高墩大跨径连续刚构桥梁施工线形控制技术研究

李玉明

(中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500)

1 工程概况

武倘寻高速公路鲁六河大桥为三跨形式，跨度为95 m+170 m+95 m，刚构桥平曲线曲率半径达到了1 200 m，主梁构造为变截面混凝土箱梁。其中箱梁底部宽度为6 m，顶部宽度为12 m，支点梁高达到了9 m，跨中梁高度为4 m，刚构桥纵坡为0.33%，单向横坡为3%；桥墩则采取等截面空心墩，其壁厚为1 m，截面宽度为6.5 m，长为8 m，高度为90 m；下部采取桩长15 m、直径2.5 m的5根嵌岩桩进行地基处理。该刚构桥墩身采取滑模形式施工，主梁则为挂篮悬臂法施工，梁体和墩身的施工精度要求较高。

2 施工分析

2.1 施工控制技术

该高墩大跨径连续刚构桥采取悬臂法施工，施工阶段中，2#、3#墩边跨、中跨分别划分为18#块梁段，施工至最大悬臂块时，先采取边跨合龙，后进行中跨合龙。以2#墩为例，其施工梁段0#块长度为13 m；1#～4#梁块长度为14 m，且每个梁块长度为3.5 m；5#～10#两块长度为24 m，每个梁块长度为4 m；11#～18#每个梁块长度为5 m；边块现浇处理长度为5 m，边跨合龙段长度为2 m，中跨合龙段长度为2 m。悬臂法施工中需要重点控制线形，线形误差极难通过后续措施进行纠正，对于未施工梁块，则可以采取控制立模标高来调整残余误差，一旦残余误差偏大，则需要进行多个梁段的调整。

该连续钢构大桥采取自适应控制法进行悬臂施工，该技术主要是对施工不同阶段的主梁标高进行实测，继而与模型理论值进行对比，识别主梁主要设计参数，分析线形偏差产生的原因，获取估计参数进行模型修正。自适应控制法在系统运行阶段进行参数识别修正，确保实际、设计输出的相互匹配。项目依据该施工控制技术主要可以分为以下组成部分：线形跟踪测量、现场测试及数据采集、桥梁结构分析及结果反馈[1]。其中，施工测量主要是设计控制点来获取不同阶段的梁块标高；测试则是依据事先埋设的控制截面应变计获取变形数据；通过现场数据的采集，结合设计主要参数进行结构分析和结果反馈，该过程主要对数据进行精读判断、误差分析，优化结构设计参数，为后续的梁块立模标高确定提供数据支撑[2]。

2.2 施工线形控制要点

连续刚构桥施工阶段极容易出现线形误差，且大跨度桥梁的施工阶段较多，其线形误差受到较多因素限制。桥梁线形控制是确保施工成桥后整体线形满足设计要求，对于线形控制可以分为高程控制、平面线形控制两个方面，平面线形控制主要是控制桥梁轴线，在桥梁布设平面上满足设计规范，直线桥的平面控制较为容易，曲线桥的平面控制则需要经过结构设计分析；主梁高程控制是施工监控中的关键，高墩大跨径连续刚构桥梁的主梁高程施工监控较为复杂，这主要归因于施工项目周期较长，梁段划分较多，造成高程影响因素复杂，实测挠度和计算挠度之间的误差也较为明显[3]。

桥梁线形控制影响因素包含桥梁规模、跨径、施工技术等，对于采取悬臂浇筑施工的连续刚构桥，依据相关技术规范，其质量控制标准如表1所示，施工过程中受到复杂因素的影响，桥梁产生线形变形，实际桥梁位置难以达到设计要求，施工中需要对其进行平面、高程的控制，对偏差及时调整[4]。

