高速鐵路連續(xù)彎梁橋懸臂的施工控制

杜立安

摘要:筆者闡述了高速鐵路橋梁對施工控制的精度要求，并分析了懸臂施工連續(xù)彎梁橋的力學(xué)性能及其橋梁施工控制的主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 懸臂施工 連續(xù)彎梁橋 施工控制

我國是世界上高速鐵路建設(shè)發(fā)展最快、運(yùn)營里程最長的國家。高速鐵路中橋梁所占比重很大，已經(jīng)運(yùn)營的路段橋梁比重占到了52％。高速鐵路要求列車運(yùn)行安全、平穩(wěn)，旅客乘坐舒適，這就要求軌下橋梁結(jié)構(gòu)具有高平順性、高可靠性和高穩(wěn)定性。彎梁橋能更好地保證線路平順、行車舒適；能與周圍環(huán)境相適應(yīng)，外形更加美觀；與“以直代彎”的曲線橋相比，減少了很多不必要的構(gòu)造措施，減小了梁寬。鐵路上采用彎梁橋較少，彎梁橋中以連續(xù)梁橋?yàn)槭走x。

為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗扭性能，鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土彎梁梁橋一般采用剛度和抗扭性能良好的箱形截面梁。

1 高速鐵路橋梁對施工控制的精度要求

高速鐵路設(shè)計(jì)行車速度大于250km／h。

高行車速度對軌道平斷面和縱斷面的平順性要求很高，軌道上微小的不平順或長波不平順對列車都將造成巨大的振動激擾，影響行車舒適度，嚴(yán)重的會造成列車脫軌。我國高速鐵路橋多采用無砟軌道，線下工程結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后線路高程的調(diào)整量非常小，高速鐵路橋梁的施工精度比普通鐵路橋要高。

高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂澆筑梁段的施工精度要求如表1。

表1懸臂澆筑梁段和外形尺寸的允許偏差mm

2 懸臂施工連續(xù)彎梁橋的力學(xué)性能

懸臂施工的主要工序?yàn)槎樟汗探Y(jié)一兩端對稱逐段懸出，體系為“T”構(gòu)一澆筑中跨合攏段一合攏次中跨和邊跨一拆除臨時(shí)固結(jié)，體系轉(zhuǎn)換。連續(xù)彎梁橋在施工階段承受的作用有結(jié)構(gòu)和掛籃自重、預(yù)應(yīng)力、溫度、混凝土收縮徐變和施工荷載等。

懸臂施工連續(xù)彎梁橋的力學(xué)性能與直線連續(xù)梁橋有很大不同：

(1)荷載作用引起的截面內(nèi)力除彎矩和剪力外，還有扭矩。懸臂彎梁的彎矩My小于同梁長直梁的彎矩，曲率半徑越小，兩者差別越大。懸臂彎梁的扭矩的大小與截面位置、曲率半徑有關(guān)，在懸臂梁根部扭矩最大，且曲率半徑越小，該截面扭矩越大。

不管中墩采用的是抗扭支座還是單個(gè)鉸支座，體系轉(zhuǎn)換時(shí)，由于“彎一扭”耦合，梁內(nèi)各截面彎矩和扭矩均發(fā)生變化。箱梁發(fā)生的扭轉(zhuǎn)為翹曲扭轉(zhuǎn)，但由于混凝土箱梁薄壁效應(yīng)不明顯，扭彎剛度比較大，翹曲變形不明顯。

(2)懸臂施工階段，彎梁的位移有豎向位移、橫向位移、軸向位移及扭轉(zhuǎn)角。

根據(jù)符拉索夫微分方程[1]，懸臂彎梁在荷載作用下的橫向位移Y由橫向彎矩Mz引起，豎向位移z和扭轉(zhuǎn)角由彎矩My和扭矩Mx共同引起，即存在“彎一扭”耦合。豎向位移和扭轉(zhuǎn)角的大小與梁的抗扭剛度和抗彎剛度、扭彎剛度比、曲率半徑、材料彈性模量和泊松比有關(guān)，其中曲率影響最大。懸臂端端部的豎向變形和扭轉(zhuǎn)角最大。

由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，截面內(nèi)外側(cè)豎向位移不相等，截面內(nèi)外側(cè)豎向位移差對連續(xù)梁的順利合攏、成橋后線性和內(nèi)力有較大影響，在施工控制時(shí)需要平衡這個(gè)位移差。

(3)彎梁的重心線偏離中心線。由于曲率的存在，梁長外側(cè)比內(nèi)側(cè)長，導(dǎo)致梁外側(cè)自重比內(nèi)側(cè)大，重心線在中心線外側(cè)。曲率越大，兩條線距離越大。

