短线匹配法预制箱梁线形控制方法

刘 岭，陈喜凤，黄 腾

（河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

随着我国交通事业的发展和城市化进程的需要，桥梁建设进入了高峰期，桥梁的分段施工方法和技术逐渐受到广泛重视［1－2］，常用的分段施工方法分为长线法［3］和短线法。其中短线法以其占地面积小、制梁效率高［4］、制造周期短、成桥后混凝土收缩徐变影响小、节约成本等优点被广泛应用于各种线形的预应力混凝土大跨度桥梁建设中。

短线匹配法预制箱梁施工技术是指将连续桥梁划分为若干短节段（一般为2～4m）逐榀进行浇筑的一种施工工艺。预制箱梁时，把几何线形控制点在桥梁整体坐标系下的坐标转换为现场预制坐标系下的坐标，并以其作为线形控制依据（匹配箱梁），从每跨的初始箱梁开始，用固定端模为箱梁前端控制面，前一榀箱梁（活动端模）作为匹配箱梁，以控制预制箱梁的形态达到设计线形。

短线匹配法预制箱梁是一个复杂的施工过程，各箱梁在不同时段逐步浇筑而成，过程中累积与随机误差影响效果显著［5］，几何线形与内力状态很难精确达到理想状态。所以，预制过程对测量精度、施工控制及误差修正等要求较高，本文将对短线匹配法中的预制线形控制和误差修正等技术问题进行探讨。

1 线形控制技术

箱梁预制工作是桥梁从设计阶段到安装阶段［6］承上启下的关键环节，是保证桥梁线形、结构、强度达到设计值的重要步骤。用短线匹配法进行预制时，最终所需达到的控制精度［7］如表1所示。

为达到表1中的预制精度，需要在预制场区建立高精度的平面及高程控制网，并在箱梁上布设一定的控制点，以期达到理想的成桥线形。

表1 短线匹配法预制箱梁控制精度

1.1 施工控制网

平面控制网按照国家一等边角网精度［8］要求采用全圆测回法进行观测。测角时，每站观测12个测回，测角中误差不超过0.7″；测边时，平均边长小于50m，每条边观测4个测回，每测回读数4次，并进行对向观测。控制点布设为测量塔，塔上采用强制对中底盘，以减小每次架设仪器时对中误差的影响，如图1所示。平面控制网在预制场区内也作为水平位移变形监测网，在测量塔上架设全站仪，使用相邻测量塔校核架站点的水平位移量。

图1 施工控制网示意图

每个测量塔周围稳定区域内布设1个高程控制点，按二等水准要求施测，往返较差、闭合差应小于0.3mm（n为总测站数）。

场区内按照一定周期进行变形监测［9］，并对观测结果进行必要的分析，及时掌握预制现场测量控制系统的动态变化，确保预制工作良好运行。

1.2 箱梁控制点

为确保箱梁的预制精度和控制桥梁安装线形，需在箱梁顶部设置6个测控点，如图2所示，根据测控点的几何数据评定其制造精度。沿箱梁中心线用两个U形圆钢（FH，BH）控制平面位置，在箱梁的翼缘板和腹板交接处用4个镀锌十字头螺栓（BL，FL，BR，FR）控制箱梁标高。这些控制点在浇筑混凝土时布设在近似位置，混凝土达到设计强度后测量其精确坐标，用于后续控制工作。

图2 箱梁控制点布设示意图

1.3 坐标系的建立

短线匹配法预制箱梁过程中，涉及到以下3种不同的坐标系：①桥梁整体坐标系。②预制台座上的箱梁预制坐标系。如图3所示，以测量塔基线方向为X轴，由现浇箱梁指向匹配箱梁方向，X轴与固定端模面的交点为坐标原点O，固定端模模面与现浇箱梁的交点集为Y轴，其方向为X轴沿逆时针旋转90°，Z轴由右手螺旋法则确定。③箱梁计算坐标系。以箱梁纵向中心线为X轴，前端面为Y轴，Z轴由右手螺旋法则确定，它与预制坐标系为平移关系，是联系桥梁整体坐标系与预制坐标系的关键。

图3 箱梁预制坐标系

1.4 平面控制精度

平面位置测量时，在一个测量塔上设站，另一个作为后视定向，用极坐标法精确测量目标点坐标。假设定向方位角为α，盘左盘右测量的平均转角为β，则设站点A与目标点B的方位角为θ＝α＋β－π，水平距离为D，则可求得目标点B的坐标为

B点点位误差为

由于起始点点位误差和仪器对中误差影响较小，可忽略；只考虑目标点标定误差m标和目标偏心误差m偏的影响，观测n个测回后B点的总点位中误差

1.5 高程控制精度

测量控制点高程值时，以固定端模为相对高程基准，采用精密水准方法测量箱梁上各个节点的高程

式中：HC为箱梁节点的高程，H固为固定端模上控制点的高程，a为后视—固定端模读数，b为前视—待测点读数。

考虑水准仪整平误差m平、目标照准误差m照和每次读数的固定误差ma，mb，则C点的高程中误差

1.6 控制点坐标转换

短线法预制箱梁的控制流程是：用第n－1块箱梁位于匹配位置时6个控制点在预制坐标系下的坐标进行精确定位，依据其空中姿态浇筑第n块箱梁，在混凝土达到设计强度后移走第n－1块箱梁，将第n块箱梁移至匹配位置，浇筑第n＋1块箱梁，直至完成全部箱梁的预制工作。在此过程中，为了评估箱梁预制精度、修正预制误差及指导下一榀箱梁的预制，需要将箱梁位于现浇位置时控制点在预制坐标系下的测量坐标转换到桥梁整体坐标系下，再将控制点在桥梁整体坐标系下的坐标转换到箱梁在匹配位置时预制坐标下的坐标，具体计算步骤如下：