表1 悬臂浇筑连续刚构桥线形控制质量标准

(1)立模标高

悬臂法施工中，连续刚构桥不同梁块立模标高的确定直接影响着成桥线形的平顺性。施工立模标高的确定需要在设计标高上结合成桥之后的多类型挠度变形，实际施工中需要设置预拱度来对这些挠度变形进行抵消。施工梁块的标高受到混凝土收缩徐变、挂篮支架自重、活载等多因素的影响，成桥线形状态难以和设计标准保持一致，单一节段立模标高的计算主要包括以下内容：不同节段自重造成的该节段挠度增加量、节段设计标高、节段混凝土收缩徐变、节段施工活载变形、挂篮支架导致的节段变形。

(2)合龙段施工

合龙段施工控制中，现场对于轴线位置的控制要求较高，合龙效果不佳则会造成桥梁线形的波浪状，更严重者则会出现无法合龙。为充分确保悬臂梁段精确对接，施工中采取全站仪导线技术，实现不同悬臂过程中的前后断面连接紧密。实际过程中需要严格控制悬臂前断面，并且依据箱梁位置和里程计算设计控制坐标，箱梁平面坐标采取单测站极坐标法控制时，需要复核两个局部平面控制点位。

(3)施工标高测点布置

实际施工中桥梁线形位移监测点主要包括2#墩上部0#梁块的控制点及悬臂梁段测点。主梁线形测点布置要求如下：纵桥向单个施工梁段需要设定测点截面，且截面上需要设定4个变形测点，一般在梁段施工浇筑之前，测点需要布置在梁底部，梁段施工结束后则需要移至梁顶部。施工中采取的线形测点测试仪器为高精度全站仪，其精度控制在±1 mm以内，测试内容包括浇筑混凝土前后梁段标高、施工前后的挂篮标高、预应力张拉前后的梁段标高等[5]。

3 有限元分析

3.1 模型构建

结合该刚构桥的施工进度及现场结构形式，采取midas Civil进行有限元模型构建，对不同工序的主梁变形进行分析，主要划分为195个单元、230个节点，其中主墩和主梁以梁单元进行构建，梁墩固结则采取刚性连接，边跨现浇段托架则采取受压弹性连接进行模拟；模型采取组合截面，其中主梁下部结构则为等截面形式，支座为抗扭支座形式。为简化计算过程，对承台土体相互作用不进行考虑，只对桩基、土之间的约束作用进行分析，其中，桩基采取梁单元模拟，且以3.5 m的间距进行不同桩基划分，桩基边界土体约束简化为6个自由度的固结设定。

3.2 参数设定

(1)主体结构及材料

该刚构桥为95 m+170 m+95 m，单个悬臂梁段为一个箱梁单元，桥梁上部结构总共划分为122个单元。上部结构截面中，箱梁根部和中跨跨中之间，箱梁高度以1.5次抛物线变化设置；箱梁在0#块处顶板厚度为50 cm，其余位置处则为30 cm；箱梁底板在0#块处为150 cm，其余位置的底板厚度则依据1.5次抛物线变化至跨中截面35 cm。

2#、3#墩高度为90 m，主墩全高度横桥向以55∶1的坡比进行尺寸线性变化，纵桥向尺寸以坡比100∶1进行变化；主墩内部每隔15 m进行厚度0.5 m横隔板的竖向设置，模型将桥墩划分为52个梁单元；桩基模拟梁单元为21个。

主梁采取材料为C60混凝土、桥墩则为C50混凝土，桩基础则为C40；连续刚构桥内预应力钢束采取钢绞线，直径规格为15.24 mm，fpk=1 860 MPa。

(2)荷载

模型考虑的荷载主要分为以下几个部分：桥梁自重；施工预应力(施工张拉控制应力为1 400 MPa)；施工荷载(桥墩施工中主要采取滑模形式，其中滑模质量为350 kN/m，悬臂挂篮质量为1 450 kN)；活载标准为公路II级，移动人群荷载为2.5 kN/m；模型中二期荷载则主要是进行铺装层质量的梁单元荷载转换，线荷载设计为25 kN/m。