(4)彎梁的溫度效應(yīng)明顯。不管是懸臂階段、合攏階段還是成橋階段，系統(tǒng)溫度變化和日照溫差會引起結(jié)構(gòu)較大的位移。圖l為系統(tǒng)升溫時(shí)懸臂彎梁溫度效應(yīng)的平面示意圖。H照溫差會引起懸臂彎梁較大的豎向位移和橫向位移。溫度效應(yīng)在施工控制時(shí)必須要考慮。

圖1 懸臂彎梁在系統(tǒng)升溫時(shí)的溫度效應(yīng)

3 高速鐵路連續(xù)彎梁橋的施工控制

連續(xù)彎梁橋施工過程中，隨著結(jié)構(gòu)的荷載、受力體系、材料性能、環(huán)境溫度、濕度的不斷變化，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨之不斷變化。為了保證彎梁橋的施工安全，確保成橋后結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力狀態(tài)符合要求，必須對橋梁的每一施工階段進(jìn)行施工控制。

施工控制的主要內(nèi)容是線性控制和應(yīng)力監(jiān)控。懸臂施工的連續(xù)彎梁橋與直梁橋施工控制最大的不同是要平衡彎扭耦合引起的梁內(nèi)外側(cè)豎向位移差和橫向位移。

3．1線性控制

連續(xù)彎梁橋的施工線性控制包括平面線性控制豎向線性控制兩方面。平面線性控制主要控制曲梁中線各點(diǎn)的橫向坐標(biāo)，保證成橋后的線路中線位于設(shè)計(jì)位置；豎向線性控制主要控制梁底立模標(biāo)高，保證成橋后梁頂標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求。

高速鐵路彎梁橋線性控制需要建立精密的平面和高程控制網(wǎng)，而且橋的測量控制網(wǎng)要與軌道測量控制網(wǎng)一體化，這樣可以避免線上軌道和橋梁結(jié)構(gòu)測量精度不同造成的誤差過大。

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的位置觀測點(diǎn)在梁頂中線及中線兩側(cè)對稱布置，如圖2所示。0#塊梁上一般布置9～13個(gè)測點(diǎn)，中線上3個(gè)，兩側(cè)各3～5個(gè)，這些測點(diǎn)是各懸澆梁段定位的基準(zhǔn)點(diǎn)。各懸澆梁段上的測點(diǎn)布置在距梁段前端10～20CITI處的梁頂，一般為3～5個(gè)，這幾個(gè)測點(diǎn)可以準(zhǔn)確確定懸澆梁段的標(biāo)高、中線點(diǎn)坐標(biāo)和弦長，其中兩邊對稱的1和5、2和4測點(diǎn)還可以測定截面的扭轉(zhuǎn)變形。

(a)0#塊上的觀測點(diǎn)布置 (b)懸澆梁段上的觀測點(diǎn)布置

圖2箱梁線性控制觀測點(diǎn)

3．1．1豎向線性控制

懸澆梁段各測點(diǎn)的空間坐標(biāo)(主要包括標(biāo)高、橫向位置)的測量主要分3個(gè)階段：立模定位時(shí)、混凝土澆筑前后和預(yù)應(yīng)力張拉前后。

彎梁橋懸臂施工時(shí)豎向線性控制要控制各梁段每一個(gè)測點(diǎn)的立模標(biāo)高，這一點(diǎn)和直線梁橋不同。梁段各測點(diǎn)的立模標(biāo)高Hlm為

(1)

式中，H為設(shè)計(jì)標(biāo)高，由設(shè)計(jì)圖紙給出；H為計(jì)算所得的預(yù)拋度，包括施工時(shí)的梁段和掛籃重量、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、豎向靜活載、彎扭作用引起的豎向變位和體系轉(zhuǎn)換引起的豎向變位；△H為標(biāo)高施工調(diào)整值，主要考慮已澆梁端實(shí)測標(biāo)高、施工時(shí)臨時(shí)結(jié)構(gòu)(掛籃、支架)的撓度、混凝土施工時(shí)現(xiàn)場溫差引起的豎向變位、梁段施工時(shí)間間隔超過3個(gè)月的影響等。

3．1．2平面線性控制

彎梁橋懸臂施工時(shí)的平面線性控制主要控制各梁段中線終點(diǎn)的橫向坐標(biāo)。中線測點(diǎn)的立模橫向坐標(biāo)ylm為：

(2)

式中，為設(shè)計(jì)橫向坐標(biāo)，由設(shè)計(jì)圖紙給出;為計(jì)算所得的橫向坐標(biāo)預(yù)偏值，考慮預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土收縮徐變引起的橫向位移；為橫向坐標(biāo)的施工調(diào)整值，主要考慮已澆梁段端部實(shí)測橫向坐標(biāo)、混凝土施工時(shí)現(xiàn)場溫度及溫度變化引起的橫向變位、風(fēng)荷載引起的橫向變位以及梁段施工時(shí)間間隔超過3個(gè)月引起的橫向變位等。

