短線法節(jié)段梁預(yù)制拼裝過(guò)程控制技術(shù)研究

解兵林，余曉琳，胡雨，賈布裕，陳宇軒

短線法節(jié)段梁預(yù)制拼裝過(guò)程控制技術(shù)研究

解兵林1，余曉琳1，胡雨2，賈布裕1，陳宇軒1

(1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 珠海洪鶴大橋有限公司，廣東 珠海 519000）

針對(duì)橋梁短線法節(jié)段梁預(yù)制及拼裝復(fù)雜施工過(guò)程的高精度控制問(wèn)題，研究節(jié)段梁的施工理論線形、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及匹配節(jié)段定位、預(yù)制誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，提出節(jié)段拼裝線形偏差預(yù)測(cè)直接法、斜率法及其可視化方法，以及提高首塊節(jié)段安裝精度和多種指導(dǎo)施工的糾偏措施。以某跨海大橋引橋?yàn)閷?shí)際工程背景，對(duì)其節(jié)段梁預(yù)制及拼裝全過(guò)程進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算模擬，分析計(jì)算節(jié)段梁預(yù)制和拼裝線形的主要影響因素?；贛ATLAB自主研發(fā)的短線節(jié)段預(yù)制拼裝(SL-P&A)控制系統(tǒng)對(duì)其施工全過(guò)程進(jìn)行控制。通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，本文提出的短線法節(jié)段梁預(yù)制拼裝過(guò)程控制技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)段梁預(yù)制線形與拼裝線形的控制，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程中預(yù)制階段與拼裝階段的銜接以及施工數(shù)據(jù)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的互通，大大加強(qiáng)了數(shù)據(jù)管理的便利性以及線形控制的實(shí)時(shí)可視化。

短線法；預(yù)制拼裝；誤差調(diào)整；線形控制

國(guó)家《交通運(yùn)輸科技“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確將“工廠化制造、裝配式施工和整體化受力的中小跨徑橋梁”列入基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)方向。其中橋梁短線法[1]施工技術(shù)具有構(gòu)件制造工廠化、結(jié)構(gòu)裝配化、施工機(jī)械化、對(duì)環(huán)境和交通狀況影響小等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為預(yù)應(yīng)力橋梁主要施工方法之一。該方法是將主梁沿縱向劃分為若干短節(jié)段進(jìn)行匹配預(yù)制，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝。其節(jié)段梁預(yù)制階段是在預(yù)制臺(tái)座的固定模板系統(tǒng)內(nèi)以固定鋼模板(固定端模)為基準(zhǔn)，每次精確調(diào)整已預(yù)制完成的前一節(jié)段(匹配節(jié)段)的空間位置，確保與待澆筑節(jié)段之間的相對(duì)空間位置關(guān)系(匹配關(guān)系)，進(jìn)行逐榀匹配、循環(huán)往復(fù)預(yù)制施工；其節(jié)段梁拼裝階段通常按懸臂平衡法或整孔架設(shè)法，利用架橋機(jī)起重拼裝系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)段梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工。短線法施工橋梁成橋線形由預(yù)制線形和拼裝線形形成，施工線形控制需要確定合理的預(yù)制線形和拼裝線形，根據(jù)相鄰節(jié)段間的匹配關(guān)系，應(yīng)用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)和精確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量手段，采用精準(zhǔn)的匹配節(jié)段定位技術(shù)和有效的誤差調(diào)整方法來(lái)保證節(jié)段梁預(yù)制質(zhì)量，通過(guò)精確的首塊節(jié)段安裝定位以及實(shí)用的拼裝線形偏差預(yù)測(cè)方法和調(diào)整措施來(lái)確保節(jié)段梁拼裝效果，進(jìn)而保證良好的成橋線形。方蕾[1]就直接調(diào)整法展開(kāi)詳細(xì)研究，提出了在預(yù)制局部坐標(biāo)系中進(jìn)行誤差分析與調(diào)整的計(jì)算方法；周凌宇等[2?3]基于空間坐標(biāo)變換的基本原理，提出了在整體坐標(biāo)系下進(jìn)行誤差調(diào)整的方法；侍剛等[4]提出了基于非線性最小二乘法的短線匹配節(jié)段預(yù)制誤差調(diào)整方法；劉海東等[5?6]針對(duì)大曲率短線匹配連續(xù)剛構(gòu)橋幾何線形控制，基于三維空間坐標(biāo)系，給出幾何線形誤差的計(jì)算和修正方法。曾雷[7]通過(guò)CAD繪圖和Excel表格計(jì)算的方法進(jìn)行節(jié)段架設(shè)誤差預(yù)測(cè)，較為麻煩。為了加快施工進(jìn)度，有的甚至只依靠經(jīng)驗(yàn)采用增貼墊片的單一方式來(lái)調(diào)整后續(xù)拼裝節(jié)段，一旦偏差較大將難以調(diào)整從而出現(xiàn)較差的成橋效果。目前，國(guó)內(nèi)外均有研究者提出線形控制方法并編制相應(yīng)的程序[8?9]，但仍存在一些問(wèn)題：國(guó)外商用軟件在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目應(yīng)用成本高，適用性不強(qiáng)；國(guó)內(nèi)軟件對(duì)施工誤差處理比較粗糙，容易造成誤差累積；控制系統(tǒng)存在施工過(guò)程中預(yù)制和拼裝脫節(jié)、數(shù)據(jù)管理麻煩、實(shí)用性差、可視化程度低等問(wèn)題。本文針對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開(kāi) 研究。

