高速鐵路連續(xù)梁橋的線形控制與應(yīng)力控制

李重陽(yáng)

中國(guó)鐵建股份有限公司（100855）

由于高鐵及城鐵對(duì)線路的平順性要求極高，因此精確的線形控制是鐵路連續(xù)梁橋施工的關(guān)鍵。同時(shí)，應(yīng)力控制也是保證成橋后結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)相吻合，使成橋后橋梁徐變變形達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。以某鐵路橋梁（70+125+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔?介紹橋梁線形控制與應(yīng)力控制的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

1 工程概況

某高度鐵路連續(xù)梁橋采用無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)列車時(shí)速350 km/h。在跨越某高速公路處,采用 （70+125+70）m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋。該橋采用單箱單室變高度、變截面連續(xù)梁。箱梁梁底曲線按圓曲線變化，端支座處及邊跨直線段和跨中處梁高為5.2 m,中支點(diǎn)處梁高9.2 m。全橋箱梁頂板寬12.0 m，底寬7.0 m。全橋共設(shè)5道橫隔梁，分別設(shè)于端支點(diǎn)、中支點(diǎn)、中間跨跨中截面。該橋采用懸臂澆筑，采用菱形掛籃。全橋分兩個(gè)T構(gòu)對(duì)稱懸臂澆筑,每個(gè)T構(gòu)包括0 ～13號(hào)梁段,中支點(diǎn)0＃塊梁段長(zhǎng)度9 m,一般梁段長(zhǎng)度分成3 m和4.0 m,2個(gè)邊跨各有9.75 m的現(xiàn)澆段,邊、中跨合攏段均長(zhǎng)為2 m。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的建立

本橋采用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析,MIDAS具備單元激活與鈍化功能,可以很方便的模擬施工過(guò)程的正裝分析以及倒拆分析。全橋共離散為57個(gè)單元，58個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中零號(hào)塊采用托架施工，邊跨現(xiàn)澆段采用滿堂支架施工，其余梁段采用掛籃對(duì)稱懸臂施工。

在建模時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1）施工階段:全橋應(yīng)按照掛籃安裝、混凝土灌注、張拉鋼束等不同階段劃分施工階段，以便對(duì)線形和應(yīng)力詳細(xì)監(jiān)測(cè)。2）邊界條件:未合龍時(shí)零號(hào)塊處墩梁固結(jié)，合龍時(shí)約束釋放，轉(zhuǎn)化為鉸接和鏈桿約束，以適應(yīng)梁體轉(zhuǎn)動(dòng)和縱橋向位移。3）體系轉(zhuǎn)換:按照邊跨合攏、中跨合攏的順序進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換。

MIDAS計(jì)算模型如下圖1所示。

3 鐵路連續(xù)梁橋施工控制方法

為保證橋梁的安全建設(shè)，使最終的主梁線形和恒載內(nèi)力與設(shè)計(jì)相吻合，選擇科學(xué)合理的控制方法是非常重要的。（70+125+70）m連續(xù)梁橋施工監(jiān)控采用先進(jìn)的自適應(yīng)控制法。參數(shù)誤差識(shí)別采用Kalman濾波法。

自適應(yīng)控制法是指在施工控制開始時(shí)，控制系統(tǒng)的某些設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際情況不完全吻合，此時(shí)可以通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別或參數(shù)估計(jì),調(diào)整計(jì)算模型的參數(shù)，使設(shè)計(jì)輸出與實(shí)測(cè)結(jié)果相符,進(jìn)而使實(shí)際問(wèn)題得到解決。得到修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)，按反饋控制方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。這樣，經(jīng)過(guò)若干工況的反復(fù)辨識(shí)后，計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)趨于一致,在此基礎(chǔ)上可以對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行更好的控制。自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

參數(shù)誤差識(shí)別過(guò)程是自適應(yīng)控制的關(guān)鍵，其任務(wù)就是根據(jù)對(duì)控制目標(biāo)（如內(nèi)力、標(biāo)高和結(jié)構(gòu)應(yīng)力）的測(cè)量值與計(jì)算值之間的誤差反算施工模擬計(jì)算所選用的參數(shù)是否合理,如混凝土的彈性模量、主梁自重集度、掛籃剛度、徐變系數(shù)等。本文所述及的（70+125+70）m連續(xù)梁橋的參數(shù)誤差識(shí)別采用Kalman濾波法。

4 線形控制

線形控制是橋梁施工控制的重要工作之一。使用全站儀對(duì)主梁軸線進(jìn)行測(cè)量，保證箱梁懸灌端的合攏精度和橋面變形。主梁的線形監(jiān)測(cè)應(yīng)以線形通測(cè)和局部塊件高程測(cè)量相結(jié)合，在主梁塊件澆筑及掛籃移動(dòng)后進(jìn)行。

