大跨度雙線鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂灌注施工線形控制技術(shù)[1]

1、大跨度雙線鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂灌注施工線形控制技術(shù)中鐵十三局集團(tuán)公司第一工程公司 杜玉波【摘要】渝懷鐵路黃草烏江大橋主跨168米，懸臂施工節(jié)段多，重量大，時(shí)間長(zhǎng)，工況多變，影響因素多，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的橋梁線形難度較大。通過(guò)對(duì)線形控制理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)有限元模擬仿真分析、梁體線形控制的精密測(cè)量和有關(guān)的施工工藝及施工方法的研究，確立各階段立模標(biāo)高，保證懸灌梁的線形達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范的要求?！娟P(guān) 鍵 詞】 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋 懸臂灌注施工 線形控制技術(shù) 線形控制理論計(jì)算 計(jì)算機(jī)有限元模擬仿真分析 精密測(cè)量 各階段立模標(biāo)高1工程概況黃草烏江大橋是渝懷鐵路的重難點(diǎn)工程，位于重慶市武隆縣黃草鄉(xiāng)，為跨越烏江峽谷而設(shè)。橋梁主

2、跨為（9616896）m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，剛構(gòu)梁部為變截面變高度單箱單室箱梁，中支點(diǎn)梁高11m，跨中梁高5.5m，梁底按二次拋物線變化。箱梁頂寬11m，箱寬7.8m，設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力。主跨2、3號(hào)墩為圓形空心橋墩，頂部漸變?yōu)榫匦危^(guò)渡段長(zhǎng)度為12m，2號(hào)墩采用嵌固基礎(chǔ)，3號(hào)墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)。大橋于2001年4月開(kāi)工，2號(hào)與3號(hào)墩兩個(gè)T構(gòu)各用一對(duì)菱形掛籃對(duì)稱(chēng)懸灌至21號(hào)和21號(hào)梁段后，在1號(hào)墩和4號(hào)臺(tái)側(cè)安裝支架，進(jìn)行預(yù)壓后在支架上澆灌邊跨23、24、25號(hào)梁段，2003年11月15日合攏邊跨22號(hào)梁段，2003年11月24日合攏中跨22號(hào)梁段，至此主體工程全部竣工。2線形控制的要求及流程圖

3、在鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)線形控制設(shè)計(jì)基本規(guī)定為：當(dāng)由恒載及靜活載引起的豎向撓度等于或小于15mm或跨度的11600時(shí)，可不設(shè)預(yù)拱度，宜用調(diào)整道渣厚度的辦法解決；大于上述數(shù)值時(shí)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其曲線與恒載及12靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線基本相同，但方向相反。預(yù)應(yīng)力混凝土梁，計(jì)算預(yù)拱度時(shí)應(yīng)考慮預(yù)加應(yīng)力的影響。線形控制的內(nèi)容包括兩部分：施工節(jié)段撓度的預(yù)測(cè)以及誤差的調(diào)整，流程如下： 圖1 線形控制流程圖3線形控制的基本原理3.1立模標(biāo)高的確定為全面分析箱梁在整個(gè)施工過(guò)程中的撓度變形情況，并為下一節(jié)箱梁立模提供依據(jù)，每澆筑一段箱梁，應(yīng)分為五個(gè)階段進(jìn)行撓度觀測(cè)： 澆筑混凝土后； 張拉

4、預(yù)應(yīng)力前； 張拉預(yù)應(yīng)力后； 移動(dòng)掛籃后； 澆筑下一節(jié)混凝土前。立模標(biāo)高公式如下： （公式1）式中：立模標(biāo)高； 設(shè)計(jì)標(biāo)高； 各梁段自重在i節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的豎向變形總和； 張拉預(yù)應(yīng)力束在i節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的豎向位移變形總和； 掛籃自身在自重作用狀態(tài)下產(chǎn)生的變形，包括掛籃的非彈性變形； 后序段對(duì)當(dāng)前澆筑i節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的下?lián)现担?混凝土的收縮徐變?cè)趇節(jié)點(diǎn)引起的豎向變形值； 第i節(jié)點(diǎn)的誤差調(diào)整值。3.2施工過(guò)程中精度控制要求結(jié)合施工測(cè)量中的實(shí)際條件，要求各箱梁頂、底面標(biāo)高誤差小于10mm；各截面的垂直度誤差小于箱梁高度的1/1000；各斷面的長(zhǎng)度誤差小于10mm。箱梁懸臂施工過(guò)程中的撓度監(jiān)測(cè)控制，要求能反映1mm的變化值

