吴 榃,丁卫林

(中铁四局集团有限公司,合肥 230023)

1 概述

对连续刚构,其成桥的混凝土梁线形和结构恒载内力与施工方法有着密切的关系,也就是说,不同的施工方法和工序会导致不同的结构线形和内力[1]。另一方面,由于各种因素(如材料的弹性模量、混凝土收缩徐变、结构自重、施工荷载、温度影响等)的随机影响,由于在测量等方面产生的误差,结构的理论设计值难以做到与实际测量值完全一致,两者之间会存在偏差。尤其值得注意的是,某些偏差(如主梁的竖向挠度误差)具有累积的特性。若对偏差不加以及时有效的调整,随着梁的悬臂长度的增加,主梁的高程会显著偏离设计值,造成合龙困难或影响成桥的内力和线形。特别是采用悬臂施工技术的大跨度桥梁,施工中的不合理误差状态如不能及时地加以识别和处理,主梁的应力有可能发生积聚而超出设计安全状态发生施工事故。施工控制的目的,就是根据实际的施工工序,以及现场获取的参数和数据,对桥跨结构进行实时理论分析和结构验算；对每一施工阶段,根据分析计算结果给出其主梁端的挠度(每阶段施工梁段定位高程)等施工控制参数,分析施工误差状态,采用应力预警体系对施工状态进行安全度评价和灾害预警；通过变形观测,对桥梁的变形进行预测和评价。这样,才能保证结构的受力和变形始终处于安全的范围内、成桥后的结构内力和线形符合设计要求,保证无砟轨道铺设满足铺设条件要求和无砟轨道高平顺性的要求。

2 无砟轨道客运专线大跨度连续刚构施工控制

2.1 预测控制技术

大跨度预应力混凝土连续刚构桥的施工控制可以归结到控制问题,其每一环节(过程)的工作包括发布控制指令、量测误差、误差控制等,控制的目的就是通过误差控制手段以最小的误差实现预设的目标。所以近20年来,通过引进现代控制理论中的成果,形成了一些实用的施工控制方法。由于悬臂浇筑的预应力混凝土连续刚构桥,其已经施工完成节段的状态(内力,高程)已无法调整,只能对未施工节段的状态进行预测并控制修正,所以只能采用预测控制法对桥梁施工过程进行控制。

所谓预测控制法,是指在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工所要达到的目标后,对结构的每一个施工阶段(节段)形成前后的状态进行预测,使施工沿着预定状态进行。由于预测状态与实际状态之间必然有误差存在,某种误差对施工目标的影响在后续施工状态的预测中予以考虑,如此循环,直到施工完成和获得与设计相符合的结构状态。预测控制的基本结构如图1所示[2]。

图1 预测控制的基本结构

2.2 施工控制体系

从信息论的观点看,桥梁的施工控制过程是一个信息采集、信息分析处理和信息反馈的过程。通过实时测量体系和现场测试体系,可以采集到桥梁施工过程中所关心的各类数据信息。借助桥梁施工监控、监测的计算分析体系,对采集的数据信息进行分析。尤其是对施工中各类结构响应数据(如变形、内力、应力)的分析,可以对施工误差做出评价,并根据需要研究制定出精度控制和误差调整的具体措施。最后以施工控制指令的形式为桥梁的施工提供指导信息。在施工控制计算和误差分析中,通过对施工容许误差度指标数据体系、施工反馈数据(尤其是应力监测数据)、施工控制目标值数据的分析确立施工状态的应力预警体系[3]。

同时,为保障施工控制工作的保质、保量、高效地完成,必须制定施工控制实施过程中设计、咨询、施工及监理相关各方的工作制度和组织制度,以保障在施工控制的日常工作中,信息传递的时效性、准确性、可靠性和通畅性。

2.3 线形控制

无砟轨道客运专线大跨度桥梁,由于设计速度高,轨道的平顺性和稳定性要求高,对线形控制的要求非常严格；而且与公路大跨度连续梁不同,在线形控制中需要考虑无砟轨道铺设的要求,线形控制分成桥线形控制、工后线形监测和评估。

(1)成桥线形控制

成桥线形控制主要由管理主梁立模高程来实现。悬臂施工中,挂篮上浇筑主梁的底模高程的测量设置被认为是主梁线形控制的最重要的决定因素之一,由于这一底模高程的测量设置工作需要全天候作业,因此除了需要在理论计算上给出正确的符合实际的底模高程之外,在施工作业时的全天候的实时修正尤为重要,为了排除临时荷载变化、日照温差、挂篮刚度差别和已成梁段的施工误差等因素对确定未浇梁段底模高程的影响,采用如下修正公式

式中，Δδi为未浇段底模前端实时修正量；δi为临时荷载变化和日照温差等的修正量；δg为挂篮的弹性变形修正量；δΔ为已成梁段的误差修正量。

根据结构变形的几何关系容易导出δi

式中，δi-1为第i-1段梁的临时荷载和日照温差的竖向变位；δi-2为第i-2段梁的临时荷载和日照温差的竖向变位；li和li-1分别为第i-1段梁和第i-2段梁的长度。δΔ为

式中，Δ为已成梁段的高程施工误差。

根据以上分析,未浇梁段前端底模高程Hi为：

式中，Hsj为设计高程；Δe为未浇梁段前端的最终弹性变形值。

(2)线形监测和评估

为了满足无砟轨道客运专线铁路轨道高平顺性、稳定性的要求,在无砟轨道铺设之前,需要对混凝土梁桥的工后线形进行监测,并对变形进行评估和预测。线形监测从桥墩的承台完成后开始,随着施工的展开,按规定的频次监测结构的沉降、徐变变形等,直到无砟轨道铺设后并且线形稳定才结束；桥面系二期恒载加载后,需要对监测数据进行预测评估,当变形满足无砟轨道铺设条件后才能铺设无砟轨道,评估的方法为判断梁体变形是否趋于稳定。

