杭臺鐵路椒江特大橋線形控制關鍵技術

韓曉強 王勝虎 薛紅云 王超

1.中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心，北京 100844；2.中鐵大橋局集團第四工程有限公司，南京 210031；3.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；4.中國國家鐵路集團有限公司 工程質量監(jiān)督管理局，北京 100844

1 工程概況

新建椒江特大橋為杭臺鐵路關鍵控制性工程之一，位于臺州市椒江區(qū)。橋梁全長5.3 km，設計速度250 km/h；設計為四線鐵路橋，含兩條杭臺鐵路及兩條沿海客運專線［1］。

椒江特大橋主橋為（84+156+480+156+84）m 雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋（圖1），全長962.7 m，為半漂浮體系，梁塔分離。加勁梁采用兩片N 形桁式主桁，主桁高14 m，主桁中心距24.3 m，共68 個節(jié)間，鐵路橋面采用正交異性復合鋼橋面。斜拉索采用公稱直徑?7 mm、抗拉標準強度1 860 MPa 的平行鋼絲拉索，平面雙索面體系，扇形布置，全橋共60對索［2］。

圖1 椒江特大橋主橋橋跨布置（單位：m）

鋼梁縱向分節(jié)段制造，現場整節(jié)段起吊拼裝架設，鋼梁共41 個拼裝節(jié)段，其中13 個單節(jié)間節(jié)段和28個雙節(jié)間節(jié)段。節(jié)段均為全焊結構，節(jié)段之間除上平聯交叉桿件、下弦桿頂板部位、橋面板橫縫為焊接外，弦桿的其他部位、斜桿采用高強度螺栓連接。主梁標準節(jié)段斷面結構見圖2。

圖2 主梁標準節(jié)段斷面結構

主橋平面位于直線上，立面位于+1.3‰、-1.3‰的縱坡上，變坡點位于主橋中跨跨中。椒江特大橋主橋橋面設計坡度無豎曲線過渡，軌面設計坡度采用30 km 半徑豎曲線過渡，軌面設計縱坡豎曲線部分通過調整道砟厚度實現。

橋梁鋪設有砟軌道，采用單層道床結構，除豎曲線外道砟厚度為415 mm。

2 施工方案及重點難點

主梁結構縱橋向以中跨跨中為對稱，采用邊跨頂推、中跨懸臂吊裝的總體施工方案。邊跨頂推單側13節(jié)段，中跨懸臂吊裝單側7 節(jié)段，1 節(jié)合龍段。在主塔墩旁支架上組裝導梁和架梁吊機，吊機起吊整節(jié)段鋼梁，與導梁、鋼梁連接拼裝，隨拼裝完成向邊跨側階段性頂推，頂推施工階段不掛設斜拉索；中跨懸臂吊裝階段隨中跨節(jié)段拼裝對稱掛設中、邊跨側斜拉索，滯后架梁吊機前支點一個節(jié)間張拉一次斜拉索，斜拉索張拉到位后吊裝下一節(jié)段，邊跨側壓重混凝土澆筑與中跨側懸臂吊裝穿插進行，直至中跨合龍。

施工重點難點分析如下。

1）起吊重量大、對接精度要求高。整節(jié)段吊裝最大質量972 t，節(jié)段間拼裝對接精度要求高，架設階段線形控制是重點。中跨懸臂吊裝階段要合理確定斜拉索初始張拉力，保證起吊架設時鋼梁結構受力安全、架梁吊機處于穩(wěn)定狀態(tài)不致溜車，同時確保兩側鋼梁在無應力曲率狀態(tài)下按制造對接狀態(tài)順利合龍。

2）二期恒載占比大，線形控制難度大。主梁結構自重換算成線荷載按31 t/m 計算，而二期恒載為33 t/m，二者的比例為1∶1.06。二期恒載加載前后橋梁的位移、應力響應變化大。兩階段狀態(tài)的巨大差異給索力調整帶來了很大難度，不同階段索力調整對線形影響的規(guī)律和程度不同，二期恒載施工后索力控制線形的變化規(guī)律很可能與計算分析結果產生很大差異而造成線形與設計不符。

3）軌面高程易超高。大跨度鋼桁梁斜拉橋軌面高程易出現較設計偏高的情況，尤其是二期恒載中道砟的荷載與設計計算時采用的數據存在偏差，造成無法準確分析線形受二期恒載影響的變化規(guī)律而造成線形失控。須要結合精準的恒載分析成果，確定各階段斜拉索索力，在確保結構安全的前提下，最大程度保證成橋線形與設計線形擬合一致［2］。

