鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工測(cè)控技術(shù)

吳桐WU Tong；孫仔明SUN Zi-ming

（中鐵大橋局第七工程有限公司，武漢 430050）

0 引言

鋼-混組合梁結(jié)合了鋼材和混凝土的優(yōu)勢(shì)，因此具有自重輕、強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。鋼梁可在工廠預(yù)制，實(shí)現(xiàn)裝配化快速施工，在城市橋梁領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也是推廣工藝之一。在我國(guó)斜拉橋由于跨越能力大，廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)雙懸臂施工時(shí)，采用斜拉平衡結(jié)構(gòu)體系可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的臨時(shí)支墩來(lái)抵抗不平衡荷載[2]。頂推施工技術(shù)具有安全、快速、干擾小的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)應(yīng)用較為廣泛[3]。將斜拉平衡體系和鋼-混組合梁頂推施工相結(jié)合可以很好解決常規(guī)的頂推法進(jìn)行變高截面鋼箱梁跨越施工時(shí)，大懸臂主梁剛度小、變形大的問(wèn)題[4]，此方法在我國(guó)為首次應(yīng)用。在鋼-混組合梁架設(shè)施工中，由于鋼梁頂面寬度窄，高空測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)極高，需要實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式測(cè)量，而常規(guī)反射片又無(wú)法滿足高精度控制要求；在支架搭設(shè)、鋼梁及塔架安裝、頂推施工過(guò)程中要使用不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，測(cè)量流程繁瑣，鋼梁線形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比困難。本文以白沙洲大道快速化改造工程項(xiàng)目為背景，提出使用磁力棱鏡[5]代替反射片進(jìn)行全過(guò)程無(wú)接觸式測(cè)量。參考國(guó)內(nèi)類似橋梁中塔梁同步施工測(cè)量、鋼梁安裝等施工經(jīng)驗(yàn)[6，7，8]，通過(guò)優(yōu)化坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)解決頂推施工中數(shù)據(jù)對(duì)比繁瑣、無(wú)法直觀進(jìn)行表達(dá)的難題。

1 工程概況

白沙洲大道快速化改造工程位于武漢市洪山區(qū)青菱地區(qū)，其中高架約2459.66m。主線橋第九聯(lián)跨三環(huán)線為38m+61.5m+38m 變高截面鋼-混組合梁，57°斜交上跨武漢三環(huán)線。本聯(lián)工字鋼梁腹板高度由梁端的1.7m 采用圓曲線變化至中橫梁處的3.7m，再由圓曲線變化至中跨跨中為2.1m。鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 第9 聯(lián)鋼混組合梁結(jié)構(gòu)示意圖

本項(xiàng)目跨線施工采用工字鋼梁分節(jié)段異位吊裝、雙向頂推施工方案，在邊跨搭設(shè)兩孔支架，滿足邊跨及中跨的一半的鋼梁在支架上進(jìn)行拼裝。在主梁BZ29#、BZ30#墩墩頂設(shè)置塔架，如圖2 所示采用“塔架+斜拉索”方式對(duì)跨中懸臂部分進(jìn)行斜拉，保證跨中鋼梁合龍口的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，確保鋼-混組合梁的成橋線型質(zhì)量。

圖2 斜拉平衡體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工測(cè)量控制流程

根據(jù)第九聯(lián)鋼梁頂推施工專項(xiàng)方案，對(duì)過(guò)程中測(cè)量控制流程進(jìn)行梳理，測(cè)量控制流程如圖3 所示。

圖3 斜拉平衡體系頂推施工測(cè)量控制流程圖

3 鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工主要測(cè)量控制方法

3.1 建立加密控制網(wǎng)

在三環(huán)周邊匝道上埋設(shè)地標(biāo)點(diǎn)，地標(biāo)點(diǎn)使用GPS 靜態(tài)測(cè)量及水準(zhǔn)測(cè)量與主網(wǎng)相連接；在現(xiàn)有三環(huán)線主橋及匝道橋墩柱頂部黏貼磁力棱鏡作為支架施工及鋼梁架設(shè)控制點(diǎn)，采用精密導(dǎo)線及三角高程的方式觀測(cè)地標(biāo)點(diǎn)對(duì)加密點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

3.2 建立頂推坐標(biāo)系統(tǒng)