3 武广铁路客运专线西华海水道连续刚构施工控制

3.1 工程概述

武广铁路客运专线流溪河特大桥跨西华海水道的结构为(94+168+94)m双线无砟轨道预应力混凝土连续刚构。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽13.4 m,底宽8.5 m。顶板厚度45 cm,底板厚度由跨中的50 cm按圆曲线变化至中支点梁根部的130 cm,中支点处加厚到180 cm。腹板厚度分别为50、70、100、150 cm,按折线变化。全联在支点和每跨跨中处共设7道横梁。梁中支点处梁高11 m,跨中2 m直线段及边跨11 m直线段梁高为5.5 m,梁底下缘按半径为570.114 m圆曲线变化。下部结构采用圆端形双壁墩,双柱中心距8.0 m,净间距5.5 m,墩身截面尺寸为11 m×2.5 m,其中288号墩墩高15.3 m、289号墩墩高22.3 m。施工采用悬臂节段浇筑施工,共有21节段,除零号块外,最大节段质量为692.7 t。

3.2 施工控制过程

本桥结构形式为预应力混凝土连续刚构,主跨达到168 m跨径,在设计时速350 km的世界无砟轨道高速铁路桥梁中是跨度最大的。由于客运专线桥梁的刚度指标很高,所以这类桥梁的大刚度、大梁高导致悬浇节段质量大,而且连续刚构桥梁缺乏调整已浇筑节段线形的手段,施工控制的难度较大。本桥施工控制采用预测控制方法,通过对施工过程的高程和内力的实测值与计算值进行比较,对桥梁结构的主要参数进行识别,找出产生偏差的原因,从而对参数进行修正,进而动态修正下一施工节段的立模高程。这种方法的重点在于对影响结构变形和内力的主要设计参数的识别上,在每一荷载工况(浇筑混凝土、张拉预应力、挂篮前移等)都要严密监测桥梁结构的线形和应力状况,及时对产生偏差的主要参数进行修正。施工中必须严格按照确定的施工步骤进行施工,否则由于施工过程不可逆,将导致不可调整的线形的偏差。施工监控工作的要点如下。

(1)线形误差：允许误差为±20 mm[4]。

(2)线形监控：由于该桥梁体比较高,采用了箱梁顶底板同时设置高程测点的测量体系,节段施工开始时同时测量顶底板测点的高程,确定两测点间的高差,以后只测量顶板高程即可精确换算出底板高程。在每节段施工中的每一荷载工况下都进行高程测量,并与该工况的预测值进行对比,确定误差和分析误差来源。

(3)应力监控：应力监控的目的是保证桥梁在整个施工过程中重点监测部位的应力在安全范围之内并符合设计要求,从而保证桥梁施工过程中的安全。通过计算选取最不利的墩顶两侧、跨中及1/4跨断面为应力测试断面,在每个施工阶段中的荷载工况都进行应力监测,并将测试值与当前工况的计算分析值对比,如果应力异常,及时发出预警。

3.3 线形监测实施

承台施工完成后在承台的4个角设置沉降观测点，对基础的沉降变形进行监测,当墩身完工后将测点移至墩身两侧,对梁体及桥面系施工过程的基础沉降变形进行监测,在桥面系完工后在梁部的墩顶、1/4跨及跨中断面上设置梁体变形观测点,对梁体的线形进行监测。墩台沉降监测频率为荷载变化前后各1次或每周1次,观测期为施工全过程；梁体线形监测频率在无砟轨道铺设前后不同,无砟轨道铺设前为桥面荷载变化前后各1次、荷载稳定期为每周1次,观测期大于2个月,无砟轨道铺设后为每月1次。

3.4 施工控制成果

由于篇幅所限,文中只摘录了大桥合龙并张拉合龙钢束之后的施工监控成果数据和中跨线形监测分析结果。

(1)应力控制(表1)

表1 中跨合龙段施工完毕应力监测数据 MPa

(2)线形控制(图2、图3)

图2 中跨合龙张拉预应力后288号墩节块高程误差

图3 中跨合龙张拉预应力后289号墩节块高程误差

(3)线形监测(图4)

图4 中跨跨中与各断面变形差

4 结论

(1)客运专线大跨度刚构桥施工控制由于控制精度要求较高,需要参与工程各方共同建立一套施工控制组织体系,施工控制各方密切协作,才能保障施工控制工作的有效执行。

(2)在武广铁路客运专线溪河特大桥中跨越西华海水道168 m刚构桥的施工控制中采用预测控制技术,达到了预期效果,证明这套技术与施工过程密切结合,能够适用于类似桥梁的施工控制。

(3)在武广铁路客运专线溪河特大桥中跨越西华海水道168 m刚构桥的施工控制成果显示：结构变形和高程正常,应力水平正常,没有出现异常情况,合龙口高程误差在5 mm以内,梁体高程误差控制在规定值内,成桥线形与控制目标吻合良好。梁体工后变形监测方法可靠,观测结果显示，合龙后3个月可达到无砟轨道铺设的条件要求。

[1] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社,1988.

[2] 王照林.现代控制理论基础[M].北京：国防工业出版社,1981.

[3] 向中富.桥梁施工控制技术[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 铁建设[2005]160号,客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].