北京新机场线共构结构架梁施工试验研究

张 鹏,李凌宜,曹伟光,王 月,任彧钊,刘智敏

(1.北京市政路桥股份有限公司，北京 100045;2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

近年，随着城市规模的扩大、交通压力的剧增，高架桥以其疏散交通密度、提高运输效率的优势被大量应用[1]，高架共构结构更突显多层立体化布局的优势.目前国内外高架共构结构较为新颖，国内仅有3例，并且共构结构一般应用于跨越工程中，结构长度较小.而北京新机场线高架共构段长达7.9 km，且所应用的共构结构有限空间架梁技术更是国内首例.高架桥共构结构架梁是新技术，能否保证施工过程中主体结构及施工机械的安全性具有科学和现实意义，不仅需要对施工过程进行可行性分析，而且还需要选取合理的试验方法进行现场试验研究.

传统的形变监测手段由于所需试验人员多，劳动强度大，对实验人员要求高，作业效率低，设备监测范围小，监测精度较低[2]，无法适应高架桥建设项目工程规模大、施工环境较差、技术要求高[3]的特点，因此需要为高架共构结构施工探究更精确可行的新型试验方法.微变形雷达监测具有实时性、非接触、精度高、操作全自动的优势，能够精确地得到被测结构所需的变形量，实时显示被测点的变形规律，近年来在国内外被广泛应用，主要用于对超高层建筑物、高塔等容易发生微小形变的结构进行监测[4].三维激光扫描仪无需事先埋设监测点，无需接触被测物体，获取数据范围大、密度高、速度快、精度高，受施工现场环境干扰较小，已经被国内外的研究者和生产人员进行了大量科学研究及生产探索，主要涉及地铁隧道、地质灾害、地震前兆预测等领域[5].

本文作者以北京轨道交通新机场线一期土建共构段作为研究对象，对高架共构结构架梁施工过程进行试验研究，利用建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术模拟施工过程， 采用Midas/Civil软件进行有限元分析，验证施工技术的可行性，为施工过程的试验研究提供模拟数值；根据项目的特点及重难点，采用不同的试验方法进行桥梁施工试验研究，对架梁力学行为试验采用传统的振弦式应变传感器试验方法，对结构变形试验采用新型试验方法，布设微形变雷达监测仪及高精度三维激光扫描仪监测.本项目为高架共构结构施工探究更精确可行的新型试验方法，为验证施工技术的安全性和可靠度积累经验，有利于提高对高架桥施工关键技术的认知程度，推动高架共构结构施工以及相关试验研究的创新和发展.

1 新机场线项目概况

新机场轨道线社会化引资项目位于北京南部三环以外区域，线路全长41.36 km，其中高架区间设计里程16.209 km，位于大兴区六环外区域.北京轨道交通新机场线一期土建03标，线路全长9.3 km，包含共构段7.9 km，共构形式结构244座.在共构结构中，上盖梁宽度由40.05 m渐变到36.5 m，墩柱最高为25.64 m，中横梁顶到上盖梁底高为11.6 m，桥墩截面尺寸为2.2 m×3 m，基础采用6～8根、Φ1.5 m钻孔灌注桩，共构结构如图1所示.

图1 共构结构Fig.1 Schematic diagram of co-construction structure

2 施工项目的重难点

在北京新机场线项目中，由于工程量较大，沿线大量管道需要拆除、改造和移动，进展缓慢，工期紧张，如果全线采用常规的架梁技术，则无法满足施工进度要求，同时还要避免现浇上盖梁在冬季施工.因此，如何安全高效地完成共构结构架梁施工是项目顺利实施的关键，施工方案的合理程度以及施工机械的安全程度都对高架桥施工的完成起着至关重要的作用.

2.1 施工方案的确定

考虑到施工周期等因素，调整常规施工方案，施工顺序为：桥梁上部结构先施工，在共构结构上部的中横梁、上墩柱和上盖梁均采用现浇施工，完成后再在下部中横梁上架设轨道预制箱梁，最后在上部上盖梁上架设公路小箱梁.在共构结构架梁施工方案中，轨道预制箱梁吊装空间狭小，能否保证安全、高效地完成在有限空间内架设箱梁，是共构结构架梁施工的重点和难点之一.

