無砟軌道客運(yùn)專線168 m連續(xù)剛構(gòu)施工

吳 榃,丁衛(wèi)林

(中鐵四局集團(tuán)有限公司,合肥 230023)

1 概述

對(duì)連續(xù)剛構(gòu),其成橋的混凝土梁線形和結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力與施工方法有著密切的關(guān)系,也就是說,不同的施工方法和工序會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力[1]。另一方面,由于各種因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度影響等)的隨機(jī)影響,由于在測(cè)量等方面產(chǎn)生的誤差,結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)值難以做到與實(shí)際測(cè)量值完全一致,兩者之間會(huì)存在偏差。尤其值得注意的是,某些偏差(如主梁的豎向撓度誤差)具有累積的特性。若對(duì)偏差不加以及時(shí)有效的調(diào)整,隨著梁的懸臂長(zhǎng)度的增加,主梁的高程會(huì)顯著偏離設(shè)計(jì)值,造成合龍困難或影響成橋的內(nèi)力和線形。特別是采用懸臂施工技術(shù)的大跨度橋梁,施工中的不合理誤差狀態(tài)如不能及時(shí)地加以識(shí)別和處理,主梁的應(yīng)力有可能發(fā)生積聚而超出設(shè)計(jì)安全狀態(tài)發(fā)生施工事故。施工控制的目的,就是根據(jù)實(shí)際的施工工序,以及現(xiàn)場(chǎng)獲取的參數(shù)和數(shù)據(jù),對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)理論分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算；對(duì)每一施工階段,根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果給出其主梁端的撓度(每階段施工梁段定位高程)等施工控制參數(shù),分析施工誤差狀態(tài),采用應(yīng)力預(yù)警體系對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行安全度評(píng)價(jià)和災(zāi)害預(yù)警；通過變形觀測(cè),對(duì)橋梁的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。這樣,才能保證結(jié)構(gòu)的受力和變形始終處于安全的范圍內(nèi)、成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形符合設(shè)計(jì)要求,保證無砟軌道鋪設(shè)滿足鋪設(shè)條件要求和無砟軌道高平順性的要求。

2 無砟軌道客運(yùn)專線大跨度連續(xù)剛構(gòu)施工控制

2.1 預(yù)測(cè)控制技術(shù)

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的施工控制可以歸結(jié)到控制問題,其每一環(huán)節(jié)(過程)的工作包括發(fā)布控制指令、量測(cè)誤差、誤差控制等,控制的目的就是通過誤差控制手段以最小的誤差實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的目標(biāo)。所以近20年來,通過引進(jìn)現(xiàn)代控制理論中的成果,形成了一些實(shí)用的施工控制方法。由于懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,其已經(jīng)施工完成節(jié)段的狀態(tài)(內(nèi)力,高程)已無法調(diào)整,只能對(duì)未施工節(jié)段的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)并控制修正,所以只能采用預(yù)測(cè)控制法對(duì)橋梁施工過程進(jìn)行控制。

所謂預(yù)測(cè)控制法,是指在全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達(dá)到的目標(biāo)后,對(duì)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)施工階段(節(jié)段)形成前后的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行。由于預(yù)測(cè)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間必然有誤差存在,某種誤差對(duì)施工目標(biāo)的影響在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測(cè)中予以考慮,如此循環(huán),直到施工完成和獲得與設(shè)計(jì)相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。預(yù)測(cè)控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 預(yù)測(cè)控制的基本結(jié)構(gòu)

2.2 施工控制體系

從信息論的觀點(diǎn)看,橋梁的施工控制過程是一個(gè)信息采集、信息分析處理和信息反饋的過程。通過實(shí)時(shí)測(cè)量體系和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試體系,可以采集到橋梁施工過程中所關(guān)心的各類數(shù)據(jù)信息。借助橋梁施工監(jiān)控、監(jiān)測(cè)的計(jì)算分析體系,對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析。尤其是對(duì)施工中各類結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)(如變形、內(nèi)力、應(yīng)力)的分析,可以對(duì)施工誤差做出評(píng)價(jià),并根據(jù)需要研究制定出精度控制和誤差調(diào)整的具體措施。最后以施工控制指令的形式為橋梁的施工提供指導(dǎo)信息。在施工控制計(jì)算和誤差分析中,通過對(duì)施工容許誤差度指標(biāo)數(shù)據(jù)體系、施工反饋數(shù)據(jù)(尤其是應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))、施工控制目標(biāo)值數(shù)據(jù)的分析確立施工狀態(tài)的應(yīng)力預(yù)警體系[3]。

同時(shí),為保障施工控制工作的保質(zhì)、保量、高效地完成,必須制定施工控制實(shí)施過程中設(shè)計(jì)、咨詢、施工及監(jiān)理相關(guān)各方的工作制度和組織制度,以保障在施工控制的日常工作中,信息傳遞的時(shí)效性、準(zhǔn)確性、可靠性和通暢性。