5、。3.3剛構(gòu)橋合攏精度要求鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)合攏精度的控制提出了要求，對(duì)剛構(gòu)橋施工中線合龍精度的要求見(jiàn)表1。表1 剛構(gòu)橋施工中線合龍精度要求項(xiàng) 目允許偏差懸臂梁端高程與設(shè)計(jì)高程之差15mm合攏前兩懸臂端相對(duì)高差15mm梁段模板中線與設(shè)計(jì)中線之差5mm軸線偏差15mm頂面高程差10mm3.4誤差產(chǎn)生的原因橋梁施工控制是一個(gè)預(yù)告施工量測(cè)識(shí)別修正預(yù)告的循環(huán)過(guò)程。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)主梁斷面應(yīng)力和標(biāo)高進(jìn)行雙控。為了避免在懸臂澆筑過(guò)程中及合攏后主梁出現(xiàn)拉應(yīng)力，要求控制系統(tǒng)除了具備常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算手段外，還應(yīng)具備測(cè)量主梁斷面應(yīng)力和主梁標(biāo)高的數(shù)據(jù)，通過(guò)誤差分析，正確判斷誤差原因，并

6、在下一節(jié)段施工中進(jìn)行修正。3.4.1結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括： 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸 結(jié)構(gòu)材料彈性模量 材料容重 施工荷載 預(yù)加應(yīng)力 掛籃變形誤差3.4.2材料收縮、徐變對(duì)于混凝土橋梁而言，材料收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形有一定的影響，這主要是由于大跨度混凝土橋梁施工中混凝土普遍存在加載齡期小、各節(jié)段齡期相差大等引起的。3.4.3結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型無(wú)論采用什么分析方法和手段，總要對(duì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和建立計(jì)算模型，這種簡(jiǎn)化使計(jì)算模型與實(shí)際情況之間存在誤差，包括各種假定、邊界條件的處理、模型化的本身精度等。3.4.4施工工藝除要求施工工藝必須符合控制要求以外，在施工控制中必須計(jì)入施工條件的非理想化而帶

7、來(lái)的構(gòu)件制作、安裝方面的誤差，使施工狀態(tài)保持在控制之中。施工控制是個(gè)連續(xù)的過(guò)程，任何后期荷載的影響或施工方案的改變都會(huì)影響橋梁的線形和內(nèi)力。3.5誤差調(diào)整的原理及方法參考數(shù)值分析方法中二分法原理，對(duì)于標(biāo)高誤差的調(diào)整方法如下：由于前述各種因素的影響，導(dǎo)致同一梁段的橋面板實(shí)際標(biāo)高值與按立模標(biāo)高設(shè)置的設(shè)計(jì)施工標(biāo)高不一致，產(chǎn)生標(biāo)高殘差值。如果差值小于10mm，可不進(jìn)行調(diào)整；如果差值大于10mm，則應(yīng)調(diào)整，調(diào)整值為1/2標(biāo)高差值。通過(guò)這種調(diào)整方法能夠保證合攏高程平順對(duì)接。4線形控制的計(jì)算方法4.1荷載工況的劃分大跨度剛構(gòu)橋在施工中，采取懸臂施工的方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)懸臂施工特點(diǎn)，任一節(jié)段分為如下四個(gè)施工工況：

8、立模板、澆筑梁段混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、移動(dòng)掛籃。在進(jìn)行施工模擬計(jì)算時(shí)，根據(jù)施工的過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，荷載計(jì)算的工況為施工開(kāi)始之后到合攏施工之前的84個(gè)荷載計(jì)算工況。4.2 剛構(gòu)橋懸臂施工的模擬計(jì)算 將剛構(gòu)橋理想化為互相連接單元的組合，每個(gè)節(jié)段上的單元具有相同的齡期、收縮徐變特性以及材料特性，并假設(shè)每個(gè)單元溫度分布相同。 將澆筑、張拉混凝土過(guò)程劃分為與施工過(guò)程相適應(yīng)的時(shí)段。其中，假設(shè)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)外荷載發(fā)生變化在瞬時(shí)內(nèi)完成，即相應(yīng)的時(shí)段長(zhǎng)度為零；而其余時(shí)段內(nèi)無(wú)外荷載變化，結(jié)構(gòu)在該時(shí)段內(nèi)發(fā)生收縮徐變等。 在每一節(jié)段，都對(duì)當(dāng)時(shí)已形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次全面的分析，求出該時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的全部節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力 (