2.2 施工机械的选择

采用共构结构架梁方式时，箱梁吊装空间狭小，架桥机须满足预制箱梁自身长度、重量和架桥机吊装高度等要求进行施工.因此，针对共构结构架梁的特点，选用一种定制新型架桥机——JQS33300型步履式双导梁架桥机，如图2所示.因架桥机施工有高度限制，该架桥机在常规架桥机基础上，对走行轮箱与天车横梁进行特殊设计，去除平移座和旋转座，天车横梁端部截面向上收低，直接通过销轴连接走行轮箱和天车横梁，使走行轮箱底面到天车横梁上部轨道的距离尽可能降低，达到架桥机“变矮”的目的，满足施工需要，实现在狭窄空间内架设预制梁.能否保证“变矮”后的架桥机在架梁施工过程中的安全性，是项目开展的另一个重点和难点.

图2 架桥机Fig.2 Schematic diagram of bridge-erecting crane

3 施工方案的可行性研究

共构架梁工艺是新技术，共构项目的实际工程案例比较少，共构结构后架梁施工是国内首例，因此对共构架梁施工新工艺进行可行性研究是保证施工安全的前提，同时也是现场试验研究的基础，具有重要意义.

3.1 基于BIM技术的施工方案可行性研究

BIM技术的优点是具有可视化、协调性、模拟性、优化性四大特点[6].应用这项技术，对项目施工的关键部位进行施工模拟和动画展示，根据施工方案确定的施工顺序和工艺进行连同施工机械在内的施工动态模拟，将施工过程可视化，从而验证施工方案是否可行.

在项目中，施工空间狭小，BIM技术可以方便直观地验证空间的有效性，确保项目实施的安全可靠.BIM技术可视化模拟有限空间架梁所采用的架桥机架梁方案，包括预制梁的运输、起吊等，如图3所示;架桥机的整个工作过程，包括架桥机架梁、过孔等，如图4所示.

图3 预制箱梁起吊的BIM施工模拟Fig.3 Construction simulation of lifting by precast box girders based on BIM

图4 架桥机过孔的BIM施工模拟Fig.4 Construction simulation of crossing of bridge-erecting crane based on BIM

通过对有限空间架梁全过程进行基于BIM技术的施工模拟，将施工过程可视化表达;利用BIM技术,三维模拟虚拟施工的功能，直观体现施工过程的精细化、规范化，动画展示施工方案的可行性，验证狭窄空间施工的安全性，有利于促进桥梁工程在产业化方向的创新应用.

3.2 基于Midas/Civil的施工方案可行性研究

Midas/Civil是Midas系列软件中针对土木结构专用的结构分析与优化设计软件[7]，建模方便迅速,操作简便快捷,可视化程度高,计算结果准确，是桥梁工程中必不可少的计算分析工具.

在新机场项目中，使用Midas/Civil软件，根据施工方案建立施工模型，模拟施工过程并对其进行仿真计算，分析有限空间架梁过程中主要受力构件(如桥墩和箱梁等)，以及架桥机的受力情况，探究高架共构结构架梁技术的合理性;同时,根据应力计算结果及应力云图，确定结构的最不利危险点，为施工过程的试验研究提供测试内容及测点布置依据.

3.2.1 计算模型

高架共构结构施工计算模型如图5所示.根据设计图纸设置各部分结构材料参数及构件截面参数，结构的边界条件以及各构件之间的连接条件为：承台底端采用一般支承的固结,架桥机与中横梁以及箱梁的连接采用简支连接,箱梁与中横梁的连接采用简支连接.最后根据施工方案划分施工阶段，施加荷载来模拟验算架梁过程的力学性能.

图5 高架共构结构施工计算模型Fig.5 Calculation model of viaduct co-construction structure construction

3.2.2 模型分析

施工模型建立完成后,对其进行有限元分析获取模拟数值，保证在施工过程中桥梁的计算数据在允许范围内.

分析结果表明，主要受力构件的应力值和形变值均在限值范围内，并且数值变化趋势符合施工阶段的特征，高架共构结构架梁施工过程安全.同时,总结数据发现，在有限空间架梁时，先完成上盖梁的现浇施工，使结构自重增大，从而轴力产生的压应力增大，墩柱底部的应力就不易出现拉应力，结构更加稳定，施工过程更加安全.

Midas/Civil软件的计算结果能真实地反映工程施工过程中数值的变化趋势，便于确定数值范围及最值，提高效率，为桥梁施工试验研究提供可靠的数据支撑以及监测点的布置依据.

