城市橋梁短線法節段預制拼裝關鍵技術控制研究

楊勝， 楊偉

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 2.洛陽璟信公路工程科技發展有限公司)

短線節段預制懸拼施工技術具備成本低、效率高、可控性好、受惡劣條件影響小等優點正在被橋梁界廣泛采用。由于在實際預制及拼裝工程中受各種因素及誤差的影響，導致節段梁的線形與實際理論計算線形有所偏差，預制線形及拼裝后的橋梁線形直接關系到成橋后的結構受力、結構耐久性、外觀質量。為確保成橋后的線形能更好地滿足設計要求,對于節段預制拼裝箱梁橋施工來說, 在各施工階段其對線形控制的研究、監控量測非常重要。

1 工程概況

鄭州市四環線及大河路快速化工程是鄭州市主城區“兩環三十一放射”快速路系統中“兩環”的外環，由大河路、東四環、南四環及西四環組成閉合環線，路線全長約93.3 km，全程采用世界先進的工業化3.0節段預制拼裝技術，要求的設計標準非常高，對精度的要求極高。

全線采用城市快速路標準，主線設計速度80 km/h，西四環、大河路、南四環采用高架快速路形式，標準橫斷面組成為：高架快速路(雙向八車道)+地面主干路(雙向八車道)+輔路；大河路(107輔道以東段)、東四環采用地面快速路形式，標準橫斷面組成為：主線地面快速路(雙向十車道)+輔路。

主線路中分幅典型預制橋梁箱梁節段在預制場地采用短線法預制，相鄰節段采用連續澆注，利用已預制好的梁端作為相鄰梁段的端模。箱梁豎曲線和平曲線可由高精度的折線擬合形成，通過梁段上下緣長度不同形成豎曲線或通過左右長度不同形成平曲線，梁段預制過程中保持各端面為正交面。墩頂0#塊與預制節段間設置15 cm濕接縫，跨中合龍段采用現澆。

2 預制階段線形控制原理及方法

2.1 預制線形控制原理

預制階段短線法節段預制線形控制是通過改變相鄰梁段的空間坐標來控制梁段的線形。預制時可先在底模上精準測量出箱梁平豎曲線，然后計算各梁段各控制點的空間坐標,同時加以控制，再把實測值同理論值進行對比,同時在下一預制階段進行誤差修正。可將箱梁設計中心線線形所在的實際空間位置、各待澆梁段分別作為整體坐標和局部坐標系,再根據坐標轉換來確定匹配梁的理論坐標。

建立兩個坐標系(OXY)和(oxy)，將OXY坐標系上的坐標(X,Y)轉換成oxy坐標系上的坐標(x,y)，兩坐標系的夾角設為α，設oxy坐標系的原點在OXY坐標系的坐標為(X0,Y0)，坐標系如圖1所示。

通過兩個坐標系的相對位置進行坐標轉換，得到如下關系：

圖1 坐標系示意圖

(1)

矩陣形式為：

(2)

2.2 空間坐標轉換原理

在節段梁每一拼接接縫位置處布置如圖2所示的3個坐標控制點，其中L、R分別為左、右邊控制點，其主要控制節段梁高程；C為箱梁中心線處在平面位置的主要控制點。設整體坐標系為(O-X,Y,Z)，其中X軸方向沿橋梁縱向(方向同節段梁頂面中心線保持一致)，Y軸沿箱梁橫向方向，Z軸方向為箱梁高度方向，3個方向滿足右手螺旋法則。設第i個接縫處的控制點為Li、Ri、Ci,(XLi、YLi、ZLi)、(XRi、YRi、ZRi)、(XCi、YCi、ZCi)分別為控制點在整體坐標系中3個方向的坐標，3個點的坐標構成了第i個接縫處的控制量，設{δLi}=[XLi、YLi、ZLi]T、{δRi}=[XRi、YRi、ZRi]T、{δCi}=[XCi、YCi、ZCi]T，記向量{δi}=[δLi、δCi、δRi]T。

圖2 接縫處控制點平面示意圖

在預制時可把第n節段的端模作為n+1節段的端模，根據兩節段接縫i處的位置關系可確定一個局部坐標系,將接縫i處的C點設為該局部坐標系的原點,可根據相鄰兩個接縫C點的連線確定局部坐標系x軸,即從n節段接縫的C點指向n+1節段接縫的C點,局部坐標系y軸垂直于x軸，局部坐標系的z軸垂直于xy平面，方向滿足右手螺旋法則。

(3)

通過將向量轉換，即可得到第i接縫處由整體坐標系轉換至局部坐標系的轉換矩陣，如式(4)所示：

(4)

則第j接縫處的3個控制點在i接縫處位置局部坐標系中的坐標為：

{δj}i=[Ti]{δj}+{Δ}

(5)