(3)模拟工序

模型施工顺序按如下开展：进行桩基础施工；桥墩施工；主桥悬臂梁段施工，主桥采取悬臂挂篮施工，桥墩施工完成后，进行万能托架构建，继而进行桥墩0#块浇筑，该过程施工周期为25 d。之后采取挂篮进行其余梁端的浇筑，不同梁端的浇筑周期为6 d，且后续挂篮前移需要2 d，预应力钢束张拉阶段需要4 d，单个梁端施工周期需要12 d；边跨现浇段则采取托架或者吊架进行混凝土现浇，周期达到了15 d；边跨合龙段施工则需要事先进行悬臂端水箱压重设置，边跨混凝土浇筑完成之后，需要等到浇筑强度达到设计强度85%以上时，且经养护5 d才能够进行钢束张拉工作；中跨合龙段则需要在悬臂端进行吊架安装，设置悬臂端水箱承重，继而开展混凝土浇筑，等到浇筑强度达到设计强度85%以上时，且经养护5 d才能够进行中跨底板、顶板的钢束张拉工作；之后进行成桥二期铺装施工。

3.3 主梁线形分析

模型荷载包括滑模及挂篮荷载、结构自重、预应力荷载、施工人群及二期铺装荷载，对于桥梁施工预拱度具有较大影响，为此就需要进行线形控制分析，对不同梁段的立模标高严格控制，减少线形误差。通过模型计算主要对2#墩的理论预拱度进行分析，如图1所示。图1(a)结果表明，混凝土收缩徐变对主梁的竖向变形影响较大，且中跨的影响程度要大于边跨；图1(b)结果表明，施工活载促使主梁产生下部变形，中跨竖向变形要大于边跨，这主要归因于中跨跨度要大于边跨跨度；图1(c)结果为活载、15年混凝土收缩徐变、支架及挂篮荷载情况下的预拱度，其中2#墩0#梁块预拱度具有突变情况，这主要是桥墩高度较大，混凝土收缩变形下桥墩的竖向变形剧烈，且主墩和梁端之间的固结较为紧密造成的。为了确保成桥线形满足施工技术要求，在开展2#墩墩顶施工时需要充分分析墩身的竖向沉降，并且在事先进行必要的变形补偿措施。

图1 不同影响参数下理论线形变化

4 实际、理论线形对比分析

选取2#墩8#梁块进行不同情况下的实际施工、理论模拟线形对比代表性分析，图2(a)、(b)分别为考虑浇筑混凝土、预应力束张拉后的线形实际、理论对比，结果表明实际监测、理论模拟线性变化存在一定的差异性，这主要是实际测量误差、环境温度变化及钢筋变形等因素造成的，但是最大误差能够控制在0.1 cm之内，实际和理论线形变化规律整体保持一致性。为此，相对于传统的闭环控制施工技术，自适应施工技术能够进行参数误差估计和调整，在一些施工工序较多、超静定次数多的大跨度桥梁施工控制中应用优势较为明显。该技术基于主要的设计参数，对理论、实际之间的线形误差进行充分分析，继而采取估计参数进行模型修正，且着重于桥梁结构变形的参数识别，在前期只要及时进行参数修正，成桥后的线形误差就相对较小。

图2 不同情况下的实际施工、理论模拟线形对比

5 小 结

针对武倘寻高速公路鲁六河大桥进行自适应施工控制技术的要点分析，设计现场施工变形监测方案，并且开展有限元模拟，对该刚构桥悬臂施工中的线形变化规律进行对比研究。结果表明，混凝土收缩徐变、活载对预拱度的影响；采取自适应施工技术的成桥线形和理论值之间的规律具有较大匹配程度，且最大线形差异值控制在0.1 cm以内。自适应施工控制技术应用优势明显，可以在类似桥梁工程线形控制中得到推广应用。