4 共构结构架梁施工的试验研究

在桥梁施工建造过程中，不仅要验证施工技术的可行性，也要确保实际施工过程的安全性，保证施工过程中桥梁的建造数据在安全范围内，进而确保成桥后的各项数据符合桥梁设计[8]，因此需要对施工技术进行分析，对安全性进行评估.

施工控制的试验研究不仅要求试验结果能够反映施工过程的真实情况，与有限元分析结果进行对比分析，还要求选取切实可行的试验方法，满足施工控制的准确性和高效性要求.因此，针对项目特点，对共构架梁的安全稳定性试验研究选择传统的振弦式应变器监测，对变形控制试验研究选择两种新型试验方法.

4.1 共构架梁安全稳定性试验研究

4.1.1 试验设备

共构架梁安全稳定性试验选用JMZX-212智能弦式数码应变计，当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量，同时可同步测出埋设点的温度值.应变计现场布置如图6所示.

图6 应变计现场布置Fig.6 Layout diagram of extensometer in construction site

4.1.2 试验内容

在新机场项目中，根据有限元计算结果布置测点，通过布设振弦式应变传感器,对箱梁架设施工过程中的结构主要受力部件以及架桥机受力弦杆进行施工监测，保证在施工过程中桥梁的力学行为符合桥梁设计.

4.1.3 试验结果

通过对高架共构结构架梁施工过程进行力学行为试验研究，获取了施工过程中准确的监测数据，从中可以发现：

1)施工过程中的主要受力构件墩柱和横梁，其应力应变总体呈现逐渐增大的趋势，在架桥过程中,当架桥机将待架设箱梁偏移时增大较为明显；架桥机的受力弦杆以及箱梁的应力应变变化趋势呈现稳定波动状态，说明施工过程中的数据变化趋势符合施工顺序，并且与仿真计算结果大体一致.

2)将施工数据与计算数据进行对比分析，实际施工过程中结构的预应力构件以及施工机械主要受力部位的应力均在规范[9-10]要求的限值范围内，非预应力构件的误差最大为6%，说明高架共构结构架梁施工技术的力学行为具有安全性.部分数据对比如图7所示.

图7 部分施工数据与计算数据对比分析Fig.7 Comparison and analysis diagram of partial construction data and calculation data

4.2 共构架梁变形控制试验研究

由有限元计算分析可知，在共构结构架梁施工过程中，形变位移产生的主要部位为上墩柱及中横梁.上墩柱主要表现为有并拢趋势，中横梁由于架桥机的存在有竖向位移，因此需要对共构架梁施工过程进行变形控制试验研究，对上墩柱及中横梁布设监测元件进行形变监测，测点布置如图8所示.形变监测要求时效性、高精度和等精度，因此根据监测要求以及项目的特点，采用两种新型试验方法，分别为微形变雷达监测和三维激光扫描监测.

4.2.1 微形变雷达监测

1)试验设备及原理.形变监测采用微形变雷达监测仪，测试时仪器向待测结构发射电磁波束，雷达接收器测量所有反射回来的信号，可进行动态和静态监测，无需靠近目标就可完成快速、高精度的测量，操作全自动，并且可以24 h不间断监测.雷达监测仪现场布置如图9所示.

图9 雷达监测仪现场布置Fig.9 Layout diagram of radar monitor in construction site

2)试验内容.通过微形变雷达监测仪建立雷达坐标系，观察测点在雷达坐标系中的3个坐标相对位置的变化，分析高架共构结构架梁施工过程中形变数据的变化趋势是否符合规律.观测点的现场效果以及在雷达坐标系中的相对位置关系如图10所示.

图10 雷达监测测点Fig.10 Measuring points diagram of radar monitor

3)试验结果.由于雷达监测仪采集到的数据为实时数据，因此处理数据时需把各个工况的测得数据按照较小的时间差取平均值，将受到干扰存在明显误差的数据舍去，再绘制数据曲线，并与有限元分析理论数据曲线进行比较，得出以下结论：

①施工过程中的形变曲线呈总体逐渐增大的趋势，在架桥机将待架设箱梁从运梁车运输到架设位置的过程中，变形曲线的趋势稳定，呈波动状态，架桥机将待架设箱梁偏移时变形增大明显，落梁后变形恢复，数值减小.