1 短線節(jié)段線形控制關(guān)鍵技術(shù)

1.1 施工理論線形的確定

確定短線節(jié)段匹配預(yù)制及拼裝過(guò)程的施工理論線形[10]，需要先計(jì)算制作預(yù)拱度和拼裝預(yù)拱度。根據(jù)短線法節(jié)段梁預(yù)制和拼裝施工的特點(diǎn)，制作預(yù)拱度由節(jié)段梁各節(jié)點(diǎn)的總位移即結(jié)構(gòu)的真實(shí)位移(包括由自重和施工荷載引起的純位移、沿前一已施工節(jié)段的切線方向添加新的節(jié)段時(shí)對(duì)后續(xù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的假想位移)得到，按照切線初始位移法得到零應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)制線形，見(jiàn)式(1)；拼裝預(yù)拱度由自重及施工荷載等引起的純位移計(jì)算，采用零初始位移法將新拼裝節(jié)段自由端連接起來(lái)得到拼裝線形，如式(2)。

式中：L為預(yù)制線形；L表示拼裝線形；L為設(shè)計(jì)成橋線形；ω為按切線初始位移法計(jì)算的成橋豎向位移；ω為按零初始位移法計(jì)算的成橋豎向位移；Δ為附加預(yù)拱度；為已存在的預(yù)制誤差。

1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及匹配節(jié)段定位

短線節(jié)段梁需要在不同坐標(biāo)系下進(jìn)行預(yù)制施工線形和拼裝施工線形的控制[11]。圖1中大地整體坐標(biāo)系為橋梁設(shè)計(jì)坐標(biāo)系；設(shè)置主梁架設(shè)坐標(biāo)系′′′′，其平面坐標(biāo)軸分別沿節(jié)段箱梁縱橋向和橫橋向，有利于提高節(jié)段梁安裝精度；預(yù)制施工局部坐標(biāo)系以固定端模中心為原點(diǎn)，確保澆筑節(jié)段中軸線垂直于固定端模，分別以澆筑節(jié)段箱梁縱向、橫向?yàn)楹洼S方向。

短線節(jié)段梁以頂面中心線和接縫面橫坡線來(lái)擬合其線形與姿態(tài)，如圖1，施工中通過(guò)“三線”(即1條水平控制線與2條高程控制線)控制節(jié)段梁空間位置，也就是需要確定節(jié)段梁上6個(gè)控制測(cè)點(diǎn)，，，，和(用表示)的坐標(biāo)值進(jìn)行控制。

圖1 短線節(jié)段坐標(biāo)系示意圖

整體坐標(biāo)再轉(zhuǎn)換為號(hào)待澆筑節(jié)段的局部坐標(biāo)。按式(4)計(jì)算在號(hào)待澆筑節(jié)段的局部坐標(biāo)系下1號(hào)匹配節(jié)段6個(gè)控制測(cè)點(diǎn)的理論局部坐標(biāo)(即匹配節(jié)段定位指令)：