2.3 線形控制

無砟軌道客運(yùn)專線大跨度橋梁,由于設(shè)計(jì)速度高,軌道的平順性和穩(wěn)定性要求高,對(duì)線形控制的要求非常嚴(yán)格；而且與公路大跨度連續(xù)梁不同,在線形控制中需要考慮無砟軌道鋪設(shè)的要求,線形控制分成橋線形控制、工后線形監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

(1)成橋線形控制

成橋線形控制主要由管理主梁立模高程來實(shí)現(xiàn)。懸臂施工中,掛籃上澆筑主梁的底模高程的測(cè)量設(shè)置被認(rèn)為是主梁線形控制的最重要的決定因素之一,由于這一底模高程的測(cè)量設(shè)置工作需要全天候作業(yè),因此除了需要在理論計(jì)算上給出正確的符合實(shí)際的底模高程之外,在施工作業(yè)時(shí)的全天候的實(shí)時(shí)修正尤為重要,為了排除臨時(shí)荷載變化、日照溫差、掛籃剛度差別和已成梁段的施工誤差等因素對(duì)確定未澆梁段底模高程的影響,采用如下修正公式

式中，Δδi為未澆段底模前端實(shí)時(shí)修正量；δi為臨時(shí)荷載變化和日照溫差等的修正量；δg為掛籃的彈性變形修正量；δΔ為已成梁段的誤差修正量。

根據(jù)結(jié)構(gòu)變形的幾何關(guān)系容易導(dǎo)出δi

式中，δi-1為第i-1段梁的臨時(shí)荷載和日照溫差的豎向變位；δi-2為第i-2段梁的臨時(shí)荷載和日照溫差的豎向變位；li和li-1分別為第i-1段梁和第i-2段梁的長(zhǎng)度。δΔ為

式中，Δ為已成梁段的高程施工誤差。

根據(jù)以上分析,未澆梁段前端底模高程Hi為：

式中，Hsj為設(shè)計(jì)高程；Δe為未澆梁段前端的最終彈性變形值。

(2)線形監(jiān)測(cè)和評(píng)估

為了滿足無砟軌道客運(yùn)專線鐵路軌道高平順性、穩(wěn)定性的要求,在無砟軌道鋪設(shè)之前,需要對(duì)混凝土梁橋的工后線形進(jìn)行監(jiān)測(cè),并對(duì)變形進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。線形監(jiān)測(cè)從橋墩的承臺(tái)完成后開始,隨著施工的展開,按規(guī)定的頻次監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的沉降、徐變變形等,直到無砟軌道鋪設(shè)后并且線形穩(wěn)定才結(jié)束；橋面系二期恒載加載后,需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,當(dāng)變形滿足無砟軌道鋪設(shè)條件后才能鋪設(shè)無砟軌道,評(píng)估的方法為判斷梁體變形是否趨于穩(wěn)定。

3 武廣鐵路客運(yùn)專線西華海水道連續(xù)剛構(gòu)施工控制

3.1 工程概述

武廣鐵路客運(yùn)專線流溪河特大橋跨西華海水道的結(jié)構(gòu)為(94+168+94)m雙線無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬13.4 m,底寬8.5 m。頂板厚度45 cm,底板厚度由跨中的50 cm按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部的130 cm,中支點(diǎn)處加厚到180 cm。腹板厚度分別為50、70、100、150 cm,按折線變化。全聯(lián)在支點(diǎn)和每跨跨中處共設(shè)7道橫梁。梁中支點(diǎn)處梁高11 m,跨中2 m直線段及邊跨11 m直線段梁高為5.5 m,梁底下緣按半徑為570.114 m圓曲線變化。下部結(jié)構(gòu)采用圓端形雙壁墩,雙柱中心距8.0 m,凈間距5.5 m,墩身截面尺寸為11 m×2.5 m,其中288號(hào)墩墩高15.3 m、289號(hào)墩墩高22.3 m。施工采用懸臂節(jié)段澆筑施工,共有21節(jié)段,除零號(hào)塊外,最大節(jié)段質(zhì)量為692.7 t。

3.2 施工控制過程

本橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),主跨達(dá)到168 m跨徑,在設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的世界無砟軌道高速鐵路橋梁中是跨度最大的。由于客運(yùn)專線橋梁的剛度指標(biāo)很高,所以這類橋梁的大剛度、大梁高導(dǎo)致懸澆節(jié)段質(zhì)量大,而且連續(xù)剛構(gòu)橋梁缺乏調(diào)整已澆筑節(jié)段線形的手段,施工控制的難度較大。本橋施工控制采用預(yù)測(cè)控制方法,通過對(duì)施工過程的高程和內(nèi)力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行識(shí)別,找出產(chǎn)生偏差的原因,從而對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正,進(jìn)而動(dòng)態(tài)修正下一施工節(jié)段的立模高程。這種方法的重點(diǎn)在于對(duì)影響結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的識(shí)別上,在每一荷載工況(澆筑混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力、掛籃前移等)都要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的線形和應(yīng)力狀況,及時(shí)對(duì)產(chǎn)生偏差的主要參數(shù)進(jìn)行修正。施工中必須嚴(yán)格按照確定的施工步驟進(jìn)行施工,否則由于施工過程不可逆,將導(dǎo)致不可調(diào)整的線形的偏差。施工監(jiān)控工作的要點(diǎn)如下。