9、即結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形量)。4.3線形計(jì)算模型的確立采用了梁?jiǎn)卧?jì)算模型，這種模型必須考慮以下問(wèn)題： 真實(shí)反映各個(gè)施工梁段的幾何形態(tài)，使得各個(gè)梁段的幾何形態(tài)產(chǎn)生的誤差對(duì)施工控制產(chǎn)生的影響減少到最小； 考慮預(yù)應(yīng)力在各個(gè)截面上不同位置的分布； 能夠正確反映施工過(guò)程中各種可能的計(jì)算工況。故在進(jìn)行施工模擬分析時(shí)，采用三維有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。4.3.1計(jì)算假定在計(jì)算分析過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化： 結(jié)構(gòu)工作時(shí)，僅考慮小位移、小變形； 施工過(guò)程中由于是以T型對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)存在的，因此在計(jì)算過(guò)程中，取一半結(jié)構(gòu)； 每一個(gè)階段內(nèi)的混凝土澆筑均勻，內(nèi)部不存在缺陷，進(jìn)而可將每一個(gè)節(jié)段視為均勻彈性體，以彈性模量和泊松比表示

10、材料的特性； 預(yù)應(yīng)力通過(guò)錨具作用于梁段，錨具的影響在線形計(jì)算中忽略不計(jì)。4.3.2荷載處理在施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)承受的荷載有自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃荷載、施工機(jī)具和人群荷載。在有限元計(jì)算過(guò)程中，自重通過(guò)定義結(jié)構(gòu)的密度和計(jì)算時(shí)考慮重力加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，掛籃自重、施工機(jī)具和人群荷載重量簡(jiǎn)化為當(dāng)前施工節(jié)段上頂面作用的均布荷載。預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為外荷載，在截面上的錨具部位處通過(guò)施加外荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)，其大小為預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力（應(yīng)計(jì)入各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失）乘以預(yù)應(yīng)力筋的面積得到。4.3.3邊界條件的確定 在懸臂施工計(jì)算模型中，將懸臂端部視為固定端約束，具體位置見(jiàn)圖2。圖2 懸臂結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)以上假定以及有關(guān)施工圖紙，建立了本橋的三維有限

11、元計(jì)算模型，圖3是第15#節(jié)段的計(jì)算模型。圖3 施工模擬分析的三維計(jì)算模型4.3.4網(wǎng)格剖分對(duì)所建立的三維模型，根據(jù)ANSYS有限元軟件中提供的前處理功能，對(duì)模型進(jìn)行有限元剖分，剖分的過(guò)程中采用8節(jié)點(diǎn)的塊體單元。圖4為第15節(jié)段的有限元網(wǎng)格剖分圖。 圖4 三維模型的有限元剖分圖4.4線形控制中各項(xiàng)預(yù)拱度的確定立模標(biāo)高的確定按公式（公式1）： 自重和預(yù)應(yīng)力對(duì)當(dāng)前施工節(jié)段預(yù)拱度的計(jì)算內(nèi)容，在立模標(biāo)高的計(jì)算公式里面主要體現(xiàn)為：、和三項(xiàng)。通過(guò)前面建立的三維有限元模型，可以確定出每個(gè)施工節(jié)段上這三項(xiàng)的值。其中，即各梁段自重在i節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的豎向變形值總和，通過(guò)各個(gè)節(jié)段的有限元計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)；，梁段上預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的

