基于施工監(jiān)控的橋面鋪裝線形控制研究
——以某高速公路新建特大連續(xù)剛構(gòu)橋為例

李國柱 高 楊 何竹康

（河南交院工程技術(shù)集團有限公司，河南 鄭州 451460）

0 引言

隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，尤其是高等級公路建設(shè)對行車的平穩(wěn)舒適提出了更高的要求，而結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、伸縮縫合度少、行車平穩(wěn)舒適等突出優(yōu)點使懸臂梁和T 型剛構(gòu)橋得到了快速發(fā)展。普通鋼筋混凝土連續(xù)梁橋的使用跨度在15～30 m 之間，結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彎矩在跨徑進一步增大的情況下迅速增大，難以避免混凝土開裂的情況發(fā)生，因此在工程建設(shè)中廣泛采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

近年來，河南省高速公路新建工程大量涌現(xiàn)，為河南交通事業(yè)發(fā)展邁入了全國交通強省的行列奠定了基礎(chǔ)。對于偏遠山區(qū)，如山谷、河流等地質(zhì)情況較為復(fù)雜的地段，施工難度大，需要建造大跨徑橋梁解決施工等問題。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋由于受混凝土材料及鋼絞線相關(guān)材料的特點影響，在后期運營過程中會由于橋梁剛度退化造成橋梁跨中下?lián)?，但橋梁跨中下?lián)洗笮〔皇且粋€定量的數(shù)值，一般通過大量運營橋梁檢測統(tǒng)計的匯總數(shù)據(jù)，及理論計算進行預(yù)測。橋梁施工監(jiān)控采取“寧高勿低”的原則，目的是防止后續(xù)運營過程中橋梁跨中撓度下降過大造成橋梁成為危橋的情況發(fā)生。因此，橋梁線形平順與后期橋梁跨中下?lián)铣蔀榇罂鐝筋A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋及剛構(gòu)梁橋建設(shè)過程中亟待解決的技術(shù)難題［1-2］。

通過查閱相關(guān)文獻資料發(fā)現(xiàn)，部分懸臂施工橋梁施工成橋線形以設(shè)計值作為最終目標(biāo)，但運營階段橋梁跨中下?lián)蠈箻蛄壕€形低于設(shè)計值，為了分析橋梁鋪裝線形的問題，本研究以相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，明確橋面成橋目標(biāo)線形的數(shù)值范圍。

1 橋梁施工線形控制原則

1.1 施工階段立模標(biāo)高控制

懸臂橋梁施工控制的核心是線形控制，通過現(xiàn)場實際測量數(shù)值與有限元理論修正計算預(yù)測每一個節(jié)段立模標(biāo)高。由于受到溫度、濕度、施工不確定臨時荷載、材料等多種因素的影響，預(yù)測立模標(biāo)高會出現(xiàn)一定的偏差，橋梁施工監(jiān)控是一個動態(tài)的變化的過程。因此，需要加大監(jiān)測頻次，實時掌握橋梁各階段的變化情況。

施工立模標(biāo)高應(yīng)綜合考慮設(shè)計標(biāo)高、掛籃變形、施工荷載（掛籃、混凝土、鋼筋、鋼絞線重量，張拉預(yù)應(yīng)力）引起的累計變化量，溫度變化影響撓度變化量，后期橋面鋪裝及護欄引起橋梁下?lián)希瑯蚨諌嚎s及沉降變化量，還有混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失引起的變化量［3］。標(biāo)高計算見式（1）。

式中：Hlmi為節(jié)點i（待澆筑段箱梁底板前端點）掛籃標(biāo)高；Hsj為節(jié)點i的設(shè)計標(biāo)高，由于設(shè)計時給出的是底板標(biāo)高，故應(yīng)根據(jù)底板設(shè)計標(biāo)高和梁高等數(shù)據(jù)反推各節(jié)段梁底的設(shè)計標(biāo)高；∑fdi為節(jié)點i在施工過程中由恒載引起的該點向下的累計撓度值，包括箱梁結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力及收縮徐變引起的撓度；fgl為掛籃彈性變形值，由掛籃預(yù)壓及高程實測確定；fhz為節(jié)點i由靜活載引起的向下的撓度值。

1.2 成橋預(yù)拱度設(shè)置原則

由于懸臂施工成橋后，混凝土收縮徐變、鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失、橫截面整體剛度降低等因素會造成橋梁跨中下?lián)希瑸榱祟A(yù)防跨中撓度下?lián)线^大，通過理論計算與經(jīng)驗值相結(jié)合的方法，施工中設(shè)置反向位移就是預(yù)拱度。預(yù)拱度數(shù)值一般在墩頂處最小，跨中最大。中跨與邊跨預(yù)拱度擬合曲線要分別進行。

成橋預(yù)拱度的設(shè)置曲線一般按照余弦曲線或者拋物線進行擬合。其中，經(jīng)驗公式是經(jīng)過大量施工經(jīng)驗總結(jié)而來的，實用性較強。