(1)線形誤差：允許誤差為±20 mm[4]。

(2)線形監(jiān)控：由于該橋梁體比較高,采用了箱梁頂?shù)装逋瑫r(shí)設(shè)置高程測(cè)點(diǎn)的測(cè)量體系,節(jié)段施工開始時(shí)同時(shí)測(cè)量頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)的高程,確定兩測(cè)點(diǎn)間的高差,以后只測(cè)量頂板高程即可精確換算出底板高程。在每節(jié)段施工中的每一荷載工況下都進(jìn)行高程測(cè)量,并與該工況的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,確定誤差和分析誤差來源。

(3)應(yīng)力監(jiān)控：應(yīng)力監(jiān)控的目的是保證橋梁在整個(gè)施工過程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位的應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)并符合設(shè)計(jì)要求,從而保證橋梁施工過程中的安全。通過計(jì)算選取最不利的墩頂兩側(cè)、跨中及1/4跨斷面為應(yīng)力測(cè)試斷面,在每個(gè)施工階段中的荷載工況都進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè),并將測(cè)試值與當(dāng)前工況的計(jì)算分析值對(duì)比,如果應(yīng)力異常,及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

3.3 線形監(jiān)測(cè)實(shí)施

承臺(tái)施工完成后在承臺(tái)的4個(gè)角設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)基礎(chǔ)的沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)墩身完工后將測(cè)點(diǎn)移至墩身兩側(cè),對(duì)梁體及橋面系施工過程的基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),在橋面系完工后在梁部的墩頂、1/4跨及跨中斷面上設(shè)置梁體變形觀測(cè)點(diǎn),對(duì)梁體的線形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)頻率為荷載變化前后各1次或每周1次,觀測(cè)期為施工全過程；梁體線形監(jiān)測(cè)頻率在無砟軌道鋪設(shè)前后不同,無砟軌道鋪設(shè)前為橋面荷載變化前后各1次、荷載穩(wěn)定期為每周1次,觀測(cè)期大于2個(gè)月,無砟軌道鋪設(shè)后為每月1次。

3.4 施工控制成果

由于篇幅所限,文中只摘錄了大橋合龍并張拉合龍鋼束之后的施工監(jiān)控成果數(shù)據(jù)和中跨線形監(jiān)測(cè)分析結(jié)果。

(1)應(yīng)力控制(表1)

表1 中跨合龍段施工完畢應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) MPa

(2)線形控制(圖2、圖3)

圖2 中跨合龍張拉預(yù)應(yīng)力后288號(hào)墩節(jié)塊高程誤差

圖3 中跨合龍張拉預(yù)應(yīng)力后289號(hào)墩節(jié)塊高程誤差

(3)線形監(jiān)測(cè)(圖4)

圖4 中跨跨中與各斷面變形差

4 結(jié)論

(1)客運(yùn)專線大跨度剛構(gòu)橋施工控制由于控制精度要求較高,需要參與工程各方共同建立一套施工控制組織體系,施工控制各方密切協(xié)作,才能保障施工控制工作的有效執(zhí)行。

(2)在武廣鐵路客運(yùn)專線溪河特大橋中跨越西華海水道168 m剛構(gòu)橋的施工控制中采用預(yù)測(cè)控制技術(shù),達(dá)到了預(yù)期效果,證明這套技術(shù)與施工過程密切結(jié)合,能夠適用于類似橋梁的施工控制。

(3)在武廣鐵路客運(yùn)專線溪河特大橋中跨越西華海水道168 m剛構(gòu)橋的施工控制成果顯示：結(jié)構(gòu)變形和高程正常,應(yīng)力水平正常,沒有出現(xiàn)異常情況,合龍口高程誤差在5 mm以內(nèi),梁體高程誤差控制在規(guī)定值內(nèi),成橋線形與控制目標(biāo)吻合良好。梁體工后變形監(jiān)測(cè)方法可靠,觀測(cè)結(jié)果顯示，合龍后3個(gè)月可達(dá)到無砟軌道鋪設(shè)的條件要求。

[1] 范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京：人民交通出版社,1988.

[2] 王照林.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1981.

[3] 向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 鐵建設(shè)[2005]160號(hào),客運(yùn)專線鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].