3．2應(yīng)力監(jiān)控

采用懸臂施工的連續(xù)彎梁橋施工階段應(yīng)力監(jiān)控的目的是通過應(yīng)力量測，獲得主要施工階段(主要是預(yù)應(yīng)力張拉前后、合攏前后、體系轉(zhuǎn)換前后)關(guān)鍵截面、關(guān)鍵點(diǎn)處的實(shí)際施工應(yīng)力，并和計(jì)算所得應(yīng)力進(jìn)行比較，看是否吻合，判斷結(jié)構(gòu)是否處于可能開裂失穩(wěn)或破壞等極限狀態(tài)，由此確定施工方法是否合適，是否需要對施工方法進(jìn)行調(diào)整。

懸臂施工的連續(xù)彎梁橋應(yīng)力監(jiān)控的截面主要選擇墩兩側(cè)截面、邊跨和中跨跨中、L／4處等。測點(diǎn)要布置在應(yīng)力較大的位置。

圖3為觀測截面的測點(diǎn)布置圖。梁頂和梁底測點(diǎn)主要測試正應(yīng)力，根據(jù)測試結(jié)果判斷正應(yīng)力值和變化規(guī)律是否與計(jì)算結(jié)果吻合，判斷截面是否會開裂；腹板測點(diǎn)主要測試剪應(yīng)力或主應(yīng)力的值及變化規(guī)律，以及看斜截面是否會開裂。

圖

3應(yīng)力測點(diǎn)布置

應(yīng)力的量測一般采用應(yīng)變計(jì)，由測得的應(yīng)變再換算為應(yīng)力。應(yīng)變計(jì)測得的應(yīng)變是綜合應(yīng)變，包括了混凝土收縮、徐變、荷載和溫度引起的影響。在分析荷載引起的應(yīng)力分布規(guī)律時(shí)，要分離出溫度和混凝土收縮引起的應(yīng)變值。分離的辦法是通過在與應(yīng)力測點(diǎn)同一位置處埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)，測得溫度和混凝土收縮引起的應(yīng)變，然后從總應(yīng)變值中拋除，即：

(3)

式中，為應(yīng)變計(jì)測得的總應(yīng)變,為荷載、混凝土徐變引起的應(yīng)力應(yīng)變,為溫度、混凝土收縮引起的自由應(yīng)變，由無應(yīng)力計(jì)測得。

無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)時(shí)應(yīng)與應(yīng)變計(jì)綁在同一鋼筋位置上，如果該處尺寸較小，為防止截面削弱過大，也以在附近截面同樣位置埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)。

應(yīng)力監(jiān)控與施工階段結(jié)構(gòu)分析計(jì)算所得應(yīng)力結(jié)合進(jìn)行。

3．3高精度施工控制的程序

施工控制的一般步驟是：基本數(shù)據(jù)量測一識別所需的信息一施工分析、誤差分析和控制一對下一梁段施工數(shù)據(jù)提出預(yù)告一進(jìn)行下一梁段的施工一基本數(shù)據(jù)量測(循環(huán)進(jìn)行)。

基本數(shù)據(jù)的獲取和量測準(zhǔn)確性是高精度施工控制的依據(jù)。這些數(shù)據(jù)資料包括：高強(qiáng)高性能混凝土的材料性能及時(shí)變性，施工溫度，施工荷載，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的荷載變形曲線，各測點(diǎn)的標(biāo)高和平面坐標(biāo)，各測點(diǎn)的應(yīng)力等。這些數(shù)據(jù)資料的獲得需要進(jìn)行大量的工作。搜集分析高強(qiáng)高性能混凝土的材性資料并進(jìn)行現(xiàn)場混凝土試驗(yàn)以獲得混凝土材性的各項(xiàng)指標(biāo)；埋設(shè)溫度計(jì)量測混凝土內(nèi)部溫度變化；對可能出現(xiàn)的施工荷載進(jìn)行分析、計(jì)算；掛籃和支架等臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)壓獲得荷載一變形曲線；梁頂預(yù)埋鋼筋露頭作為各梁段標(biāo)高和平面位置定位的測點(diǎn)，在相應(yīng)點(diǎn)預(yù)埋應(yīng)變傳感器測試應(yīng)力。

施工分析、誤差分析和控制過程是高精度施工控制的保證。施工分析計(jì)算模型必須建立空間模型，建立平面模型的誤差會很大。施工分析采用正裝分析和倒裝分析相結(jié)合，計(jì)算各測點(diǎn)的理論位置和應(yīng)力，并與實(shí)測值相比較，結(jié)合現(xiàn)場溫度和混凝土材性進(jìn)行誤差分析，確定最優(yōu)施工狀態(tài)，預(yù)報(bào)下一階段施工梁段的立模標(biāo)高和平面坐標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]邵容光，夏淦．混凝土彎梁橋EM]．北京：人民交通出版社，1994：16-52

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。