1.3 預(yù)制誤差修正

節(jié)段梁匹配預(yù)制過(guò)程，受材料和設(shè)備不穩(wěn)定、施工操作和測(cè)量誤差、計(jì)算方法和精度問(wèn)題、作業(yè)環(huán)境等不確定因素影響，匹配節(jié)段實(shí)際位置與理論位置難免存在偏差或澆筑節(jié)段存在制作誤差，引起節(jié)段梁的線形和姿態(tài)誤差。圖2(a)中?1號(hào)節(jié)段匹配預(yù)制號(hào)節(jié)段時(shí)存在角度誤差(平面或立面)Δ、整體誤差(縱向梁長(zhǎng)誤差Δ、橫向平移誤差Δ和立面錯(cuò)臺(tái)誤差Δ)、以及接縫面橫坡誤差Δ。

(a)預(yù)制誤差；(b)預(yù)制誤差修正

1.4 拼裝線形偏差預(yù)測(cè)及調(diào)整

通常認(rèn)為，節(jié)段梁預(yù)制完成后，相鄰節(jié)段間的匹配關(guān)系已經(jīng)形成，主梁線形基本確定，可調(diào)性很小。但首塊節(jié)段安裝定位精度將很大程度影響后續(xù)節(jié)段的線形走勢(shì)；并且節(jié)段梁拼裝架設(shè)過(guò)程依然會(huì)發(fā)生偏差，主要體現(xiàn)為主梁立面標(biāo)高偏差和水平軸線偏差，將直接影響成橋線形。當(dāng)拼裝完成?1號(hào)節(jié)段發(fā)生偏差，可根據(jù)其實(shí)際拼裝位置、相鄰節(jié)段間的匹配關(guān)系、拼裝理論線形以及拼裝施工中可能發(fā)生的位移，預(yù)測(cè)拼裝后續(xù)號(hào)節(jié)段甚至合龍時(shí)的可能偏差，決定是否需要以及如何對(duì)后續(xù)拼裝節(jié)段進(jìn)行調(diào)整。這里提出以下3種實(shí)用方法。

1.4.1 偏差預(yù)測(cè)直接法

(a) 偏差不變；(b) 偏差減小；(c) 偏差增大；(d) 偏差反向增大

1.4.2 偏差預(yù)測(cè)斜率法

式中：Pn表示n號(hào)節(jié)段前端點(diǎn)的預(yù)測(cè)位置(可用標(biāo)高或平面坐標(biāo)表示)；Pn?1表示n?1號(hào)節(jié)段的實(shí)際位置；Ln為n號(hào)與n?1號(hào)節(jié)段的前端點(diǎn)距離；θ為相鄰節(jié)段的匹配關(guān)系確定的銳夾角(以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?；kn?1為n?1號(hào)節(jié)段實(shí)際位置形成的斜率；δn為拼裝n號(hào)節(jié)段的理論位移。

1.4.3 偏差預(yù)測(cè)可視化方法

根據(jù)節(jié)段梁接縫上I?1與I點(diǎn)或者控制測(cè)點(diǎn)與的理論坐標(biāo)得到節(jié)段梁的理論拼裝線形，以及根據(jù)實(shí)測(cè)坐標(biāo)得到?1號(hào)節(jié)段的實(shí)際拼裝線形(確定了方法2的P?1和k?1)，二者之間存在偏差。將后續(xù)所有待拼裝節(jié)段的理論線形通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)至?1號(hào)已拼裝節(jié)段的P?1位置得到未調(diào)整拼裝線形，此時(shí)未改變后續(xù)節(jié)段間的匹配關(guān)系。比較后續(xù)節(jié)段的未調(diào)整拼裝線形與理論拼裝線形，可以預(yù)測(cè)線形偏差情況，見(jiàn)圖5。

(7)

圖6 節(jié)段拼裝偏差調(diào)整示意圖

2 短線節(jié)段預(yù)制拼裝控制系統(tǒng)

在前文研究的基礎(chǔ)上，基于MATLAB研發(fā)了短線節(jié)段預(yù)制拼裝控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為SL-P＆A控制系統(tǒng)，其主要組成模塊如圖7。