3.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)建立

鋼梁及塔架在頂推過(guò)程中是沿滑道梁成直線頂進(jìn)，頂推時(shí)方位角保持不變，頂推行進(jìn)距離為27.98m。在頂推過(guò)程中，鋼梁及塔架相對(duì)位置關(guān)系保持不變。鑒于此情況，我們可以以頂推方向?yàn)樽鴺?biāo)縱軸（X 軸）方向，中橫梁線路中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直于頂推方向指向坐標(biāo)系右側(cè)的為橫軸（Y 軸），鋼梁及塔架在此坐標(biāo)系進(jìn)行頂推時(shí)，僅坐標(biāo)縱軸X 值發(fā)生變化，橫軸Y 值理論上保持不變。由于是雙向頂推施工，在建立頂推坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，以三環(huán)線大小里程1～6 節(jié)段及7～12 節(jié)段分別建立頂推坐標(biāo)系統(tǒng)，頂推方位角相差180°。此坐標(biāo)系統(tǒng)可以在頂推施工中全過(guò)程進(jìn)行使用，在使用前要進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

3.2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前，根據(jù)拼裝及頂推支架設(shè)計(jì)圖紙、鋼梁平面布圖及主梁分段圖計(jì)算支架及滑道梁、各節(jié)段鋼梁端點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中平面位置坐標(biāo)[9]。在根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式求得拼裝及頂推支架、鋼梁在頂推坐標(biāo)系統(tǒng)中各點(diǎn)位坐標(biāo)。此時(shí)計(jì)算坐標(biāo)為頂推后鋼梁成橋狀態(tài)下設(shè)計(jì)坐標(biāo)，如果需要計(jì)算頂推前鋼梁拼裝坐標(biāo)，僅需將各點(diǎn)位坐標(biāo)X 值減去頂推距離27.98m 即可。

鋼梁高程計(jì)算時(shí)，根據(jù)鋼梁分段里程，首先計(jì)算各里程位置橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高，在考慮各結(jié)構(gòu)層厚度及橫坡分別計(jì)算各節(jié)段鋼梁梁頂及梁底標(biāo)高。為了滿足頂推施工及設(shè)計(jì)要求，鋼梁拼裝時(shí)高程較設(shè)計(jì)值整體抬高20cm，最終計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼梁架設(shè)坐標(biāo)及高程計(jì)算一覽表

3.3 鋼梁架設(shè)測(cè)量

鋼梁拼裝前要對(duì)調(diào)節(jié)管位置進(jìn)行放樣，在放樣調(diào)節(jié)管時(shí)，要實(shí)測(cè)分配梁頂高度，通過(guò)實(shí)測(cè)里程來(lái)反算此處梁底標(biāo)高，再計(jì)算調(diào)節(jié)管高度，調(diào)節(jié)管高度在1～3m 范圍內(nèi)。梁底標(biāo)高計(jì)算時(shí)要考慮預(yù)拱度、超高段、變截面梁高等影響。

鋼梁吊裝前，在地面上進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)布置，如圖4 所示將磁力棱鏡黏貼至鋼梁腹板上下方，并量取磁力棱鏡至鋼梁頂板及底板距離，黏貼時(shí)保證磁力棱鏡中心與腹板中心線一致。拼裝時(shí)，使用頂推坐標(biāo)系統(tǒng)，X 值控制鋼梁縱向位置，Y 值控制鋼梁軸線偏位，通過(guò)上下磁力棱鏡Y 值差值，來(lái)確定鋼梁垂直度，通過(guò)測(cè)量得到的實(shí)際高程+量取距離來(lái)確定梁頂（底）標(biāo)高。

圖4 鋼梁拼裝觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

中跨合龍段吊裝定位，由于第九聯(lián)頂推施工為無(wú)配切主動(dòng)合龍，未設(shè)置合龍段，則第6 節(jié)段及7 節(jié)段合龍口拼裝精度要進(jìn)行嚴(yán)格控制。按照吊裝順序，先進(jìn)行第6 節(jié)段鋼梁吊裝，吊裝過(guò)程中主要控制6 節(jié)段鋼梁合龍口里程、軸線偏位及高程偏差，在6 節(jié)段11 片鋼梁吊裝完成后，根據(jù)6 節(jié)段鋼梁合龍口竣工數(shù)據(jù)，調(diào)整7 節(jié)段鋼梁架梁數(shù)據(jù)，保證合龍口相對(duì)偏差＜10mm。