3 施工線形控制關鍵技術

根據線形控制目標，架設施工過程劃分成兩個階段［3-5］。①架設合龍階段：根據中跨合龍節(jié)段上下弦桿的無應力曲率線形確定中跨合龍狀態(tài)，合龍前的架設階段都以精準合龍為目標進行施工控制；②調整階段：結合二期恒載加載，通過調整斜拉索索力，達到設計成橋線形狀態(tài)。

3.1 施工線形控制原則

根據本橋的設計、施工特點，施工過程中采用以下線形控制基本原則。

1）兩個施工控制階段均遵循“線形控制為主、索力控制為輔”的基本原則。

2）各階段涉及的恒載據實修正，避免理論重量差異影響監(jiān)控目標。

3）全階段橋梁支座不得出現拉力且壓力不超過支座承載能力。

4）采用無應力狀態(tài)法進行施工控制，以有限元軟件進行主橋結構計算分析，以拋物線法進行計算校核，以懸鏈線法計算斜拉索的無應力索長，實現斜拉索無應力長度與結構分析的索力互換［6-8］。

3.2 主墩、橋塔預抬高措施

主墩、橋塔均為混凝土結構，材料收縮徐變特性、承載條件下壓縮和變形，以及上塔柱壓縮降低索錨點、主墩下橫梁壓縮降低支承點等的影響，都會導致主梁成橋線形偏低。為消除混凝土結構形變影響，對支座安裝高程和上塔柱斜拉索塔端錨點進行預抬高，預抬高高程見表1。具體步驟：①支座的安裝高程實行“雙控”，即以支座豎向對應的橋面測點高程進行控制定位，以支座下支座板底面的安裝高程進行復核定位。②斜拉索塔端錨點高程改變后，對斜拉索梁端、塔端水平傾角進行相應的修正計算。

表1 主梁支座下支座板預抬高高程

3.3 橋面絕對坐標控制措施

1）在鋼梁制造階段嚴格復核結構尺寸，發(fā)現問題及時糾正，確保加工精度和節(jié)段匹配精度滿足設計要求。

2）施工現場通過橋面絕對坐標系完成主梁無應力曲率對接和軸線糾偏。絕對坐標法指導大節(jié)段鋼梁拼裝不僅能消除橋面臨時荷載和環(huán)境因素影響帶來的偏差，而且能防止安裝誤差同向累積。

3.4 斜拉索張拉施工控制措施

斜拉索安裝時，初始拉力影響懸臂吊裝節(jié)段狀態(tài)，控制合龍線形，二次調索索力決定成橋線形。斜拉索初張以索力為控制指標，二次調索以塔端錨杯拔出量為控制指標。斜拉索正式張拉前，核查橋面臨時荷載情況，將固定荷載加載到結構分析模型中，在計算確定的初始索力基礎上計入臨時荷載影響的索力增量。

斜拉索正式張拉安排在夜間，溫度比較恒定。斜拉索為梁端錨固、塔端張拉施工，分五級進行，張拉過程中記錄塔端錨杯拔出量和千斤頂油壓表值，張拉結果采用塔梁數據相互校核。塔端錨點預抬值及斜拉索傾角修正見表2。當塔端錨杯拔出量與油壓表值同步增大時記錄張拉到位的塔端索力；采用頻譜法測試斜拉索梁端索力，反算塔端索力；當頻譜法計算索力與塔端索力的誤差在±5%以內，則確認斜拉索張拉到位。

表2 塔端錨點預抬值及斜拉索傾角修正

3.5 二恒加載與調索施工步序控制措施

成橋線形控制工作在主橋合龍時進行，架梁吊機等臨時荷載移除后以成橋線形為目標進行施工控制。橋梁二期恒載占比大，加載后總體荷載顯著增加；道砟鋪設并經搗固后的嵌鎖作用、鋼梁和軌道結構的組合作用造成主梁剛度增大，且剛度的提高值不能有效準確地量化；通過理論計算無法準確在實施階段控制好成橋線形。同時，施工現場采用1 200 t 級千斤頂作為斜拉索張拉設備，雖較最大設計索力高出約25%，但仍存在工作能力受限的不確定性。若先進行有砟軌道施工再進行二次調索，鋼梁高程壓低后，就需要很大的索力恢復線形，可能無法通過調索恢復線形或實際索力超限，且所需張拉力無法量化。綜合考慮，主橋二次調索施工在道砟攤鋪前進行。

3.6 調索精準控制措施

3.6.1 二次調索準備

1）道砟重度合理取值。結合五峰山長江大橋、滬蘇通長江公鐵大橋以及平潭海峽公鐵兩用大橋經驗［9］，本橋道砟重度采用17.5 kN/m3進行計算，而非結構計算中道砟重度21.0 kN/m3，規(guī)避大跨度橋梁線形控制中軌道高程偏高的常見現象。