12、豎向變形值，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上施加外力來(lái)實(shí)現(xiàn)；，后序段對(duì)當(dāng)前澆筑i節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的下?lián)现?，在本橋?jì)算完21號(hào)段后，讀出各個(gè)節(jié)段相應(yīng)的位移，同該節(jié)段施工時(shí)的位移值相減得到；，混凝土的收縮徐變?cè)趇節(jié)點(diǎn)引起的豎向變形值，根據(jù)所采用的收縮徐變計(jì)算方法，對(duì)彈性模量進(jìn)行修正得到。4.5掛籃產(chǎn)生變形的確定在本橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算中，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析。分析結(jié)果在線形控制計(jì)算中取掛籃下底板的彈性撓度值為3.0mm。5用三維有限元對(duì)施工模擬的計(jì)算結(jié)果5.1施工模擬的變形計(jì)算結(jié)果根據(jù)剛構(gòu)橋懸臂施工的三維有限元計(jì)算模型，可以比較詳細(xì)地分析出所施工梁段及已經(jīng)施工梁段的變形情況，以及各種工況下任一結(jié)點(diǎn)的位移，下圖為位移計(jì)算

13、中箱形截面上各個(gè)計(jì)算點(diǎn)的位置。圖5 箱形截面圖6 懸臂段有限元計(jì)算的變形圖5.1.1各個(gè)施工節(jié)段在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的變形結(jié)果在有限元分析中，首先考慮自重和預(yù)應(yīng)力聯(lián)合作用，關(guān)于徐變對(duì)與剛構(gòu)橋施工的影響，在有限元建模的時(shí)候根據(jù)按齡期調(diào)整的折算模量法已經(jīng)在彈性模量中進(jìn)行了考慮。表2為各個(gè)施工節(jié)段在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的變形值。表2 各個(gè)施工節(jié)段在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的變形值段號(hào)自重預(yù)應(yīng)力（mm）123456710.0840.0670.0510.0730.0880.0940.08320.330.2570.1490.2630.3360.3600.36430.6220.5520.4210.5420.6090

14、.7220.70541.0821.0590.9061.0461.0661.1191.10351.6721.6381.5121.6341.6571.6451.63262.4662.3912.2772.3812.4532.4562.44673.5273.5193.3973.5203.5243.5633.55785.0745.0434.9155.0475.0765.0935.09397.0997.0126.8527.0187.1047.1027.107109.6749.7659.8789.7719.7119.7499.7671113.78914.09914.42714.11413.81614.033

15、14.0521218.71519.05919.37919.07318.73318.96618.9801319.97320.01119.97120.01819.98320.03420.0421420.18420.12719.94820.13020.18220.13320.1341519.52819.37819.29619.37019.52419.30719.3041616.32416.24216.06316.22316.31816.24016.2351716.30016.31616.29316.31716.29116.18516.1781814.70314.98015.18414.97314.6

16、9214.83114.8231911.81311.85911.87111.86311.80211.72711.719206.4346.3076.1186.2996.4226.1696.160218.1378.8348.9158.7068.1758.6888.376注：表中正號(hào)表示位移向上。由上表可見(jiàn)，剛構(gòu)橋的梁部在自重和預(yù)應(yīng)力的作用下，由于預(yù)應(yīng)力的作用，懸臂端要發(fā)生上撓，上撓值的大小在14節(jié)段處達(dá)到了最大，14節(jié)段之后由于懸臂增大，在自重作用下上撓值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但是仍然為正值。對(duì)于同一個(gè)截面上由于翼緣部分懸臂的影響，翼緣端的上撓值較中心部分處小。在施工過(guò)程中，當(dāng)前的施工梁段上已存在施工荷載

17、（掛籃、人群荷載）。下表3為考慮自重、預(yù)應(yīng)力和施工荷載的作用后，位移計(jì)算結(jié)果。為了對(duì)比表2和表3差別，對(duì)每個(gè)截面上7個(gè)點(diǎn)的位移進(jìn)行了平均，以代表這個(gè)截面上中心點(diǎn)處的位移值。圖7中橫坐標(biāo)為各段梁梁中心截面到0#段中心的距離。表3 考慮自重、預(yù)應(yīng)力和施工荷載的作用后的變形值段號(hào)自重預(yù)應(yīng)力+掛籃、施工人群荷載（mm）123456710.0520.044-0.0760.0500.0570.0890.07820.2900.2120.0140.2170.2950.3400.34430.5660.4850.2590.4750.5530.6820.66440.9980.9610.7110.9490.9821.

