鐵路大跨度連續(xù)梁預(yù)制膠拼施工線形控制技術(shù)

朱海燕

中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600

預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂膠拼連續(xù)梁橋在施工過程中首先要通過T形剛構(gòu)的節(jié)段施工形成主梁，然后通過邊跨合龍進(jìn)行第一次體系轉(zhuǎn)換，最后通過中跨合龍進(jìn)行第二次體系轉(zhuǎn)換。整橋結(jié)構(gòu)從施工到成橋狀態(tài)要經(jīng)歷復(fù)雜的受力轉(zhuǎn)換過程，要保證整橋施工過程的結(jié)構(gòu)安全性和成橋狀態(tài)下梁體線形及內(nèi)力均處于最優(yōu)狀態(tài)［1-2］。對于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，線形控制尤為重要。特別是大跨度預(yù)制膠拼連續(xù)梁在懸臂拼裝施工中線形可調(diào)性小，其線形控制的關(guān)鍵在預(yù)制節(jié)段，預(yù)制節(jié)段的預(yù)拱度設(shè)定是關(guān)鍵中的重點［3］。

對于懸臂膠拼連續(xù)梁橋，無論采用長線法預(yù)制還是短線法預(yù)制，在預(yù)制過程中各預(yù)制臺座均須對預(yù)制梁的高程進(jìn)行精確測量，并計算、核查整橋的預(yù)制高程線形，這是預(yù)制過程的控制重點。而后基于設(shè)計單位的成橋線形要求，根據(jù)施工工序和各施工階段的理論線形變化進(jìn)行預(yù)制線形及施工撓度理論計算，確定各節(jié)段梁在無應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)制線形，因此明確預(yù)制線形尤為重要［4］。最后依據(jù)施工過程理論撓度值計算安裝線形，通過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，調(diào)整安裝線形。目前，對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂澆筑的施工控制研究較多，而對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋懸臂拼裝的施工控制開展的研究相對較少。隨著節(jié)段拼裝施工工藝在鐵路行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，適用橋型不斷擴展，懸臂膠拼連續(xù)梁施工工藝會得到更多的應(yīng)用。本文基于京唐（北京—唐山）鐵路潮白新河特大橋80 m節(jié)段膠拼連續(xù)梁工程，對高速鐵路懸臂膠拼連續(xù)梁預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行研究，以實現(xiàn)橋梁的最終成橋線形達(dá)到設(shè)計要求的目標(biāo)。

1 工程概況

新建京唐鐵路潮白新河特大橋跨越跨潮白新河大堤，潮白新河河道寬800 m?？卓绮贾脼?×（48+80+48）m雙線連續(xù)箱梁+16×40 m雙線簡支箱梁+1×（48+80+48）m雙線連續(xù)箱梁。主跨（圖1）為80 m節(jié)段膠拼連續(xù)梁。80m連續(xù)梁每聯(lián)質(zhì)量7047.6t，分為43個梁段。該橋連續(xù)梁及簡支梁采用新工藝節(jié)段預(yù)制膠拼法施工，采用TPZ80∕2500型移動支架造橋機架設(shè)施工［5］。

圖1 主跨80 m節(jié)段膠拼連續(xù)梁構(gòu)造（單位：cm）

施工過程為：0#梁段就位→1#—3#、1"#—3"#梁段懸臂膠拼并張拉→4#—6#、4"#—6"#梁段懸臂膠拼并張拉→7#—9#、7"#—9"#梁段懸臂膠拼并張拉→10#—11#梁段懸臂膠拼并張拉→合龍段現(xiàn)澆并終張拉。膠拼過程預(yù)應(yīng)力張拉后均拆除吊桿，完成一次體系轉(zhuǎn)換。

2 理論計算方法

連續(xù)梁節(jié)段預(yù)制是在無應(yīng)力狀態(tài)下完成的，且整聯(lián)連續(xù)梁均在預(yù)制廠內(nèi)完成，節(jié)段膠接過程中幾乎不考慮線形的可調(diào)性。節(jié)段無應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)制線形控制著邊跨端頭段的就位，直接決定著最終的成橋線形。無應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)制線形要考慮梁段架設(shè)過程的線形變化以及成橋后恒載、凈活載和混凝土收縮徐變等對線形的影響。因此預(yù)制線形的設(shè)置至關(guān)重要。

由于連續(xù)梁的節(jié)段梁架設(shè)過程采用造橋機進(jìn)行吊裝作業(yè)，可以滿足每個施工工況梁段安裝。預(yù)應(yīng)力張拉前為無應(yīng)力狀態(tài)，新安裝梁段的初始位移沿已成梁段懸臂端切線方向。所以，安裝的計算過程采用切線初始位移法。切線初始位移法為懸臂施工橋梁逐段形成的結(jié)構(gòu)中新安裝單元（梁段）初始位置的確定方法；新單元與已成部分連接節(jié)點的初始位移采用已成單元該節(jié)點的計算值確定，自由端節(jié)點的初始位移方向是沿著已成梁段懸臂端切線方向［6］。

實際計算時，將所有懸臂拼裝的節(jié)段梁一次安裝上去，暫不考慮各梁段的自重，后續(xù)根據(jù)安裝進(jìn)展梁段自重以單元荷載形式進(jìn)行施加。未施加自重荷載的梁段只隨著已受力梁段發(fā)生剛體位移，其位置始終是順著受力梁段切線方向。