對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)段梁預(yù)制和拼裝全過(guò)程控制，只需要在施工數(shù)據(jù)模塊以Excel表格形式一鍵導(dǎo)入節(jié)段澆筑位置、節(jié)段匹配位置以及節(jié)段安裝位置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，便能實(shí)現(xiàn)誤差分析與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)匹配節(jié)段定位，圖8和圖9顯示了以某7號(hào)節(jié)段匹配8號(hào)節(jié)段的可視化效果。節(jié)段拼裝過(guò)程按照前文提出的斜率法和可視化方法進(jìn)行拼裝線形偏差預(yù)測(cè)并給出調(diào)整意見(jiàn)，圖10顯示了待拼裝節(jié)段前端可能發(fā)生0.005 3 m的豎向偏差和?0.002 1 m的水平偏差，需要增貼0.001 5 m的環(huán)氧墊片調(diào)整豎向偏差。

圖7 SL-P&A控制系統(tǒng)主要組成模塊

圖8 1/2跨節(jié)段預(yù)制線形可視化

圖9 匹配節(jié)段定位可視化

圖10 拼裝線形偏差調(diào)整可視化

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

某在建跨海大橋引橋，是跨徑組合為4×(5× 60) m的連續(xù)梁橋，分幅布置，其主梁斷面為單箱單室直腹板形式，梁高3.5 m、梁寬16 m；采用短線法施工，將主梁沿縱向劃分為760榀短線節(jié)段，包括梁長(zhǎng)分別為2，2.8，3，3.5和3.8 m的節(jié)段。節(jié)段梁先在梁廠預(yù)制，再航運(yùn)至橋位處利用架橋機(jī)起重拼裝系統(tǒng)進(jìn)行施工，中跨節(jié)段梁采用平衡懸臂拼裝，邊跨節(jié)段梁采用整體懸吊拼裝，如圖11。節(jié)段間通過(guò)密齒型剪力鍵傳遞剪力，接縫面上涂抹環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)膠保證水密性和潤(rùn)滑性并找平微小缺陷，再借助臨時(shí)預(yù)應(yīng)力作用的壓力使節(jié)段完全密貼拼接，待施加永久預(yù)應(yīng)力后形成整體結(jié)構(gòu)，最后合龍位置采用0.2 m寬的現(xiàn)澆濕接縫連接。

3.2 線形計(jì)算及分析

以該橋第1聯(lián)主梁為例，采用Midas-civil有限元軟件按正裝分析法建立其施工階段計(jì)算模型，充分考慮混凝土收縮徐變作用[13]、材料容重、彈性模量、預(yù)應(yīng)力作用、二期恒載、施工荷載、移動(dòng)荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降及溫度變化等，計(jì)算該橋的制作預(yù)拱度及拼裝預(yù)拱度如圖12，得到施工理論線形。其中主梁1號(hào)～11號(hào)斷面和90號(hào)～100號(hào)斷面的預(yù)制線形與拼裝線形一致，表明邊跨節(jié)段梁采用整體懸吊拼裝，按切線位移法和零位移法計(jì)算的撓度相同。此外，盡管該橋結(jié)構(gòu)正對(duì)稱且荷載正對(duì)稱(忽略橫坡、縱坡及誤差等)，但兩邊跨及2次中跨的主梁變形并不完全對(duì)稱，表明按逐跨施工的順序進(jìn)行節(jié)段梁預(yù)制和拼裝，第1邊跨與最后邊跨、及2次中跨歷經(jīng)的施工狀態(tài)不相同，其主梁線形也不相同。

圖11 短線節(jié)段梁架設(shè)拼裝示意圖

施工理論線形的確定受結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工荷載、施工工藝流程等因素影響，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮了節(jié)段梁重量、混凝土彈模、預(yù)制節(jié)段梁存放時(shí)間、年溫差變化、鋼束張拉控制應(yīng)力等因素單獨(dú)變化對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響，見(jiàn)表1(“+”、“?”表示相對(duì)基準(zhǔn)狀態(tài)的增加與減少)，其中節(jié)段梁重量或鋼束張拉控制應(yīng)力相對(duì)基準(zhǔn)狀態(tài)發(fā)生?5%~+5%范圍的變化對(duì)成橋線形有較大影響，年溫差也對(duì)成橋線形有?3.3 mm~+4.1 mm的影響，而其他因素影響較小，施工過(guò)程根據(jù)這些因素的變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.3 工程應(yīng)用效果