后續(xù)梁段拼裝時(shí)，在前段鋼梁驗(yàn)收合格后，后段鋼梁僅前端進(jìn)行磁力棱鏡黏貼，鋼梁后端直接與已吊裝好的梁段進(jìn)行連接并焊接固定，前端則采用全站儀測(cè)量磁力棱鏡來(lái)確定鋼梁位置，在調(diào)整完畢后進(jìn)行臨時(shí)碼板固定，并報(bào)第三方監(jiān)控單位驗(yàn)收。在使用磁力棱鏡及頂推坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)鋼梁安裝測(cè)量進(jìn)行控制后，鋼梁安裝平面位置及高程實(shí)測(cè)值均小于規(guī)范要求[10]（平面位置±10mm，高程偏差±10mm）。

3.4 鋼梁及塔架軸線及高程線形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及觀測(cè)

在鋼梁及塔架安裝完畢后，通過(guò)拉索使鋼梁及塔架形成斜拉平衡體系，在布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)全過(guò)程無(wú)接觸測(cè)量并保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置固定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用沖釘在鋼梁頂面打上樣沖點(diǎn)并將磁力棱鏡黏貼在樣充點(diǎn)上，然后使用油漆進(jìn)行標(biāo)記，如圖5 所示監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在每片鋼梁節(jié)段連接處。塔架則在頂端及低端各布置一對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖5 鋼梁及塔架監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

鋼梁線形觀測(cè)時(shí)，使用全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，此時(shí)觀測(cè)坐標(biāo)系為頂推坐標(biāo)系統(tǒng)。在鋼梁頂推施工中有以下工況需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)：①鋼梁整體拼裝完成后，采集鋼梁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始值；②調(diào)節(jié)管割除后，觀測(cè)鋼梁前后端及各節(jié)段下?lián)现凳欠駨?fù)核設(shè)計(jì)要求；③鋼梁頂推過(guò)程中，通過(guò)觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋鋼梁及塔架偏位情況；④鋼梁頂推完成后，架設(shè)邊跨合龍段，觀測(cè)鋼梁整體線形及位置偏差；⑤橋面板澆筑完成后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，觀測(cè)鋼梁平面位置及高程是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推監(jiān)測(cè)方法概述

鋼梁及塔架在形成斜拉平衡體系后，理論上在頂推坐標(biāo)系統(tǒng)中頂推時(shí)，鋼梁及塔架相對(duì)位置及軸線偏位保持不變。由于頂推支架中滑道梁設(shè)計(jì)時(shí)在同一高程面上，則頂推時(shí)鋼梁及塔架相對(duì)位置高程也保持不變?；诖饲闆r下，頂推施工中，我們選擇通過(guò)觀測(cè)塔架兩側(cè)上下方監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)反饋塔架的垂直度偏差；觀測(cè)鋼梁兩側(cè)前后端監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)反饋鋼梁變形狀態(tài)。

鋼梁及塔架同步頂推過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有鋼梁行進(jìn)距離、軸線偏位、高程偏位及塔架垂直度等，根據(jù)施工模擬，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在頂推坐標(biāo)系統(tǒng)中各頂推階段差值（監(jiān)測(cè)值-初始值）進(jìn)行反饋。

3.5.1 鋼梁行進(jìn)距離反饋

在頂推過(guò)程中，頂推前進(jìn)方向即頂推坐標(biāo)系統(tǒng)縱軸方向，監(jiān)測(cè)時(shí)，任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)X 值減去初始值差值即為頂推前進(jìn)距離。例如鋼梁前進(jìn)1m 后，任意監(jiān)測(cè)點(diǎn)X 值應(yīng)較初始值增加1m。當(dāng)左右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)X 值差值不一致時(shí)，則表明兩邊頂推速率不一致，差值較大的那一側(cè)頂推過(guò)快，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.5.2 鋼梁軸線位置反饋