②在架桥机施工过程中，上墩柱有并拢趋势.试验结果表明,由于有限空间架梁时上盖梁的存在，上墩柱的并拢变形减小，结构更加稳定安全.

③施工数据总体变化趋势与有限元计算结果大体一致，变化规律符合施工顺序，说明高架共构结构架梁施工过程变形控制安全.雷达监测仪的部分数据对比如图11所示.

图11 雷达监测仪的部分数据对比Fig.11 Comparison and analysis diagram of radar monitoring

4.2.2 三维激光扫描监测

1)试验设备及原理.三维激光扫描仪选用天宝TX8激光扫描仪，主动发射激光，探测反射的激光回波信号直接获取物体表面的三维坐标，无需事先埋设监测点，无需接触被测物体.激光的采样速率快、密度高，监测范围数据采集效率高，监测云图能确定被测结构完整的表面形态，可有效避免监测结果的局部性与片面性，是传统形变监测无法达到的.三维激光扫描仪的现场布置如图12所示.

图12 三维激光扫描仪现场布置Fig.12 Layout diagram of 3D laser scanner in construction site

2)试验内容.通过三维激光扫描仪高密度面式采集监测数据，输出三维扫描云图，分析高架共构结构架梁施工过程中各施工阶段的变形数据是否在安全范围内，以及在各个阶段结束后结构的变形是否符合规范.

3)试验结果.通过各个阶段工况的监测，三维激光扫描监测结果如表1所示.

表1三维激光扫描监测结果

Tab.13 D laser scanning monitoring resultsmm

测试阶段施工过程形变量施工过程计算量施工完毕形变量施工完毕计算量第一阶段0.221.640.21.64第二阶段0.712.330.61.95第三阶段0.651.000.560.66

根据表1结果和三维扫描云图可以得出以下结论：

①三维激光扫描测试精度高达0.01 mm，结果显示施工过程中结构变形微小，架设过程中数据有波动，但是波动范围较小，说明共构结构架梁的施工过程有较高的稳定性.

②在施工过程中，扫描数据变化稳定，但在待架设箱梁偏移的过程中波动明显，双梁架设完毕后数据趋于平稳.

③在实际施工过程中,结构形变量均小于有限元分析结果，成桥后的结构变形量均在安全范围内，满足桥梁施工要求，高架共构结构架梁的施工过程在变形控制方面具有安全性.三维扫描仪监测施工过程的部分云图如图13所示.

图13 三维扫描仪监测施工过程部分云图Fig.13 Nephogram of 3D scanner monitoring during construction

4.2.3 试验结果的对比分析

通过微形变雷达监测获取施工过程形变趋势，采用三维扫描仪获取施工过程形变高精度数值，分别对高架共构结构施工过程进行变形控制试验研究，可以发现两种方法采集的数据具有比较一致的变化规律，并且与有限元分析结果相吻合，同时也符合实际施工情况，相互辅助验证，证明高架共构结构架梁施工技术安装精度高，施工过程中的形变在安全范围内，成桥后的结构变形满足规范要求，并且所选取的两种新型试验方法适用于高架共构结构施工研究，实验过程高效可行，实验结果精准可靠.

5 结论

在北京新机场线项目中，对共构结构架梁施工过程进行试验研究，得到以下结论：

1)利用BIM技术和Midas/Civil软件进行分析，验证了施工技术的可行性，并为试验研究提供了数据支撑.

2)布设应变传感器对施工过程进行力学行为监测，主要受力构件的应力应变总体呈现逐渐稳定增大的趋势，架桥机的受力弦杆以及箱梁则呈现稳定波动状态，并且由于共构结构的自重较大，墩柱底部更不易出现拉应力.

3)布设微变形雷达以及三维激光扫描仪,对施工过程进行变形控制分析，形变数据变化稳定，呈总体逐渐增大的趋势，但在待架设箱梁偏移的过程中波动明显，双梁架设完毕后数据趋于平稳，并且由于有限空间架梁时上盖梁的存在，上墩柱的并拢变形减小，结构更加稳定；

4)试验结果证明，在本项目中选取新型试验方法,均精确反映了施工过程的监控量，满足了施工控制的要求.新型试验方法高效可行，为以后类似项目的高精度施工过程控制提供了试验参考方案，同时试验研究结果也为高架桥施工提供了相关技术资料，有利于今后其他高架共构结构施工技术完善以及施工试验研究的进一步开展.