(biāo)往往需要建立一套完善的控制系統(tǒng)，以此來更好地對施工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)測和調(diào)整。針對各施工階段，通?？梢园磮D1所示流程對橋梁施工進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)每個階段的過程狀態(tài)與控制目標(biāo)相符時可進(jìn)行下一工序，直至橋梁施工完成。

2 預(yù)制階段施工控制要點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的制作按鋼束張拉方式可分為先張法與后張法。相較于先張法制梁，后張法所需張拉構(gòu)件(錨具、預(yù)埋件等)少，對張拉臺座的要求不高，更利于現(xiàn)場施工，因而在橋梁建設(shè)中應(yīng)用更為廣泛。采用后張法進(jìn)行梁體預(yù)制的施工工序圖如圖2所示，此階段的施工難點(diǎn)在于構(gòu)件配筋復(fù)雜且需要進(jìn)行大體積混凝土澆筑，施工控制的主要任務(wù)是確保鋼筋骨架與模板安裝、混凝土的澆筑質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力鋼束張拉以及構(gòu)件的幾何線性符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出相應(yīng)的舉措見表1。

表1 制梁階段施工控制要點(diǎn)及對應(yīng)舉措

通過對制梁階段施工要點(diǎn)進(jìn)行控制雖可以基本保證梁體成型按照預(yù)定的理想狀態(tài)(設(shè)計狀態(tài))推進(jìn)，但實(shí)際工程中依舊可能出現(xiàn)橋面上拱度過大的現(xiàn)象，并對最終的成橋線形與荷載分布產(chǎn)生影響[5,6]，非常不利于橋梁結(jié)構(gòu)安全與行車平順性。目前，施工時多依賴于經(jīng)驗(yàn)控制法對制梁臺座的外形進(jìn)行調(diào)整，通過設(shè)置初始的(反)預(yù)拱來保證合理的成橋線形，實(shí)際應(yīng)用時準(zhǔn)確度往往欠佳。

近些年，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注并對預(yù)制混凝土箱梁橋的反預(yù)拱理論進(jìn)行研究，王文洋等[7]以寧波舟山港主通道公路橋梁為背景，利用有限元方法分析不同預(yù)應(yīng)力張拉方式下箱梁的撓度，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力分批張拉更有利于整體線性控制，與實(shí)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)按跨中累積撓度的60%來設(shè)置反預(yù)拱可以較好地實(shí)現(xiàn)線形控制目標(biāo)。鄭玉峰[8]與沈明[9]結(jié)合實(shí)際工程研究發(fā)現(xiàn)，按照設(shè)計建立理論模型進(jìn)行計算雖能給出反預(yù)拱建議值，但實(shí)際的反拱值因受到操作人員、工程材料、存梁時長以及所在區(qū)域自然環(huán)境等多因素的影響與建議值有較大誤差。

因此，在后續(xù)的研究中，不僅要重視持續(xù)優(yōu)化施工工藝，尋找能考慮實(shí)際施工中隨機(jī)性變動因素的預(yù)拱度計算理論并提出現(xiàn)場施工改進(jìn)措施也是需要重點(diǎn)努力的方向。

3 箱梁吊裝施工控制研究

箱梁通常在梁場進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與存梁，待梁體養(yǎng)護(hù)完成后擇時進(jìn)行架設(shè)安裝，主要包括測量放線、支座安裝、運(yùn)梁、起吊、移梁、落梁安裝等工序。箱梁吊裝往往需要大型起重設(shè)備的配合，不同施工機(jī)具所對應(yīng)施工方法也不盡相同。隨著經(jīng)濟(jì)與機(jī)械化施工技術(shù)的發(fā)展，目前架橋方案較多，針對不同的工程背景選用合適的架橋方式對施工進(jìn)度、質(zhì)量與成本的影響較大。

