基于墩梁臨時(shí)固結(jié)應(yīng)力差的鐵路轉(zhuǎn)體連續(xù)梁平衡控制

梁超LIANG Chao

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

大跨度連續(xù)梁是鐵路橋梁類型中跨越一般性障礙物的首選結(jié)構(gòu)形式，跨度組合也比較容易設(shè)計(jì)為通圖。通常情況下，從掛籃懸臂灌注施工穩(wěn)定性及平衡控制角度出發(fā)，一般除采用墩柱頂位置的墩梁臨時(shí)固結(jié)措施（后期體系轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行鑿出）外，輔助在承臺(tái)位置上方設(shè)置鋼管柱的體外固結(jié)措施，構(gòu)成雙保險(xiǎn)，保證大懸臂狀態(tài)即使出現(xiàn)掛籃跌落等最不利工況時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)可依然保持安全穩(wěn)定。但對(duì)于臨水、臨溝等高墩大跨度連續(xù)梁而言，由于地理位置及墩柱較高等原因限制，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有辦法設(shè)置體外固結(jié)措施，為此該類型橋梁施工過(guò)程中的不平衡控制策略較一般性結(jié)構(gòu)更為重要，值得建設(shè)者們特別關(guān)注。本文提出除加強(qiáng)結(jié)構(gòu)檢算及臨時(shí)結(jié)構(gòu)控制外，可有效利用懸臂根部應(yīng)力及墩梁臨時(shí)固結(jié)應(yīng)力差識(shí)別方法，運(yùn)用施工全過(guò)程主動(dòng)控制思維，對(duì)各節(jié)段存在的不平衡狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別和調(diào)節(jié)，確保施工安全。

1 施工過(guò)程不對(duì)稱荷載因素分析

為了進(jìn)一步做好懸臂灌注施工的平衡狀態(tài)，需要在保證節(jié)段對(duì)稱澆筑、張拉和掛籃同步前移的基礎(chǔ)上，做好不平衡因素分析。

結(jié)合橋梁施工實(shí)際，不平衡因素主要來(lái)源于混凝土方量的偏差、預(yù)應(yīng)力張拉差異及橋面臨時(shí)荷載堆放等，同時(shí)隨著懸臂的增長(zhǎng)，不平衡因素導(dǎo)致的不平衡力矩越大。

結(jié)合多座鐵路連續(xù)梁現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以得出以下需要重點(diǎn)關(guān)注的施工過(guò)程及參數(shù)偏差控制若干方面：

①混凝土的容重控制。很多時(shí)候，我們經(jīng)常忽略了混凝土容重的重要性，往往更多關(guān)注混凝土的和易性、振搗狀態(tài)及塌落度指標(biāo)等，但是容重是等體積重量偏差的關(guān)鍵性因素；②混凝土的收面控制。在節(jié)段施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注底模位置是否控制合理，混凝土厚度是否會(huì)忽高忽低，頂板位置的收面是否嚴(yán)格遵守監(jiān)控單位的標(biāo)記控制；③節(jié)段前端位置的臨時(shí)堆載。從施工方便的角度出發(fā)，節(jié)段施工時(shí)往往在前端堆放有大量的鋼筋、方木等臨時(shí)性荷載，也是造成偏載的一個(gè)重要原因。

由于進(jìn)行了墩梁臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)，為此鐵路連續(xù)梁在掛籃節(jié)段懸臂澆筑施工過(guò)程中，是一個(gè)典型的不斷增長(zhǎng)的懸臂結(jié)構(gòu)體系，從理論計(jì)算及有限元仿真分析可知：箱梁懸臂根部的應(yīng)力狀態(tài)、墩梁臨時(shí)固結(jié)的應(yīng)力差是縱向不對(duì)稱荷載存在響應(yīng)的敏感性控制參數(shù)。

2 施工過(guò)程平衡控制思路

2.1 箱梁懸臂根部上緣應(yīng)力控制

運(yùn)用Midas civil 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及施工工序安排，進(jìn)行受力分析，得到施工工況下箱梁懸臂根部上緣的應(yīng)力理論值。（圖1）