式中：{δj}i為j接縫在i接縫處局部坐標系下的坐標；{δj}為j接縫處在整體坐標系中的坐標；[Ti]為坐標轉換對角矩陣；{Δ}為兩坐標系原點的相對偏移向量。

當j接縫處Cj為局部坐標系的原點時，即可得到：

{δ}=-[δCj,δCj,δCj,δCj]T

(6)

計算第n個預制節段向其相鄰節段的偏移量，可先算出相鄰節段接縫i處的局部坐標系，以此計算i-1及i位置控制點的坐標{δi-1}i、{δi}i，最后計算i+1接縫處為局部坐標系原點時前兩個接縫處的坐標{δi-1}i+1、{δi}i+1，兩者之差就是第n個預制節段的偏移量[Di]：

(7)

計算偏移量[Di]的關鍵是計算控制點C點位于局部坐標系下的x、y坐標以及L、R點的z坐標。

2.3 預制階段線形控制方法

節段梁預制時必須設置合理的“制造提前量”，包括堅向、橫向、軸向及轉動方向變量數據。“制造提前量”與架設工法、架設裝備等緊密相關，且全部在預制場內進行節段預制時考慮。作為預制場三維線形控制工作的一部分，計算“制造提前量”時需充分考慮整體結構施工工序與體系轉換的過程、上下部各結構構件相互關系、現場實際混凝土彈性模量、預應力管道摩阻等因素。

模板精度及相鄰梁段精度、定位精度、精準測量精度是梁段預制的關鍵。為確保成橋線形能滿足設計要求，預制階段一定要做好實時精準測量，可在節段箱梁的頂板處設置如圖3所示的6個控制點。

圖3 節段測量控制點示意圖(單位：mm)

通過對6個控制點的三維空間坐標進行測量,再根據上述轉換公式得出偏移量即可確定下一預制節段的空間相對位置。

在實際預制階段，不同線形的節段箱梁可通過如下的方法實現：

(1) 當箱梁為直線時，n+1節段可利用n節段平移實現。

(2) 當預制線形為平曲線時，可先將相鄰待匹配的梁段移動至預定位置，最后在平面上旋轉一定的夾度α即可。

(3) 當預制線形為豎曲線時，可先將相鄰匹配梁段移開，最后通過在立面上旋轉一定的夾角α來實現。

節段梁在預制過程中處于零應力狀態,其制作預拱度可根據切線初始位移法計算出的主梁豎向變形累計值反號獲得。

2.4 節段預制誤差控制分析

在預制節段及時將匹配節段的水平位移、豎向高程的實測值同理論計算值進行對比，如發現誤差為避免誤差傳遞，必須采取措施進行誤差控制。該過程中可能出現的誤差主要有梁長誤差和偏角誤差。偏角誤差是指在梁體澆筑過程中相鄰匹配梁段位置出現偏移引起角度改變。

假設以n-1號節段作為端模來預制第n號塊時，若n-1號節段發生了偏角，那么n號節段的線形就會產生誤差，為避免誤差往下傳遞，此時可對n號節段箱梁的坐標值進行修正，盡可能使n+1號節段箱梁的線形誤差減小，以此消除在預制過程中誤差的累積。

假設以n-1號塊為端模預制n號塊時，其角度發生偏移α，如圖4所示。

圖4 節段誤差示意圖

根據拼裝先后順序，先拼裝n-1號節段，再拼裝第n號節段，此時假定n-1號節段未出現偏移，但第n號節段出現了一個偏角α，n號節段由j移動到了j′位置，n+1號節段由i移動到i′位置。如圖5所示。

圖5 線形修正示意圖

為使后續梁段線形準確，可通過修正第n+1號節段的j端坐標。根據n號塊中線梁長的實測結果對n+1號節段的理論梁長進行修正：

(8)

(9)

立面誤差角計算：

ΔY=Yj-Yi

(10)

式中：Yj、Yi分別為n-1號節段j、i端位于整體坐標系中的坐標。

當ΔY>0時，有：

(11)

當ΔY<0時，有：

(12)

n號節段i端的理論坐標可先以n號節段j端為原點建立如圖6所示的局部坐標系，假設n號節段i端在平面及立面上轉動αp、αl到修正后的理論位置i′,可先計算αp、αl，再通過平立面旋轉,把旋轉后的i′在局部坐標下進行投影,再通過坐標系轉換，旋轉時忽略對x、y坐標的影響。由于梁段旋轉方向和所在象限不同,偏角α′的計算有所不同,該文僅對圖6中象限進行說明。

圖6 線形修正計算示意圖

(13)

經過平面、立面旋轉后,n號節段i端位于整體坐標系中的坐標值分別如下式所示：

(14)

