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)運營的路段橋梁比重占到了52％。高速鐵路要求列車運行安全、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)梁橋為首選。

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為墩梁固結(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鉸支座，體系轉(zhuǎn)換時，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，在施工控制時需要平衡這個位移差。

(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)在施工控制時必須要考慮。

圖1 懸臂彎梁在系統(tǒng)升溫時的溫度效應(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的橫向坐標，保證成橋后的線路中線位于設(shè)計位置；豎向線性控制主要控制梁底立模標高，保證成橋后梁頂標高滿足設(shè)計要求。

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個測點，中線上3個，兩側(cè)各3～5個，這些測點是各懸澆梁段定位的基準點。各懸澆梁段上的測點布置在距梁段前端10～20CITI處的梁頂，一般為3～5個，這幾個測點可以準確確定懸澆梁段的標高、中線點坐標和弦長，其中兩邊對稱的1和5、2和4測點還可以測定截面的扭轉(zhuǎn)變形。

(a)0#塊上的觀測點布置 (b)懸澆梁段上的觀測點布置

圖2箱梁線性控制觀測點

3．1．1豎向線性控制

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

彎梁橋懸臂施工時豎向線性控制要控制各梁段每一個測點的立模標高，這一點和直線梁橋不同。梁段各測點的立模標高Hlm為

(1)

式中，H為設(shè)計標高，由設(shè)計圖紙給出；H為計算所得的預(yù)拋度，包括施工時的梁段和掛籃重量、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為標高施工調(diào)整值，主要考慮已澆梁端實測標高、施工時臨時結(jié)構(gòu)(掛籃、支架)的撓度、混凝土施工時現(xiàn)場溫差引起的豎向變位、梁段施工時間間隔超過3個月的影響等。

3．1．2平面線性控制

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

(2)

式中，為設(shè)計橫向坐標，由設(shè)計圖紙給出;為計算所得的橫向坐標預(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；為橫向坐標的施工調(diào)整值，主要考慮已澆梁段端部實測橫向坐標、混凝土施工時現(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間間隔超過3個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)鍵點處的實際施工應(yīng)力，并和計算所得應(yīng)力進行比較，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。測點要布置在應(yīng)力較大的位置。

圖3為觀測截面的測點布置圖。梁頂和梁底測點主要測試正應(yīng)力，根據(jù)測試結(jié)果判斷正應(yīng)力值和變化規(guī)律是否與計算結(jié)果吻合，判斷截面是否會開裂；腹板測點主要測試剪應(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)力測點布置

應(yīng)力的量測一般采用應(yīng)變計，由測得的應(yīng)變再換算為應(yīng)力。應(yīng)變計測得的應(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，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)力測點同一位置處埋設(shè)無應(yīng)力計，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)力計測得。

無應(yīng)力計埋設(shè)時應(yīng)與應(yīng)變計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。

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

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)告一進行下一梁段的施工一基本數(shù)據(jù)量測(循環(huán)進行)。

基本數(shù)據(jù)的獲取和量測準確性是高精度施工控制的依據(jù)。這些數(shù)據(jù)資料包括：高強高性能混凝土的材料性能及時變性，施工溫度，施工荷載，臨時結(jié)構(gòu)的荷載變形曲線，各測點的標高和平面坐標，各測點的應(yīng)力等。這些數(shù)據(jù)資料的獲得需要進行大量的工作。搜集分析高強高性能混凝土的材性資料并進行現(xiàn)場混凝土試驗以獲得混凝土材性的各項指標；埋設(shè)溫度計量測混凝土內(nèi)部溫度變化；對可能出現(xiàn)的施工荷載進行分析、計算；掛籃和支架等臨時結(jié)構(gòu)進行預(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高和平面位置定位的測點，在相應(yīng)點預(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，計算各測點的理論位置和應(yīng)力，并與實測值相比較，結(jié)合現(xiàn)場溫度和混凝土材性進行誤差分析，確定最優(yōu)施工狀態(tài)，預(yù)報下一階段施工梁段的立模標高和平面坐標。

參考文獻

[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。