通過(guò)施工過(guò)程中的控制斷面劃分，在有限元軟件中提取圖2 中懸臂根部上緣的應(yīng)力值。

圖2 施工過(guò)程控制應(yīng)力測(cè)試斷面控制值

圖3 墩梁臨時(shí)固結(jié)預(yù)埋監(jiān)測(cè)元器件

2.2 墩梁臨時(shí)固結(jié)應(yīng)力控制

2.2.1 墩梁臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)

一般情況下，順著橋梁施工方向，在墩梁位置的大小里程均設(shè)置2 個(gè)臨時(shí)固結(jié)措施構(gòu)造，全橋共計(jì)4 個(gè)，利用混凝土的抗壓性能及精軋螺紋鋼的抗拉性能，承受不對(duì)稱荷載荷載。

在施工方案的編寫及逐級(jí)審核過(guò)程中，均需要委托具有資質(zhì)的第三方對(duì)設(shè)計(jì)文件中墩梁固結(jié)構(gòu)造進(jìn)行檢算，確保在正常使用及最不利施工工況下的結(jié)構(gòu)滿足要求。

本文提出不僅需要滿足正常的檢算要求，還充分利用兩側(cè)的數(shù)值偏差進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，進(jìn)行構(gòu)建動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。

2.2.2 監(jiān)測(cè)元器件布設(shè)思路

墩梁臨時(shí)固結(jié)的措施一般分布在永久支座的四周，在墩中施工到墩頂前預(yù)埋伸入0#塊的精軋螺紋鋼，然后進(jìn)行混凝土澆筑。

在墩梁臨時(shí)固結(jié)施工過(guò)程中，順著橋梁施工的方向，沿著豎向每個(gè)墩梁臨時(shí)固結(jié)措施布設(shè)一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)元器件，并讀取初始值。

為了保證懸臂施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)線做好充分的保護(hù)措施。

3 偏差識(shí)別模型及控制策略

3.1 構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1.1 模塊安裝

①首先將傳感器的線用分線鉗減至合適長(zhǎng)度（保證線能穿進(jìn)模塊里面）。然后將線用分線鉗剝?nèi)プ钔鈱拥慕^緣層露出紅黃藍(lán)綠四根分線加上一根銀色的屏蔽線，再將紅黃藍(lán)綠四根分線剝?nèi)ズ线m長(zhǎng)度的外層絕緣層（不宜過(guò)長(zhǎng)，為后續(xù)接入模塊做準(zhǔn)備）。②模塊與傳感器連接，先用啟子將線路ABCD 上面的四顆螺絲松開(kāi)，再將銀色的屏蔽線應(yīng)與紅線相纏繞，然后將紅、黃、藍(lán)、綠四根分線分別對(duì)應(yīng)插入ABCD 四個(gè)槽中，最后用啟子將四顆螺絲擰緊。剩下的線按照上述方法逐一安裝。模塊安裝后如圖4 所示。

圖4 模塊安裝示意圖

3.1.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集

應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集傳輸、分析是動(dòng)態(tài)判斷不對(duì)稱荷載存在的直觀控制性系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線傳輸理念，構(gòu)建控制部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在施工過(guò)程中對(duì)傳感器的應(yīng)力（應(yīng)變）值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 偏差識(shí)別模型及控制思路

針對(duì)不同跨度的鐵路連續(xù)梁，首先進(jìn)行全橋的數(shù)值仿真分析，對(duì)箱梁懸臂根部上緣的壓應(yīng)力水平進(jìn)行計(jì)算，確保在各個(gè)工況下處在可控狀態(tài)內(nèi)。

①首先通過(guò)箱梁上緣的壓應(yīng)力偏差進(jìn)行分析，一方面可識(shí)別縱向預(yù)應(yīng)力張拉的效果及對(duì)稱性，同時(shí)根據(jù)大小里程的數(shù)值偏差，初步判斷不對(duì)稱荷載存在的方向；②利用墩梁臨時(shí)固結(jié)位置的壓應(yīng)力偏差值作為敏感性參數(shù)，構(gòu)建不對(duì)稱荷載的定量分析模型，一般將偏差控制在1MPa 以內(nèi)；③通過(guò)有限元數(shù)值仿真分析模型可知，當(dāng)大小里程位置的墩梁臨時(shí)固結(jié)偏差在1MPa 以內(nèi)時(shí)，可保證箱梁懸臂根部上緣的應(yīng)力變化不顯著，說(shuō)明由于臨時(shí)荷載、混凝土質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡力矩相對(duì)較小，結(jié)果受力較為合理。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