在分析鋼梁軸線偏位情況時(shí)，可針對(duì)鋼梁左右側(cè)及前后端各監(jiān)測(cè)點(diǎn)X、Y 值變化進(jìn)行同步對(duì)比。當(dāng)左右側(cè)頂推速率不一致時(shí)，會(huì)造成鋼梁軸線出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)偏位，如果此時(shí)鋼梁右側(cè)頂推過(guò)快，鋼梁前端會(huì)向左側(cè)扭轉(zhuǎn)，則右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)X 值差值＞左側(cè)X 值差值，鋼梁前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)Y 值差值為負(fù)，后端Y 值差值為正。當(dāng)鋼梁軸線出現(xiàn)整體偏位時(shí)，則左右側(cè)X 差值相同，鋼梁前后端Y 值則同為正（鋼梁整體向右側(cè)偏移）或同為負(fù)（鋼梁整體向左側(cè)偏移）。

3.5.3 鋼梁高程偏差反饋

在頂推過(guò)程中，鋼梁前端成懸臂狀態(tài)，為防止鋼梁前端出現(xiàn)傾覆，要對(duì)鋼梁高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)通過(guò)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z 值差值來(lái)進(jìn)行反饋。當(dāng)鋼梁有傾覆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，此時(shí)鋼梁前端Z 值差值為負(fù)，后端Z 值差值為正；此時(shí)還應(yīng)同步對(duì)支架沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z 值差值同為負(fù)時(shí)，則支架可能出現(xiàn)沉降。當(dāng)左右監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z 值差值一正一負(fù)時(shí)，鋼梁向負(fù)值側(cè)傾斜。

3.5.4 塔架監(jiān)測(cè)

塔架監(jiān)測(cè)主要方法同鋼梁監(jiān)測(cè)方法類似，通過(guò)觀測(cè)塔架上下監(jiān)測(cè)點(diǎn)X 值差值，則可以反饋出塔架垂直度狀態(tài)，同時(shí)塔架垂直度變化可以與鋼梁高差偏差變化進(jìn)行同步對(duì)比。當(dāng)鋼梁有傾覆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，塔架垂直度也會(huì)向傾覆方向發(fā)生變化。

3.6 鋼混組合梁頂推施工合龍測(cè)量

鋼梁頂推至設(shè)計(jì)位置前20cm 后停止頂推，對(duì)6#節(jié)段、7#節(jié)段合龍口進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，主要觀測(cè)鋼梁高程、軸線與設(shè)計(jì)位置偏差及相對(duì)偏差。由于未設(shè)置合龍段，鋼梁合龍口相對(duì)位置偏差應(yīng)滿足規(guī)范要求≤10mm。通過(guò)持續(xù)觀測(cè)進(jìn)行鋼梁溫度敏感度分析，選擇夜間溫度穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行合龍作業(yè)。合龍前，通過(guò)斜拉索及三向千斤頂對(duì)鋼梁合龍口高程及軸線進(jìn)行調(diào)整，直至滿足要求后報(bào)第三方監(jiān)控單位驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行合龍作業(yè)。如表2 所示合龍精度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

表2 鋼混組合梁合龍后竣工統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

在鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工過(guò)程中，通過(guò)建立了以中橫梁線路中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以頂推方向?yàn)榭v軸方向的頂推坐標(biāo)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了支架搭設(shè)及鋼梁安裝時(shí)測(cè)量指令傳達(dá)，方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員快速找準(zhǔn)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。在頂推坐標(biāo)系統(tǒng)中，鋼梁及塔架頂推前后橫坐標(biāo)保持不變，縱坐標(biāo)變化則可以快速反應(yīng)出鋼梁前進(jìn)距離，橫坐標(biāo)對(duì)比則可以反應(yīng)鋼梁軸線偏位，坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比過(guò)程簡(jiǎn)單、明了，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的持續(xù)觀測(cè)，可以清晰的反饋出鋼梁及塔架在各工況下線形變化情況。在使用磁力棱鏡作為后視點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程無(wú)接觸式測(cè)量定位，且磁力棱鏡安拆方便，不破壞鋼梁結(jié)構(gòu)，較反射片精度也大為提高，全橋鋼梁安裝精度及合龍精度均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工在我國(guó)也是首次應(yīng)用，其測(cè)量控制方法可操作性強(qiáng)，測(cè)量控制精度高，能顯著提高頂推施工過(guò)程中鋼梁架設(shè)及過(guò)程監(jiān)測(cè)測(cè)量效率，也可以為類似橋梁工程施工測(cè)量提供參考和借鑒。