4.1 懸臂澆筑各節(jié)段立模高程的確定

懸臂澆筑段前端底板和橋面高程應(yīng)根據(jù)掛籃垂直變形和梁體預(yù)拱度進(jìn)行設(shè)置。而預(yù)拱度是受到梁體自重、預(yù)應(yīng)力張拉、溫度、收縮徐變等多方面因素的影響。懸臂結(jié)構(gòu)逐段澆筑，后節(jié)段的受力情況對(duì)前節(jié)段產(chǎn)生作用。因此現(xiàn)澆梁段的預(yù)拱度=本段和后面所有各段混凝土和張拉預(yù)應(yīng)力束的累計(jì)撓度+二期恒載作用下產(chǎn)生的撓度+1/2活載產(chǎn)生的撓度+從澆筑至設(shè)計(jì)使用10年中混凝土收縮徐變引起的撓度。

4.2 線形控制結(jié)果

成橋線形是在橋梁合龍后約一年的時(shí)間，對(duì)全橋進(jìn)行了成橋線形測(cè)量。此時(shí)橋梁的二期恒載已經(jīng)鋪設(shè)完畢，徐變變形按照理論計(jì)算約完成80%。測(cè)得的成橋線形與理論計(jì)算值比較結(jié)果如下表1所示，限于篇幅僅記錄部分?jǐn)?shù)值。

表1 成橋線形控制結(jié)果

為了更直觀的分析成橋線形控制的結(jié)果，將成橋后的橋面實(shí)測(cè)高程和設(shè)計(jì)成橋線形繪制成圖，如下圖3所示。

從表1和圖3分析可以得出，該橋的線形控制結(jié)果良好，滿足鐵路連續(xù)梁施工技術(shù)交底要求和相關(guān)規(guī)范的要求。

5 應(yīng)力控制

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在懸臂施工的過(guò)程中，從結(jié)構(gòu)安全的角度，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最令人關(guān)注。

主梁應(yīng)力的測(cè)試是監(jiān)測(cè)主梁在施工過(guò)程中主梁是否安全的一種輔助手段。盡管理論計(jì)算結(jié)果表明了其安全性，但在實(shí)際施工中可能存在著不可預(yù)計(jì)的因素（如施工荷載、混凝土彈性模量、預(yù)應(yīng)力大小的變異，施工流程的改變等）會(huì)使主梁的受力與理論計(jì)算結(jié)果有差異，因此必須進(jìn)行主梁應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，確保結(jié)構(gòu)安全。

5.1 應(yīng)力截面及測(cè)點(diǎn)布置

在懸臂施工的過(guò)程中，對(duì)T構(gòu)根部的頂板和底板應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。應(yīng)力計(jì)的埋設(shè)位置如圖4所示。

5.2 應(yīng)力控制結(jié)果

懸臂澆筑的施工過(guò)程中，每一個(gè)梁段都對(duì)每個(gè)T構(gòu)的應(yīng)力計(jì)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量時(shí)，考慮了測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的溫度，由程序自動(dòng)進(jìn)行溫度修正，得出每個(gè)施工階段T構(gòu)根部頂板和底板的應(yīng)力。限于篇幅，部分測(cè)量的應(yīng)力結(jié)果如下所示。

表2 629#墩T構(gòu)近南京側(cè)截面箱梁應(yīng)力測(cè)試記錄測(cè)試工況:1#塊混凝土澆筑后

表3 629#墩T構(gòu)近杭州側(cè)截面箱梁應(yīng)力測(cè)試記錄測(cè)試工況:1#塊混凝土澆筑后

從以上給列舉的部分應(yīng)力監(jiān)測(cè)記錄可以看出:在懸臂施工的過(guò)程中，T構(gòu)根部的頂板和底板應(yīng)力均在規(guī)范允許的范圍值之內(nèi)，因而，在懸臂施工的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)處于安全可控狀態(tài)。

6 結(jié)論

1）由于鐵路提速，對(duì)鐵路橋梁平順性要求日益提高。故施工控制在鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的懸臂施工中起著重要作用，監(jiān)控是一個(gè):施工→量測(cè)→識(shí)別→修正→預(yù)報(bào)→施工的循環(huán)過(guò)程。只有結(jié)構(gòu)有限元理論計(jì)算和施工監(jiān)控相結(jié)合，才能保證施工線形和應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）通過(guò)對(duì)比線形、應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值可知，橋梁各施工階段中，線形與應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，二者誤差較小，說(shuō)明本文采用的有限元計(jì)算模型與實(shí)際較符合,線形與應(yīng)力控制方法也是合理的，可用于同類型鐵路橋梁的施工控制。

[1]葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]顧安邦,張永水.橋梁施工監(jiān)測(cè)與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社,2000.