將SL-P&A控制系統(tǒng)應(yīng)用于該工程取得了很好的效果。實(shí)測(cè)某“1/2跨”主梁0號(hào)～8號(hào)節(jié)段預(yù)制坐標(biāo)形成圖13中紅色實(shí)線，與理論預(yù)制線形(黑色虛線)對(duì)比，二者基本完全重合，坐標(biāo)數(shù)值相差最大為2.1 mm，表明預(yù)制線形控制效果很好。最后，實(shí)測(cè)第1聯(lián)主梁架設(shè)拼裝完成后(主梁合龍，未作用二期恒載)節(jié)段間接縫面中點(diǎn)位置橋面高程和平面坐標(biāo)，得到主梁立面線形和水平軸線偏差情況：主梁成橋標(biāo)高與理論標(biāo)高偏差在11 mm內(nèi)，水平軸線與設(shè)計(jì)線形偏差在9 mm內(nèi)[14]，見(jiàn)圖14，表明成橋線形良好。

圖12 制作預(yù)拱度與拼裝預(yù)拱度

表1 節(jié)段梁線形計(jì)算影響因素

圖13 節(jié)段梁預(yù)制效果可視化

圖14 第1聯(lián)主梁成橋線形效果

4 結(jié)論

1) 本文提出的拼裝線形偏差預(yù)測(cè)直接法、斜率法及其可視化方法實(shí)用有效，糾偏措施可指導(dǎo)施工、簡(jiǎn)單方便，能夠獲得很好的拼裝效果，可為其他同類項(xiàng)目提供參考。

2) 對(duì)于短線法節(jié)段梁施工全過(guò)程控制精度要求高、坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理麻煩、節(jié)段數(shù)量眾多、施工進(jìn)度快等問(wèn)題，本文基于MATLAB研發(fā)的SL-P＆A控制系統(tǒng)，能夠快速有效、準(zhǔn)確無(wú)誤的處理大量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析和線形控制等工作，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制階段和拼裝階段的銜接，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的互通，大大提高數(shù)據(jù)管理的便利性以及線形控制實(shí)時(shí)可視化。

3) 貫穿橋梁短線法施工全過(guò)程的幾何控制技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高精度線形控制的關(guān)鍵。將本文研究的短線法節(jié)段梁預(yù)制拼裝過(guò)程控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，取得了很好的效果。節(jié)段梁預(yù)制質(zhì)量及拼裝線形控制良好，最終成橋線形立面標(biāo)高偏差在11 mm內(nèi)，水平軸線偏差在9 mm內(nèi)，均小于規(guī)定限值。

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Research on control technology of precasting and assembling process of segment beam with short-line method

XIE Binglin1, YU Xiaolin1, HU Yu2, JIA Buyu1, CHEN Yuxuan1

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. Zhuhai Honghe Bridge Co., Ltd, Zhuhai 519000, China)

Aiming to the high precision control problem existing in complicated construction process of precast and assembly of segment beam with Short-line method of bridge, the key technologies of theoretical alignment under construction, coordinate transformation and matching segment positioning, and prefabrication error correction were studied. And a direct method, a slope method and a visualization method to predict the deviation of assembling line, and a way of improving installation accuracy for initial segment as well as several rectifying measures to guide erection were investigated. Taking the approaching bridge of a cross-sea bridge as the actual engineering background, its whole process of construction was simulated in detail, the main influencing factors for calculating girder alignment were analyzed, and the bridge was controlled by the Control System of Short-Line Segment Prefabrication and Assembly (SL-P&A) that based on MATLAB. Further comparative analysis with those measured data, the results show that precasting geometry and assembly line of segment beam are well controlled, the connection between prefabrication stage and assembly stage functions well, and the interworking between construction data and monitoring data is achieved, of course, the convenience of data management and the real-time visualization of geometric control are greatly enhanced by the technology proposed in this paper.

short-line method; prefabrication and asembly; error adjustment; geometric control

TU997

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1453 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190843

2019?09?19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608207，51478193)，福建省交通運(yùn)輸科技資助項(xiàng)目(201527)

余曉琳(1978?)，女，湖北恩施人，副教授，博士，從事橋梁結(jié)構(gòu)理論與工程應(yīng)用研究；E?mail：xlyul@scut.edu.cn

(編輯 涂鵬)