根據誤差糾偏后的線形即可得到已澆筑節段6個控制點在相鄰匹配段的坐標值了。根據這6個控制點的坐標值來對相鄰的匹配節段進行定位控制,即可減小已澆筑梁段誤差對后續梁段線形的影響。

3 節段箱梁施工線形計算

主線16.5 m典型高架預制橋梁采用連續-剛構體系預制梁，中墩剛構，邊墩采取方支座的形式，主梁采用單箱單室等高斜腹板預應力混凝土箱梁，節段預制拼裝。中墩和邊墩墩頂0號節段采用現澆。根據構造及施工架設需要，36～40 m跨徑的中跨、邊跨均劃分為12個預制節段，采用對稱懸臂拼裝的工藝成型，預制節段長度分別為2.9與2.4 m，橋寬16.5 m，梁高2.2 m。墩頂現澆0號節段與1號預制節段間設置15 cm現澆濕接縫，跨中合龍段采用現澆施工。

主線路中分幅16.5 m寬典型預制橋梁主梁采用單箱單室等梁高斜腹板預應力混凝土箱梁。頂板設單向橫坡，利用箱梁整體旋轉來形成。單個箱梁寬度為16.5 m，底板寬度2.8 m，懸臂長度為4.0 m，箱梁梁高為2.2 m，翼緣板設橫向扁錨預應力鋼束。箱梁跨中斷面如圖7所示，節段梁參數如表1所示。

圖7 跨中橫斷面圖 (單位：mm)

表1 邊跨及中跨節段參數

3.1 模型建立

選取一聯路中分幅3×40 m典型跨徑直線段節段拼裝橋梁進行研究，采用Midas/Civil建立有限元模型，全橋共劃分4 846個節點，4 829個單元，主梁及下部結構均采用梁單元模擬，樁基樁土效應采用節點彈性支撐進行模擬；橋墩采用C50混凝土，上部結構預制拼裝部分采用C60混凝土，預應力筋采用1 860MPa鋼絞線，施工階段劃分如表2所示。計算荷載：自重、二期恒載、預應力荷載、收縮徐變、活載、溫度荷載、汽車撞擊力荷載等。

表2 施工階段劃分

3.2 變形計算分析

預制階段的關鍵是要考慮梁體的施工預拱度。在各荷載組合作用下主梁變形曲線如圖8所示，各荷載作用下變形值累加即可得節段梁的制作預拱度(圖9)，以此為節段梁的預制線形提供依據。

由圖8、9可以看出：在未施加預應力之前，主梁在自重作用下產生的最大累計撓度為60 mm，施加完預應力以后，預應力作用下產生的最大累計撓度為75 mm；在荷載組合作用下，在施加預應力以后，全橋的預拱度曲線明顯下移，其全橋的最大值從76.3 mm下降到12.6 mm，變化幅度達63.7 mm。綜上可以看出預應力的作用是明顯的，驗證了節段箱梁在連續狀態下張拉通長預應力以后用于抵抗二期恒載以及活荷載作用的有效性。

圖8 荷載作用下主梁撓度圖

圖9 主梁預拱度

3.3 線形控制計算

通過有限元模擬分析計算得出的預拱度是節段梁在預制階段線形控制的目標值。根據6個控制點的坐標值,同時進行誤差糾偏,即可得到各梁段在匹配位置的理論數據,以此指導梁段制造。現場預制控制測點如圖10所示，限于篇幅，該文僅列出路中分幅3×40 m(墩號09Z108～09Z111)典型跨徑橋梁，邊跨靠近09Z109號墩側1#～6#塊的控制點坐標，如表3～5所示。

圖10 各控制點平面示意圖

表3 預制階段控制線1坐標 mm

表4 預制階段中心線坐標 mm

續表4

節段編號XYZ09Z-109-108-R05F′61 493.854 667 664.232103.335 9E′61 493.948 967 661.519 6103.301 809Z-109-108-R06F′61 493.955 267 661.324 7103.299E′61 494.031 967 658.631103.277

表5 預制階段控制線2坐標 mm

梁段預制好后,將各梁段各控制點的局部坐標值通過轉化即可得到在拼裝節段線形控制的目標值，如表6～8所示。

表6 拼裝階段控制線1坐標 mm

表7 拼裝階段中心線坐標 mm

表8 拼裝階段控制線2坐標 mm

根據有限元計算出來的制造線形結合預制現場實測數據進行梁段預制計算,得出了已成梁段在匹配位置的理論值,這是預制階段線形控制的目標值。梁段預制好后,根據安裝線形將各梁段在現澆位置各控制點的局部坐標值轉化到安裝線形整體坐標系下,得出安裝階段線形控制的坐標值。預制節段梁在架設過程中,經現場實際測量發現實測與理論平面線形差值較小,標高的差值能控制在±5 mm以內,誤差均能滿足設計要求。說明在預制時產生的誤差,能夠及時地進行調整,保證了合龍時的精度。