以下對常見的幾種架橋方式進(jìn)行介紹，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，為架橋方案的選擇提供指導(dǎo)。圖3所示的是采用架橋機(jī)進(jìn)行架梁，不僅施工速度快，而且不受橋高與橋下水深的影響；缺點(diǎn)是對架橋機(jī)拼裝技術(shù)要求較高，且需要專門的運(yùn)梁設(shè)備輔助架梁。對于小箱梁應(yīng)用較多的中小跨徑橋梁，在橋高較低、場內(nèi)可設(shè)置行車便道的情況下，更適合選用圖4所示自行式吊車架梁，不僅架設(shè)速度快，對臨時設(shè)備與技術(shù)工種的要求也較低。當(dāng)在橋墩兩側(cè)鋪設(shè)軌道不困難，橋高較低且孔數(shù)較多時，宜選用圖5所示跨墩門式吊車架梁。

在箱梁架設(shè)安裝階段，施工控制的主要任務(wù)都是保證構(gòu)件安全且準(zhǔn)確地移梁就位。目前吊點(diǎn)、索力優(yōu)化理論與抗傾覆理論研究與應(yīng)用發(fā)展的已較為成熟，但箱梁的最終定位仍主要采用較為傳統(tǒng)的人工觀察和實(shí)時指揮的模式。傳統(tǒng)的定位方法通常是在梁體架設(shè)前按支座尺寸畫出安裝控制線，在梁體端頭標(biāo)出梁板橫向架設(shè)中心線，通過人工觀察比對控制線與架設(shè)中心線的吻合情況來指揮落梁。此過程需要多次、反復(fù)調(diào)整梁體位置，指揮人員往往需要長時間高空作業(yè)，不僅效率十分低下，也容易形成安全隱患。

近些年，測量技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)飛速發(fā)展，逐漸有學(xué)者提出運(yùn)用現(xiàn)代化測量、仿真技術(shù)來對現(xiàn)有吊裝施工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到提高作業(yè)精度、效率與安全性的目的。林光明等[10]運(yùn)用BIM技術(shù)模擬箱梁架設(shè)的施工過程，輔助管理人員進(jìn)行施工準(zhǔn)備、可視化技術(shù)交底與方案篩選，不僅預(yù)示了施工中的難點(diǎn)，還極大地提高了施工管理效率。王兵等[11]提出利用GPS-RTK技術(shù)與全站儀聯(lián)合作業(yè)的實(shí)時動態(tài)測量定位方法，對深水庫區(qū)疊門梁的吊裝施工進(jìn)行指揮，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)該方法不僅技術(shù)難度低、效率高，亞厘米級的誤差也滿足工程精度要求。周命端等[12]利用GNSS載波相位測量技術(shù)結(jié)合塔機(jī)的實(shí)際構(gòu)造提出了一種新型定點(diǎn)放樣方法，能在實(shí)際工程中對塔機(jī)吊鉤的位置進(jìn)行解算，使得吊裝作業(yè)達(dá)到厘米級精度。

目前，針對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋吊裝定位導(dǎo)航與可視化施工系統(tǒng)的研究成果還很少。隨著社會對橋梁建設(shè)提出的保交要求與安全要求進(jìn)一步提高，人力成本的不斷上升，可以預(yù)見智能化吊裝監(jiān)測系統(tǒng)會成為未來的一個研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

4 結(jié) 語

通過對橋梁施工控制理論進(jìn)行研究可知，為保證橋梁的施工質(zhì)量，通常需要利用多種計算方法預(yù)先進(jìn)行施工模擬分析，同時建立施工監(jiān)測系統(tǒng)并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對計算模型進(jìn)行修正，綜合評估橋梁的實(shí)際施工狀態(tài)后進(jìn)行調(diào)控。近些年，智能建造、智能監(jiān)測成為施工控制技術(shù)發(fā)展的重要方向。

箱梁在預(yù)制階段可針對施工控制要點(diǎn)采取相應(yīng)舉措進(jìn)行工藝優(yōu)化，通過對國內(nèi)外學(xué)者們最新研究成果的梳理可知，考慮實(shí)際施工中隨機(jī)性變動因素的預(yù)拱度計算理論是未來研究的一個重點(diǎn)。在箱梁安裝架設(shè)階段，選用適宜的施工機(jī)具與方案能有效提高施工效率，降低施工難度并節(jié)省成本，相應(yīng)的智能化吊裝定位監(jiān)測系統(tǒng)將會是未來的一個新興研究熱點(diǎn)。