高墩大跨连续刚构桥成桥线形施工控制

马 俊

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

1 引言

高墩大跨连续刚构桥作为桥梁的一种形式，经过多年的发展已经有较为成熟的体系。德国于1964年建成Bendorf桥［1］，共有208m的主跨，充分表现悬臂施工法的优势，且在此次连续刚构体系中采用了固结连接，使其具备铰接结构［2］。国内在2006年建成的重庆长江大桥复线桥，有位于世界前列的长达330m的主跨［3］。在桥梁的施工控制方面，日本于20世纪80年代建成全面的控制系统，并在Chichby桥梁中成功融入计算机软件［4］，近年来，我国关于施工控制理论也在不断完善，如林元培提出以卡尔曼滤波法的方式进行施工控制，郭文复提出通过最优化原理调整桥索，但我国在高墩大跨桥梁方面的施工控制研究仍不够全面，还需提高。基于此，本文将以中寨河大桥作为研究背景，进一步详细全面的分析高墩大跨桥梁的线形控制。

2 有限元模拟

2.1 工程概况

中寨河大桥最大桥高101.3m，跨径布置为（4×40.5mT梁）+（85+160+85）m，预应力连续刚构+（9×39mT梁），主桥立面如图1所示。上部结构采用变高度预应力混凝土现浇箱梁，单幅桥箱梁为竖直腹板单箱单室断面，为三向（纵向、横向、竖向）预应力混凝土结构，箱梁顶横坡与路面横坡一致。本桥主墩纵向总宽度11m，双肢间净距5m。每肢采用单箱截面空心薄壁墩，横桥向宽度6.75m，壁厚85cm；顺桥向宽度为3m，壁厚70cm，墩顶底2m高度范围内采用实心断面。主墩基础采用群桩基础，横向双幅桥采用整体式承台，承台横向宽度24.0m，纵向宽度15.0m，厚度4.5m，每个承台下设置15根D=1.9m钻孔桩，纵向为3排，横向为5排。过渡墩采用空心薄壁墩，墩身横向宽度6m，纵向宽度为变宽，顶宽2.1m，按80∶1坡度设置。

2.2 有限元模型

通过有限元分析软件MIDAS/Civil进行桥梁建模，如图1所示。以KN作为荷载单位，以m作为长度单位，其余均在此基础上导出。全桥共有单元150个，节点155个；主墩共有单元60个，节点63个；主梁共有单元89个，节点90个。主墩刚接主梁，并固结于墩底。

图1 有限元模型

3 线形监控

梁段高程是线形监控主要内容，具体流程包括为立模标高提供准确的参考数据，并在模板支撑、浇筑混凝土并张拉完预应力后测量各梁段高程，以控制桥梁线形，确保梁段形状和合龙的顺利［5］。

3.1 箱梁结构理论线形的计算

挂篮前移、混凝土浇筑以及预应力张拉是各个梁段施工的具体过程。当前多使用在前个梁段上同时作用挂篮自重以及后一段箱梁自重的方式进行计算［6］。桥梁立模标高包括设计标高、施工和成桥预拱度、标高调整值。其中，施工预拱度主要作用在于抵消施工荷载所造成的影响，成桥预拱度主要作用在于抵消成桥后收缩徐变。

从有限元分析软件MIDAS/Civil可得到施工和成桥预拱度荷载反值以及收缩徐变反值，通过挂篮预压的方式可得到挂篮变形值，通过余弦分配阀计算成桥预拱度的预抛高值。

3.2 箱梁施工控制

（1）墩台基准测量及基准点监测

桥墩承台位置设置有控制点，控制点的作用除了对墩台高程进行测量外，还可对墩台沉降起到观测作用［7］。以14号桥墩为对象，在其承台位置共布置有八个沉降控制点，具体如图2所示。对各个观测点进行分阶段量测，表1为该观测点沉降变化情况。

图2 桥墩墩台沉降测点

表1 墩台沉降点（单位：mm）

（2）挂篮预压

为得到梁段自重和各项荷载下挂篮变形量，以确保挂篮施工的安全性，需先开展挂篮预压试验。挂篮形式如图3所示。

图3 三角挂篮示意图

以14#桥墩中的1#块开展挂篮预压试验，其余梁段按照预压结果分配变形，观测时上横梁和下横梁分别布置5个和3个观测点，以堆载的方式进行预压，以1.2倍的最大块段重量作为最大荷载，共225t；以对称重量的方式进行预压；以分级加载进行预压，满载后保持三天进行观察，再逐级卸载。