3.4 施工臨時預應力

梁段在拼裝后需施加臨時預應力，其作用是給予節段斷面施加一定的壓力，使環氧樹脂膠更好地固化，從而將梁段連接成整體，確保已拼裝節段在永久預應力鋼束張拉之前各接縫處不會發生錯動。臨時預應力應在全跨節段拼接完畢及第一批縱向通長預應力鋼絞線施力完畢后按順序拆除。

為滿足環氧樹脂膠的固化要求，需對臨時預應力張拉力進行控制，確保接縫截面位置在臨時預應力張拉時不出現拉應力，計算模型如圖11所示，節段截面面積A=8.58 m2,I=4.06 m4,G=647 kN。

圖11 臨時預應力簡化計算模型(長度單位：mm)

根據簡化模型可得到以下方程：

(15)

臨時預應力張拉過程中，為避免接縫位置上下緣出現拉應力，需滿足下式：

(16)

主要材料力學性能參數如表9所示。

表9 主要材料力學性能

如預應力張拉順序不合理，將會對橋梁線形造成不利影響。如解除順序不當，箱梁節段下緣可能產生拉應力，節段將產生有害裂縫。張拉時采用頂板與底板上下同時張拉，橫向按先中間再兩側的順序對稱張拉。臨時預應力解除時，必須在全橋鋼束所有永久鋼束張拉完成后進行。

3.5 線形糾偏措施

懸臂拼裝的關鍵是主梁的變形控制,即使已經考慮了制作預拱度,由于在現場架設過程中受各種因素的影響，會引起拼裝線形與理論線形有一定偏差。因此有必要采取糾偏措施對后續拼裝梁段的標高加以調整,以保證預應力張拉完后橋梁的整體線形接近設計線形。

梁端在某個拼裝階段的目標高程可根據下式得到：

hnn=hnd-hn1-hn2

(17)

式中：hnn為設計標高；hnd為下部結構在后續拼裝過程中的累計變形量；hn1為該位置在后續階段的累計變形量；hn2為當前拼裝階段的目標標高值。

在懸臂拼裝時若發現測量數據結果超出線形控制允許的誤差范圍，必須對下一拼裝梁段進行糾偏。可采取的調整措施有：臨時預應力的大小調整，臨時配重調整，拼接縫涂膠層的厚度調整，以及必要時對主梁增加現澆縫等。

(1) 改變膠層厚度(圖12)：根據對上部結構變形特點的計算，對不同位置的涂膠層厚度進行調整。此過程可通過材質為環氧樹脂的墊片進行調整，材料強度應不小于混凝土強度。加設墊片后,拼縫墊圈厚度也要隨之增加,增厚方法將兩層黏在一起,此時涂膠厚度也應隨之改變。

圖12 立面調整示意圖

由于墊塊厚度較薄，可根據：

(18)

得到：h=bL/H

式中：b為墊塊厚度；H為節段梁梁高；L為節段梁梁長；h為該梁段可調節高度。

平面調整可把式(18)中h改為梁寬即可，根據不同厚度的墊塊可以調整的誤差范圍,再進行相應調整，盡可能確保拼裝線形的精度。

(2) 臨時預應力：根據臨時預應力鋼筋的張拉時間，通過頂、底板和內外側的臨時預應力張拉力的不同，在保證膠結強度和厚度的要求下，微調懸拼梁段前端的位置。

(3) 濕接縫：當線形定位出現錯誤或線形誤差過大致使不能采取上述兩種方法調整時，可利用無收縮水泥砂漿增設濕接縫的方式進行調整。此外節段預制誤差、懸拼誤差以及斷鏈問題都可以采用此方法。該方法會引起節段梁的拼接長度增長，導致預制階段控制點坐標在箱梁架設時會有不同，使用該方法需找出兩者的不同，重新計算新的坐標架設數據。

4 結論

以鄭州市四環線及大河路快速化工程為實際工程背景，對箱梁在不同施工階段的線形控制原理進行研究，得到了箱梁在預制階段的坐標轉換公式，同時對預制階段的預制誤差及線形糾偏做了說明。通過對一聯3×40 m橋梁建立模型，計算得到梁段在預制過程中的預拱度，在預制過程中考慮各種誤差修正，然后根據制造線形結合梁場實測數據，將各梁段各控制點的局部坐標值通過轉化得到在拼裝節段線形控制的目標值，以此來指導施工，同時考慮了節段梁在架設階段的線形糾偏措施，以此保證預應力張拉完后橋梁的整體線形接近設計線形，對實際施工具有指導意義。