2）梳理橋面臨時荷載，掌握主橋合龍后的結構實際狀態(tài)。將后續(xù)施工不需要的荷載移出主橋橋面范圍，將后續(xù)施工需要或暫時不能完全拆除的部分移到下橫梁位置處。橋面上未安裝完成的擋砟墻、護欄等附屬設施沿主橋縱向設計位置均勻放置；橋梁結構上未安裝完成的聯系桿件放置在相應設計節(jié)間的橋面上。產生荷載的設施和結構梳理清楚后定量加載，重新計算反饋結果；現場實際測量斜拉索梁端、塔端錨杯拔出量作為校核；從理論和實際兩個層面掌握結構狀態(tài)。

3）測算主橋整體實際剛度。采用臨時荷載進行代表性荷載-結構-線形擬合試驗，測算主橋合龍后的整體結構實際剛度。以架梁吊機自重作為試驗荷載，架梁吊機向主墩處移動，測量采集架梁吊機移動指定節(jié)間距前后的橋面高程、塔偏及相應斜拉索索力數據。試驗實測的數據指標和理論計算結果基本吻合，合龍后的鋼梁實際剛度與模型接近，可依據計算分析結論指導調索實施。

3.6.2 二次調索施工

1）二次調索與道砟施工順序：調索在塔柱內從上向下進行，主塔邊中跨同一索號（共4 根）的斜拉索同時調整；道砟施工從中跨跨中開始向邊跨方向攤鋪。

2）二次調索過程中測量各特征節(jié)點處測點高程以及橋塔塔偏。

3）每對斜拉索施工前需復核測量塔端錨杯拔出量是否與原拔出量一致，誤差限值為±5 mm。若錨杯實測拔出量誤差較大，應暫停調索施工，待重新復核計算后再進行施工。

3.6.3 局部調索達到成橋狀態(tài)

橋梁道床鋪設完成，經現場實測，中跨整體高程偏低且局部斜拉索索力不均勻。根據索力測量結果，通過有針對性地精準確定局部調索措施，保證了斜拉橋索力均勻性，同時橋梁線形整體得到改善，更加趨近于設計線形。二次成橋最終索力見表3。

表3 二次成橋最終索力

4 線形控制結果

4.1 橋面及軌道實測數據與設計值對比

在考慮溫度荷載影響的情況下，成橋狀態(tài)下中跨跨中節(jié)點處橋面高程低于設計高程35.6 mm，滿足低于TB 10752—2018《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》要求的梁寬1/500（48.6 mm）的要求。主橋下弦桿實測橋面線形偏差見圖3。

圖3 主橋下弦桿實測橋面線形偏差

椒江特大橋主橋下弦桿實測橋面線形見表4。可知：左線、右線最大偏差分別為-35.6、-15.3 mm。橋面鋪架施工和大機搗固后采用軌道小車對主橋軌道幾何狀態(tài)進行了測量，并將現場測量（25 ℃）的軌面高程折算成基準溫度（18 ℃）條件下軌面高程。與設計3‰軌面坡度比較，左線（杭臺下行）實測軌面高低偏差為-5.5～8.7 mm，跨中高程偏差為-5.2 mm。右線（杭臺上行）實測軌面高低偏差為-4.4～8.8 mm，跨中高程偏差為2.9 mm。靜態(tài)驗收實測軌面與設計高程偏差滿足TB 10754—2018《高速鐵路軌道工程施工質量驗收標準》容許偏差10 mm要求。

表4 成橋橋面線形

4.2 動態(tài)驗收情況

椒江特大橋橋上軌道幾何狀態(tài)動態(tài)檢測最大軌道質量指數為3.9 mm，遠小于規(guī)范軌道質量指數Ⅰ級偏差管理值7 mm要求。

5 結語

結合現場縝密組織，通過精確計算實現了大跨四線鐵路鋼桁梁精準合龍；通過理論研究計算，提前采取措施，施工實施階段加強控制，線形控制較好。經重點難點分析，確定了線形控制原則，采取了主墩橋塔預抬高、主梁橋面相對坐標系統在架設階段控制合龍線形，斜拉索張拉控制、二期恒載與調索步序調整、精準調索等系列措施，實現了精準線形控制目標。杭臺鐵路椒江特大橋已開通運營，運營過程中工作狀態(tài)良好。

近年來大跨度鐵路橋梁的線形控制面臨實際軌面高程與設計軌面高程存在較大偏差的問題，椒江特大橋在后續(xù)實施階段充分考慮道砟重度、線形精調等現實情況，針對性提出了相關技術對策，成功實現了橋面、軌面的線形目標，可為同類工程提供指導借鑒。