跨中經(jīng)驗曲線分配法見式（2）。

式中：L為中跨跨徑；fcs為中跨跨中成橋預(yù)拱度。

公式計算法見式（3）。

式中：a為修正系數(shù)，按照目前相近跨徑的橋梁下?lián)锨闆r確定此系數(shù)；d1為成橋10 年后收縮徐變撓度計算值；d2為活載撓度計算值。

2 橋面鋪裝線形控制原則

2.1 基本原理

對于大跨徑混凝土橋梁，由于理論計算材料模擬比較理想化，與材料實際情況存在一定偏差。施工過程中出現(xiàn)的不確定荷載造成計算的偏差，以及人為放線的影響和溫差及季節(jié)溫濕度的影響，往往會使橋梁成橋后縱向橋面線形與規(guī)定值之間存在偏差。因此，橋面鋪裝時需要對橋面線形進行修正。

懸臂橋梁合龍后裸梁頂面一般平整度較差，需要對橋面鋪裝層進行調(diào)節(jié)，橋梁鋪裝厚度不能太厚，也不能太薄，按照規(guī)范要求偏差為±2 cm。較厚的鋪裝層會引起橋梁二期恒載增加，且增加施工費用；較薄的鋪裝層會使結(jié)合面黏結(jié)力差，且易開裂引起耐久性降低。為了保證縱向線性平順，橋面鋪裝厚度應(yīng)盡量均勻，厚度應(yīng)滿足規(guī)范要求，但是很難達到理想狀態(tài)。實際施工過程中按照“平順等厚”的原則，最終目的是保證行車舒適平穩(wěn)，平整度好，對于“過渡段”要適當(dāng)控制厚度。

橋梁線形分為設(shè)計線形（即設(shè)計文件中給出的橋面線形）、成橋線形（施工合龍時橋面結(jié)構(gòu)頂板線形）、成橋目標(biāo)線形（交工驗收時橋面線形）、竣工線形（運營3 年后橋梁橋面線形）、最終線形（后期運營過程中，混凝土收縮徐變基本完成的橋面線形，一般大約10年以后）。

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁合龍成橋后，橋面高程線形要經(jīng)過交工驗收，符合《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）要求的頂面高程規(guī)定值或允許偏差±L/5 000 mm（L＞100 m，L為梁跨徑）或±20 mm（L≤100 m，L為梁跨徑）。最新頒布的《公路橋梁施工監(jiān)控技術(shù)規(guī)程》（JTG/T 3650-01—2022）明確了成橋目標(biāo)線形為橋梁交工時結(jié)構(gòu)線形的驗收標(biāo)準(zhǔn)。橋面目標(biāo)線形就是橋梁二期恒載施加完成后達到成橋預(yù)拱度值（一般由設(shè)計文件規(guī)定）。

2.2 調(diào)整原則［4］

針對懸臂合龍后的橋面實測線形進行擬合優(yōu)化，鋪裝層應(yīng)滿足規(guī)范要求，且要使橋面鋪裝平順。橋面鋪裝層線形擬合按式（4）進行計算［5］。

式中：g（x）為最終鋪裝線形；a一般取1；y（x）為成橋預(yù)拱度值；d為橋面鋪裝層。

線形調(diào)整原理如圖1 所示。目前，針對橋面線形調(diào)整的方法有兩種：一是在實測橋面線形的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，減小邊跨、中跨預(yù)拋高值，達到橋面線形平順的目的；二是適當(dāng)加大墩頂處調(diào)平層厚度來提高橋面線形平順。

圖1 橋面線形調(diào)整示意

方法一在成橋合龍后經(jīng)常使用，橋面實測線形與目標(biāo)性偏差不大的情況下，通過微調(diào)厚度的方式進行橋面鋪裝，是橋面鋪裝線形擬合的常用手段。方法二是在跨中與墩頂存在明顯凹凸曲線的情況下采用，適當(dāng)調(diào)高墩頂橋面鋪裝層厚度，使橋面平順。方法一的優(yōu)點是在現(xiàn)有線形的基礎(chǔ)上進行鋪裝調(diào)整，可在規(guī)范允許的厚度基礎(chǔ)上進行調(diào)整，鋪裝厚度易滿足規(guī)范要求。方法二的缺點是可能會增加橋梁鋪裝層局部自重，墩頂鋪裝厚度超過規(guī)范規(guī)定值。

3 工程實例分析

某高速新建特大連續(xù)剛構(gòu)橋受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，跨徑大，墩高最大為70 m，橋梁施工監(jiān)控控制難度大，成橋后橋面線形難以控制。橋梁合龍后橋面出現(xiàn)不同程度的凹凸不平，為了使該類橋線形達到交工驗收標(biāo)準(zhǔn)，本研究以此實例進行分析。