制造線形為設(shè)計成橋線形與按切線法獲得的成橋豎向總位移的差；安裝線形為制造線形與相應(yīng)階段總位移的和。計算式為

式中：H制為梁段預(yù)制時的相對標(biāo)高；H設(shè)為梁段的設(shè)計相對標(biāo)高；fi為第i施工階段的豎向撓度；N為施工階段總數(shù)；Hj安為梁段在第j施工階段安裝時的相對標(biāo)高。

3 建立空間模型

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點，通過MIDAS∕Civil有限元軟件建立計算模型，見圖2。對整個施工過程進(jìn)行正裝模擬計算，模擬大跨懸臂膠拼預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的施工過程。

施工過程位移采用切線初始位移法進(jìn)行模擬，其中全部梁段在初始階段一次激活，各施工階段的梁段自重通過激活相應(yīng)單元荷載的形式施加。

圖2 懸臂拼裝連續(xù)梁計算模型

根據(jù)設(shè)計圖紙的構(gòu)件情況，模型采用梁單元將整聯(lián)連續(xù)梁進(jìn)行劃分，共劃分116個節(jié)點，115個單元。模型中各施工階段信息見表1。

表1 各施工階段順序描述

由于上下半聯(lián)的節(jié)段梁齡期相差30 d，安裝時間也相差30 d，由混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失差別較小，在模型中暫不考慮。模型中以左右半聯(lián)同時對稱激活施工模擬。計算結(jié)果以半聯(lián)梁的單元節(jié)點進(jìn)行處理分析。

4 計算結(jié)果分析

4.1 確定預(yù)制線形

由于該橋為較大跨度的高速鐵路混凝土連續(xù)梁橋，考慮1∕2活載預(yù)拱度［7］。通過有限元模型的施工階段分析，各關(guān)鍵施工階段的豎向撓度見表2。表中數(shù)據(jù)可作為安裝線形的計算依據(jù)并監(jiān)控實際架設(shè)關(guān)鍵工況已加梁段的撓度變化情況。

分別采用切線位移法和零位移分析法（單元及荷載在節(jié)點原位置激活）對各工況進(jìn)行模擬，得出的節(jié)段梁的預(yù)制線形見圖3。

表2 關(guān)鍵施工階段豎向撓度

圖3 不同方法計算的節(jié)段梁預(yù)拱度值

由圖3可知：兩種方法計算出的預(yù)制線形值相差較大，主要原因為施工過程中激活的梁段單元的初始位移不同，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力施加的的作用效果出現(xiàn)較大偏差。實際施工時，節(jié)段間的拼裝采用膠接縫，待拼梁段與已安裝梁段的相對關(guān)系確定，必須沿已安裝梁段的匹配面的法線方向進(jìn)行激活。

通過切線位移法計算得出的預(yù)制線形中邊跨端頭段（11#梁段）的預(yù)拱度值為-12.8 mm，可以保證11#梁段在S6施工階段能夠順利就位于橋墩。

4.2 確定安裝線形

根據(jù)上述確定預(yù)制線形值進(jìn)行理論施工線形的確定，見表3。表中數(shù)據(jù)可作為調(diào)整梁段安裝線形的參考值，能夠滿足最終成橋線形設(shè)計要求［8］。

表3 安裝階段理論豎向撓度

5 預(yù)拱度的影響因素及控制措施

在懸臂膠拼連續(xù)梁的施工中，線形控制中預(yù)拱度分為預(yù)制線形和安裝線形。由于節(jié)段預(yù)制膠接梁安裝過程線形可調(diào)性很小，節(jié)段梁在無應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)制線形基本決定最終的成橋線形。

預(yù)制線形值的確定需要靠高精度的節(jié)段預(yù)制來實現(xiàn)，目前節(jié)段預(yù)制方法有長線法和短線法，兩種方法各有優(yōu)缺點。本工程梁段預(yù)制采用短線法預(yù)制，提高預(yù)制精度的關(guān)鍵為預(yù)制模板［9］、測量精度及糾偏數(shù)據(jù)處理等。

安裝線形影響因素主要為節(jié)段梁的自重偏差和齡期、混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力孔道的平順性、梁面的施工臨時荷載、環(huán)境溫度等［10］。由于節(jié)段梁具有30 d基礎(chǔ)齡期和高精度的預(yù)制質(zhì)量，并且采用移動支架造橋機架設(shè)，整聯(lián)連續(xù)梁架設(shè)時間較短（45 d），所以安裝過程線形偏差比較小。通過高精度的測量配合，每個階段完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行混凝土齡期、彈性模量、臨時施工荷載等參數(shù)的及時修正，并將計算結(jié)果和現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，對安裝線形的偏差進(jìn)行調(diào)整。安裝線形的調(diào)整通常采用在膠接縫安裝調(diào)整環(huán)氧樹脂墊片［11］和張拉過程中針對性松吊桿等方式。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁懸臂施工，預(yù)制線形及安裝線形一般采用零位移分析法，和懸臂膠拼連續(xù)梁實際施工情況不吻合，最終會出現(xiàn)成橋線形偏差。大跨預(yù)制膠拼連續(xù)梁在懸臂拼裝施工中線形可調(diào)性小，節(jié)段梁在無應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)制線形基本決定最終的成橋線形，因此不能采用傳統(tǒng)的分析法，如何確定預(yù)制線形顯得尤為重要。本文通過計算分析，確定預(yù)制線形，根據(jù)各施工階段的位移變化，對安裝線形提出指導(dǎo)意見，并將理論計算結(jié)果和現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，根據(jù)兩者偏差，采用在膠接縫安裝調(diào)整環(huán)氧樹脂墊片和張拉過程針對性松吊桿等方式進(jìn)行微調(diào)，使成橋線形符合設(shè)計線形。