新建鐵路宜昌至鄭萬(wàn)高鐵聯(lián)絡(luò)線自漢宜鐵路宜昌東站引出，向西延伸接入鄭萬(wàn)鐵路興山站，正線全長(zhǎng)109.38公里。設(shè)計(jì)為雙線高速鐵路，設(shè)計(jì)速度350 公里/小時(shí)，該項(xiàng)目建成后，將與鄭萬(wàn)鐵路萬(wàn)州至興山段共同形成川渝地區(qū)東向高鐵新通道，連通既有滬漢蓉鐵路和新建的鄭州至萬(wàn)州高鐵，形成湖北省新的沿江高速鐵路通道。

城東特大橋（41+76+41）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁全長(zhǎng)為159.5m，在鴉宜線及K1 線兩側(cè)設(shè)T 構(gòu)，分別轉(zhuǎn)體就位，跨中合龍。中跨跨越東艷路、鴉宜線、客車車底取送線。東艷路寬度為32m，交叉角度為57°，鴉宜線、客車車底取送線交叉角度為61°；T 構(gòu)采用墩底轉(zhuǎn)體法施工，均位于R=400m 的圓曲線上。橋面設(shè)2%橫坡。9#墩順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°就位，10#墩順時(shí)針旋轉(zhuǎn)55°就位。

4.2 設(shè)計(jì)臨時(shí)固結(jié)措施

臨時(shí)支座設(shè)置在橋梁永久支座的外側(cè)墩帽邊緣處，條形布置，每座墩頂布置四條。每條平面寬度150cm、長(zhǎng)度220cm，從墩頂至梁底全高。臨時(shí)支座采用C50 混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010），其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為22.4MPa。

墩梁臨時(shí)固結(jié)抗傾覆錨固采用HRB400 鋼筋錨栓，鋼筋直徑為Φ32mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度[σ]=400MPa。每座橋墩合計(jì)布置404 根錨固鋼筋，布置在對(duì)應(yīng)于箱梁腹板處，使其既能承受上部豎向壓力，又能承受不平衡傾覆彎矩。

施工時(shí)保證Φ32 螺紋鋼深入梁體內(nèi)長(zhǎng)度不小于1.1m，深入墩身長(zhǎng)度不小于1.2cm，每根精軋螺紋長(zhǎng)度不短于3.5m。抗傾覆錨固鋼筋布置位置如圖5 所示。

圖5 墩梁臨時(shí)固結(jié)抗傾覆錨固鋼筋平面位置布置圖

4.3 平衡控制要求及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

因地形地勢(shì)限制，橋梁主墩的臨時(shí)固結(jié)無(wú)法采用體外臨時(shí)支墩措施，僅按照設(shè)計(jì)文件采用墩梁臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造，在施工過(guò)程中需嚴(yán)格控制不平衡力矩，一方面保證梁體的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

從施工角度出發(fā)，無(wú)體外固結(jié)措施的懸臂施工，增加了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)不對(duì)稱荷載的控制要求更為嚴(yán)格，同時(shí)也需要構(gòu)建智慧監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，保證施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)可控。

4.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最大懸臂工況時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。根據(jù)墩梁臨時(shí)固結(jié)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：施工過(guò)程中將大小里程位置處的應(yīng)力差控制在0.2-0.8MPa以內(nèi)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)箱梁根部上緣的應(yīng)力狀態(tài)，變化不顯著，基本在0.5MPa 以下，控制效果較為理想。

圖6 應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)墩梁臨時(shí)固結(jié)的理論分析及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：①對(duì)于無(wú)體外固結(jié)的鐵路轉(zhuǎn)體連續(xù)梁而言，通過(guò)墩梁臨時(shí)固結(jié)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)進(jìn)而控制不平衡力矩對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，是具有十分必要的意義；②通過(guò)將大小里程的應(yīng)力差控制在1MPa 以內(nèi)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生不平衡力矩的施工因素，可有效保證結(jié)構(gòu)大懸臂施工的受力合理和結(jié)構(gòu)安全，特別是轉(zhuǎn)體過(guò)程中的穩(wěn)定性；③基于墩梁臨時(shí)固結(jié)應(yīng)力差法的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)運(yùn)用于箱梁懸臂根部應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力張拉效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。