該橋左幅橋為20+（60+2×110+60）m 預(yù)應(yīng)力與現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力、剛構(gòu)+連續(xù)組合系統(tǒng)，橋墩采用柱式墩、雙肢薄壁墩、樁基礎(chǔ)，橋體采用柱式臺樁基礎(chǔ)。箱梁為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，全幅橋采用分離式單箱單室截面，具體如圖2 所示。腹板厚度在變化段按直線漸變，箱梁高度和底板厚度從合龍段到懸臂根部附近按1.8次拋物線變化，邊跨現(xiàn)澆底板厚從合龍段到支承段按直線變化，上部箱梁采用雙懸臂掛籃逐塊對稱現(xiàn)澆施工。箱梁底板橫向設(shè)計水平、頂板橫坡通過調(diào)整腹板高度來實現(xiàn)，施工時應(yīng)注意根據(jù)路拱實際橫坡調(diào)整腹板高度及相應(yīng)鋼筋長度。橋面鋪裝考慮8 cm 水泥混凝土+10 cm 瀝青混凝土。本研究以右幅橋面鋪裝擬合曲線為例進行分析。

圖2 橋梁立面示意

橋面鋪裝擬合曲線按照規(guī)范（8±2）cm 的原則進行，為了保證橋面平順，現(xiàn)場按照橋梁縱向10 m一個橫截面進行測量，每個橫斷面測量左右兩個測點，橋面鋪裝擬合結(jié)果見表2。橋梁斷面橫向坡度為2%，規(guī)范要求（2±0.15）%。

由某特大橋監(jiān)控的實測數(shù)據(jù)結(jié)果可知，邊跨及中跨可采用3 次拋物線擬合較合理，利用Excel 電子表格進行線性擬合曲線。具體操作步驟如下［6］：①將橋面裸梁高程數(shù)據(jù)按照縱向每10 m 的數(shù)據(jù)輸入電子表格；②利用Excel的繪圖功能繪制縱向高程折線圖；③按照邊跨、中跨、主跨進行3 次方拋物線擬合曲線，并生成相關(guān)函數(shù)；④調(diào)整函數(shù)相關(guān)系數(shù)讓曲線擬合平順光滑，按照趨勢選定截面距；⑤確定函數(shù)后將函數(shù)分布記錄下來，將自變量x對應(yīng)的數(shù)值分布帶入函數(shù)，根據(jù)結(jié)果繪制各點連接成的擬合曲線，并適當(dāng)調(diào)整各系數(shù)，使擬合曲線更加合理。各工況擬合曲線如圖3至圖7所示。

圖3 距右邊緣0.75 m處小樁號邊跨縱向擬合曲線

圖4 距右邊緣0.75 m處小樁號中跨擬合曲線

圖5 距右邊緣0.75 m處大樁號中跨擬合曲線

由圖3至圖6可知，各跨實測線形存在一定的不平順情況，通過函數(shù)3 次方多向式擬合后曲線接近平滑，通過（8±2)cm 鋪裝厚度達到擬合曲線的平行曲線，使其鋪裝厚度滿足驗收規(guī)范要求，同時橋面實現(xiàn)平順［7］。由圖7 可知，跨中高墩頂?shù)?，設(shè)計圖最大預(yù)拱度為110 mm，按照余弦曲線趨勢與圖7相近。

圖6 距右邊緣0.75 m處大樁號邊跨擬合曲線

圖7 全橋縱向橋面鋪裝擬合曲線

4 結(jié)論

①大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋懸臂施工過程中，應(yīng)充分考慮各個節(jié)段受力狀況變化，實時掌握各節(jié)段高程變化情況，通過理論計算修正預(yù)測下一節(jié)段高程立模值，為后續(xù)橋梁線形接近成橋目標(biāo)線形奠定基礎(chǔ)。

②某特大橋梁施工監(jiān)控合龍后，利用橋面鋪裝層線形曲線擬合的方法，得出橋面鋪裝層厚應(yīng)達到（8±2）cm，實際成橋線形光滑、平順，更趨于規(guī)定計算的擬合曲線，擬合曲線橫坡值在（2±0.15）%范圍內(nèi)，滿足《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）對橋面鋪裝厚度的要求。由于成橋預(yù)拱度的原因，成橋后線形呈現(xiàn)規(guī)律的波浪線，即橋梁橋面線性呈現(xiàn)跨中高、墩頂處低的現(xiàn)象，屬于正常成橋狀態(tài)。

③大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋懸臂施工橋面鋪裝線形，是交工驗收的關(guān)鍵指標(biāo)，涉及建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位、監(jiān)控單位等多個部門，因此，多部門聯(lián)動協(xié)作至關(guān)重要。本研究基于實橋案例橋面鋪裝施工，明確了監(jiān)控線形的最終目標(biāo)，為相關(guān)橋梁線形鋪裝提供了經(jīng)驗。