连续梁桥悬臂施工线形监控关键技术研究

刘婷婷

采用悬臂浇筑法施工的大跨度桥梁结构，施工工序对成桥后的主梁线形与结构内力有着举足轻重的影响。在施工过程中，随着施工阶段的进行，结构的受力状态随着环境温度、湿度、临时荷载、混凝土收缩徐变、预应力张拉等因素不断变化。故而如何采用科学合理的施工方法，如何确定混凝土实际龄期引起的弹性模量、收缩徐变、实际结构几何尺寸变化，如何对结构进行实时监测以检验施工状态是否与设计一致以及如何根据监测结果分析评估结构内力和变形、指导后续施工，确保施工过程安全有序进行，使成桥的内力与线形达到设计要求，是桥梁线形监控必须要回答的问题。

一、发展现状

国外的一些桥梁大国在桥梁施工控制方面研究的比较早，取得了较高的成就，并且形成了相对完善的施工控制理论。国内的预应力混凝土连续梁桥起步较晚，20 世纪70 年代才开始应用，但后期经历了跨越式发展，悬臂浇筑法、顶推法、预制拼装法、移动模架法、支架现浇法以及转体施工法等先进的施工工艺已经被广泛运用。悬臂浇筑法因具有以下特点而备受青睐：悬臂浇筑法采用挂篮施工，挂篮结构简单、造价低；挂篮施工无支架，对净空要求较低，连续梁各节段施工均在挂篮平台内，加设挂篮防护后能够减少对环境的影响，不会影响桥下交通，施工工序可以连续进行；各墩同时对称循环施工，施工进度快；分节段施工，通过调整节段截面信息实现变截面设计，使结构更加合理美观。

二、工程概况

某新建铁路大桥线路以（40+56+40）m 连续梁在DK 609+130m 处跨越沙河河道和灌溉水渠，与沙河河道夹角为89°。主梁为预应力混凝土连续箱梁，梁高沿纵向按二次抛物线变化，抛物线方程为y=0.0027481x2，梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁。顶板厚度除梁端附近外其余均为40 cm，梁端顶板厚度为63.5 cm。除中支点外腹板厚48 ～60 ～64 ～80 cm，中支点附近为90 cm，按折线变化。底板由跨中的40 cm 按圆曲线变化至主墩根部80 cm 和边墩根部60 cm。支点共设置4 道横隔板，横隔板厚边支座处为1.05 m，中支座处为1.9 m，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。

三、基于MIDAS 的设计预拱度复核

1.有限元模型建立

根据箱梁设计图纸上部构造施工图划分的施工阶段顺序和施工组织设计，应用MIDAS 软件前进分析法进行整个连续梁桥悬臂浇筑施工过程仿真。建模均按箱梁的设计尺寸，变截面设置力求与实际保持一致。材料特性值中钢材与混凝土力学参数均按实际检测设定，并考虑收缩徐变。预应力钢束按设计根据坐标精确确定其相对位置，并准确施加锚下张拉控制应力。挂篮荷载以节点荷载形式按照施工阶段加载。根据规范设定双线移动荷载。加约束时考虑体系转换前后合理施加临时固结。全桥有限元模型如图1 所示。

2.设计预拱度复核

有限元全工况运行完成后，可快速提取各施工阶段理论挠度，同时可以考虑体系转换后二期及收缩徐变的挠度，加载活载即列车荷载之后便可以得到建模计算出的预拱度。将模型计算预拱度与设计提供的预拱度利用曲线图进行对比分析，设计预拱度复核曲线如图2 所示。计算预拱度与设计预拱度曲线走势基本吻合；差值最大出现在最大悬臂阶段，是由于实际施工中需要考虑人群、材料、机具荷载以及施工冲击荷载、环境荷载等，故设计预拱度应较建模计算的预拱度稍大。建模复核了设计预拱度的正确性，并为后续指导施工提供了有力依据。

四、基于RBCCE 的线形监控模型应用

路桥施工计算专家RBCCE 软件的测量模块长期以来致力于长大复杂线路的精准管控，将连续梁桥线形监控功能融入其中，未来基于BIM 的线形监控将融于桥梁规划、设计、施工、运营全生命周期。根据曲线要素表和纵断面信息（含断链）创建线路中线和线路纵断面，输入连续梁节段截面桩号及梁高即可自动提取截面梁顶标高，创建连续梁节段高程对象，输入设计预拱度后，全桥的设计信息模型一目了然，如图3 所示。

线形监控属于精准管控，需要全真模拟各个施工阶段，施工过程中涉及的临时荷载、永久荷载、收缩徐变等均要考虑全面，其计算过程不可谓不复杂，因此要求在施工控制之前应反复校核计算数据并与设计数据比较从而发现问题。悬臂浇筑施工的标高控制至少应考虑三个关键工况：挂篮模板定位标高；混凝土浇筑后标高；预应力张拉后标高。在施工控制过程中，根据实测的标高数据修正结构分析参数，以使计算结果能够真实地反映桥梁实际线形状态。

综上所述，结构预拱度的设置包括：设计预拱度；各节段施工预变位，影响因素有成桥后恒载、活载以及后期徐变；挂篮体系变形的预抛高。将测量数据与RBCCE 线形监控模型对比，分析评估各施工工况可能产生的异常，并进行预报，对前后的桥梁线形调姿及控制措施提供合理化建议，确保桥梁施工安全有序进行；结合结构预拱度，提供合理的施工立模标高，确保桥梁成桥线形符合设计和施工技术规范要求。通过对比实测梁面标高与设计梁面标高，即可评估桥梁线形成果，78#主墩各节段梁面标高对比情况如图4所示。

由对比图可以直观地看出实测梁面标高与设计吻合度较好，实测数据均较设计标高偏低，最大差值为0.027 m，符合设计要求。存在一定差值，导致差值的原因可能有：施工人群、材料、机具荷载，施工冲击荷载、环境荷载等临时施工荷载的不可预测性；测量仪器、测量立尺、读数等人为、非人为因素造成的测量误差；以及温度、湿度、混凝土容重、收缩徐变、预应力张拉等不均匀变化和混凝土浇筑局部收面不平整造成的数据不准确等。

图1 全桥模型

图2 设计预拱度复核曲线图

图3 连续梁节段信息（半跨）

图4 78#主墩各节段梁面标高对比

五、结语

通过对某铁路连续梁桥悬臂施工线形监控关键技术进行研究，得到如下结论：

（1）基于MIDAS 进行设计预拱度复核，得到计算预拱度与设计预拱度曲线走势基本吻合。有限元计算复核了设计预拱度的正确性，为后续指导施工奠定良好基础；（2）基于RBCCE 线形监控模型与全桥施工过程测量数据对比得出，实测梁面标高与设计吻合度较好，实测数据均较设计标高偏低，最大差值为0.027 m，符合设计要求。本次监控保证了施工工期及施工质量，效果良好。