从表2中可以看出，挂篮上横梁约有26.5mm的弹性变形平均值，下横梁约有46.2mm的弹性变形平均值。挂篮底篮与上部承重结构主要通过悬吊系统进行连接，在底篮上分布有预压荷载，因此下横梁位置产生的变形主要包括上横梁和悬吊系统两部分变形。

表2 挂篮变形汇总表（单位：mm）

（3）梁段基准点和梁段测量点的布置

如下图4所示，桥墩0#块顶部基准点共有9个，且边缘位置共有钢筋头3个，其余按照此规律进行推算，纵向与梁端距离约20cm位置进行布置，若该位置与横向预应力有冲突，则可移动到40cm位置。桥墩中心位置所布置的钢筋若与其余构件产生冲突，则可将其移动到与梁端距离约40cm位置；应控制钢筋头的高度保持在2-6cm，并确保其顶面水平光滑，后续还需喷涂红漆。

图4 测量基准点纵向布置图（单位：cm）

3.3 线形监控方案

线形监控过程中，前移挂篮、浇筑混凝土12h、预应力钢筋张拉前后是箱梁挠度测量的四个主要阶段［8］。前移挂篮后需复测模板，以确保模板标高与监控数值相符。混凝土浇筑之后进行测量所得到的数据可以有效反映出梁段浇筑时所造成的影响；预应力张拉之前的数据主要呈现混凝土凝固后所减少的湿重产生的影响；张拉后的数据则主要用于呈现张拉预应力所产生的影响。经过上述阶段的测量后可以有效反映梁段挠度情况，以及浇筑混凝土时所产生的误差。若钢筋头在测量时有问题，则可对梁底板标高进行直接测量。箱梁梁段悬臂施工控制流程如图5所示。

图5 箱梁梁段悬臂施工控制流程图

此外，需注意的是，为使测量误差有所减小，应尽量保持在同个温度下进行各个阶段的测量。因夜晚有恒定的气温，故多数在子夜进行观测，具体时间由监控单位结合现场条件进行确定。预应力张拉后需间隔4h左右再进行测量，以完全释放钢绞线预应力。

3.4 挠度分析

基于监控细则对桥梁各施工阶段的高程进行观测，并开展挠度分析，分析结果如图6所示。以此为基础微调下一梁段立模标高。以14#墩左幅为研究对象。针对该桥梁的挠度控制，因梁底高程为挠度最终的控制高程，故需将箱梁顶板所测得的高程换算成梁底高程，并以平均值为准。

图6 挠度分析结果（单位：m）

从挠度误差可以看出，箱梁悬臂端在浇筑完混凝土之后因混凝土自重而出现下挠；悬臂端在预应力张拉完之后出现上挠，但施工中的堆载以及温度等因素会导致测量出现误差。在墩顶位置堆放施工荷载，并尽量避开中午时测量可使测量误差有效减小。施工中，各个梁段挠度变化与理论计算结果基本一致，与预测挠度较好符合。

3.5 箱梁线形复测结果

在修筑主梁时，需复测各阶段中各梁段完成混凝土浇筑后的高程，以验证所施工梁段线形与理论计算结果是否相符［9］。以完成浇筑的10号、20号、24号块进行全桥线形的复测。将测点布置在桥梁中心线或其两侧5.5m位置，以5m作为纵向间距。

由图7可知，施工时10#梁段高程的控制值与计算值基本保持在3cm以下，满足规范要求。其中，部分测点误差的产生原因主要是浇筑混凝土时不平整所导致。

图7 各梁段高程值对比图

3.6 合龙后线形监控结果

原先为静定结构的桥梁结构体系在完成合龙之后会转化为超静定结构，在进行挂篮以及其余荷载的卸载时，需先测量桥面标高，主桥合龙后桥面标高如表3所示。为后续桥面板等施工提供参考。限于篇幅，本文仅给出部分数据。

表3 主桥合龙后桥面标高（单位：cm）

从数据误差上看，实测数据与理论计算数据基本保持一致，误差存在的原因可能在于箱梁顶部浇筑混凝土时不平整所导致。

4 结语

本文以中寨河大桥为研究对象，通过有限元分析软件Midas/Civil对其进行建模分析，并依据模拟结果指导桥梁线形控制。观测桥梁在各个施工阶段所布置的高程控制点，并于有限元计算结果进行对比，可知各梁段在施工阶段的实测挠度均在20mm以下，满足要求。从线形控制过程可知，为使桥梁建设质量满足要求，在确定立模标高值时需开展相应的误差分析，以确保立模误差在允许范围内，并且应及时复测已完成混凝土浇筑的梁段高程，在其满足要求后才可开展下一阶段的施工。