1）计算预制箱梁节点的整体坐标。除每跨的起始块以外其他箱梁节点的整体坐标需根据制造误差不断修正；

2）将第n－1块箱梁上6个控制点在现浇位置时预制坐标系下的实测值转换到第n－1块计算坐标系下，一般只要平移；

3）将第n－1块箱梁上6个控制点在第n－1块的计算坐标系下的坐标值转换到桥梁整体坐标系下；

4）将第n－1块箱梁6个控制点在桥梁整体坐标系下的坐标值转换到第n块箱梁的计算坐标系下；

5）将第n－1块箱梁6个控制点在第n块箱梁计算坐标系下的值转换到预制坐标系下，一般只要平移。

2 误差分析

预制过程中，各种随机因素的作用使箱梁的实际匹配位置与理论匹配位置存在差异，进而对现浇箱梁的线形产生影响，这种影响分为梁长误差和偏角误差。这些误差要求在浇筑下一榀箱梁时加以修正，以减小累积误差对成桥线形及内力结构的影响。

2.1 梁长误差

箱梁预制过程中受到各种因素影响，会造成轴线实际长度与理论长度不一致，第n＋1块箱梁梁长的修正公式为

式中：Ln为第n块箱梁的理论梁长，Lsn为第n块箱梁的实际梁长，Ln＋1为第n＋1块箱梁的理论梁长。

2.2 偏角误差

箱梁预制成型后，左右两侧的实际长度与理论值不一致，或者箱梁实际匹配位置与理论匹配位置不同会引起箱梁平面角度和立面角度的变化，造成偏角误差。浇筑第n榀箱梁时，由于误差影响使作为匹配箱梁的第n－1榀箱梁产生了偏角θ，那么浇筑的第n块箱梁则发生相应的变化，影响预制线形，如图4所示（图中实线表示理论位置，虚线为实际位置）。根据偏角误差的成因可以选择一定的方法在预制下一榀箱梁时加以修正。

图4 箱梁预制误差

当箱梁的预制误差绝对值较小时可采用直接纠正法。箱梁拼装阶段，按照短线法施工步骤要求，先拼装第n－1榀箱梁，其在桥梁整体坐标系下的位置已确定，所以修正偏角误差时认为第n－1榀箱梁没有转动，而是第n榀箱梁转动了一个角θ，那么第n榀箱梁的I端将移动至I′位置，即为考虑误差影响后第n榀箱梁修正后的位置，如图5所示（图中实线表示理论位置，虚线为修正后位置）。

图5 直接法修正箱梁误差

当箱梁的预制误差较大时，受到工程施工规范限制且期望达到光滑的箱梁修正线形，直接修正法就有一定的局限性。此时可以模拟一条通过箱梁端点的三次样条曲线，并且保证其在边界节点上与理论控制点的连线有相同切线斜率，如图6所示。这样，经过若干个箱梁修正后，待浇筑箱梁的端点与原理论端点重合，且修正后的箱梁线形光滑平顺。

图6 三次样条曲线法修正箱梁误差

根据直接法或者三次样条曲线法修正后的线形计算出箱梁6个控制点在匹配位置的坐标值，并以此定位匹配箱梁，可以减小预制过程中累积误差对桥梁整体线形的影响。

3 工程实例

南京长江第四大桥位于南京市区段内，2008年开工建设，引桥部分总长2 802.60m，共分为2 122榀箱梁，其中短线法预制2 054榀，现浇68榀。箱梁宽15.8m，底板宽6.2m，高3.0m。箱梁预制场在安徽省芜湖市裕溪口，场区内布设有14个预制台座，东西长约360m，南北长约370m，总面积约120 000m2。

本文以S28－S27－L1Y联45至58号箱梁的测控结果验证本文中的预制线形控制方法，其中50号箱梁为初始箱梁，51号至58号箱梁为正向预制，49号至45号为反向预制。预制现场平面控制采用全站仪TCA2003（测角精度0.5″，测距精度1＋1ppm）测量箱梁6个节点，观测塔距离放样点约30m，根据式（3）取m标＝m偏＝±0.5mm，可求得观测两个测回时B点的点位中误差为±0.88mm。高程控制采用NA2水准仪（±0.3mm/km），根据式（5）取ma＝mb＝±0.3mm，m平＝m照＝±0.5mm，可求得C点的高程中误差为±0.82mm。

S28－S27－L1Y联45号箱梁至58号箱梁预制施工按照表1中的精度要求进行，最后所得箱梁I端高程偏差值如图7所示，箱梁I端平面偏差值如图8所示。从中可以看出，箱梁I端高程与平面偏差均控制在允许范围内，预制偏差满足设计要求。

图7 箱梁I端高程差值

图8 箱梁I端平面差值

4 结束语

线形控制技术是短线匹配法预制箱梁施工技术的关键，针对其施工特点，通过建立高精度施工控制网，利用匹配箱梁上控制点的空中姿态控制现浇箱梁的线形，采用合理的测量方法提高测控精度及在预制过程中不断修正前期的预制误差等措施，使得短线匹配法预制箱梁的线形趋于设计值，并体现出短线匹配法机械化、流水化、高精度、高效率的施工特点。短线匹配法在南京长江第四大桥中的成功应用，表明该方法具有较强的推广应用价值，为今后类似大跨度预应力桥梁的施工建设提供参考。

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