18、0481.03251.5461.5041.2711.4931.5311.5301.51862.2802.1881.9722.1782.2672.2802.27073.2513.223.0033.2223.2483.2893.28384.6664.5994.3614.6034.6684.6804.68096.5106.3706.0866.3766.5166.4986.502108.8108.8168.8278.8218.8478.8598.8781112.53912.78812.97412.80312.56612.75212.7711216.95517.21217.40917.22516.973

19、17.17217.1861317.55717.53117.34517.52717.56617.58217.5901416.93416.81816.49416.82016.93616.85016.8521515.24815.03614.80915.01615.24414.99014.9871610.77210.31110.30410.59710.76610.65010.645179.1999.1418.9849.1309.1909.0469.039185.7345.9506.0095.9435.7235.8255.897190.6180.6020.4690.5940.6060.4930.4852

20、0-7.393-7.583-7.915-7.601-7.405-7.697-7.70621-8.593-8.137-8.325-8.265-8.735-8.260-8.372圖7 各階段施工時(shí)在不同荷載工況下的位移值圖中B曲線為C曲線和D曲線的差值，反映了懸臂施工過(guò)程中在自重和掛籃作用下產(chǎn)生的撓度。從整體上看，剛構(gòu)橋施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)是懸臂結(jié)構(gòu)，因此在變形曲線上反映為比較規(guī)則的多次曲線形式。每個(gè)正在施工節(jié)段的線形控制過(guò)程中不僅要考慮當(dāng)前施工狀態(tài)下各種荷載作用對(duì)懸臂撓度的影響，還需要考慮后序段對(duì)當(dāng)前施工節(jié)段撓度產(chǎn)生的影響，下表4為后序節(jié)段對(duì)正在施工的當(dāng)前節(jié)段的撓度產(chǎn)生的影響。表4 后序節(jié)段對(duì)正在施

21、工的當(dāng)前節(jié)段的撓度產(chǎn)生的影響段號(hào)撓度大?。╩m）123456710.1410.1750.12670.1640.13-0.257-0.25120.0190.0710.1020.0570-0.426-0.4363-0.199-0.156-0.114-0.158-0.202-0.665-0.6594-0.584-0.585-0.517-0.585-0.587-0.952-0.9485-1.068-1.072-1.031-1.082-1.072-1.382-1.386-1.796-1.752-1.725-1.755-1.803-2.089-2.0897-2.778-2.809-2.791-2.821-

22、2.792-3.086-3.0918-4.211-4.304-4.329-4.317-4.228-4.607-4.6179-6.277-6.349-6.387-6.364-6.297-6.651-6.66410-9.046-9.303-9.555-9.315-9.095-9.431-9.45611-13.474-13.831-14.253-13.853-13.511-13.945-13.96912-18.768-19.132-19.488-19.152-18.798-19.161-19.18113-20.326-20.394-20.433-20.413-20.351-20.514-20.531

23、4-20.651-20.647-20.605-20.66-20.666-20.732-20.74215-19.827-19.733-19.782-19.744-19.841-19.727-19.73516-16.113-16.075-16.015-16.076-16.129-16.123-16.1317-15.172-15.222-15.297-15.244-15.191-15.126-15.11618-12.276-12.528-12.782-12.546-12.304-12.407-12.42519-7.642-7.666-7.732-7.709-7.692-7.54-7.57320-0.

24、242-0.010.173-0.058-0.3230.1530.093210000000將表3和表4中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值相加并且反號(hào)即可得到施工過(guò)程中需要調(diào)整的數(shù)值，見(jiàn)表5。表5 施工過(guò)程中需要調(diào)整的數(shù)值段號(hào)1234567調(diào)整值（mm）-0.075-0.157-0.219-0.275-0.329-0.347-0.335段號(hào)891011121314調(diào)整值（mm）-0.2350.0180.4781.0921.9352.8943.857段號(hào)15161718192021調(diào)整值（mm）4.7235.5176.0916.5987.0987.6458.384為了對(duì)比后序節(jié)段對(duì)當(dāng)前節(jié)段的影響、施工時(shí)各種荷載作用下產(chǎn)

25、生的撓度以及施工時(shí)需要調(diào)整的數(shù)值，將表3和表4中每個(gè)截面上7個(gè)點(diǎn)的平均值以及表5中的數(shù)值繪制于圖8中。圖8 各節(jié)段三種撓度值的對(duì)比5.2施工模擬的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果應(yīng)用ANSYS程序進(jìn)行有限元分析，可得到各個(gè)施工階段各種工況下任一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。5.2.1頂板應(yīng)力頂板縱向受壓，最大壓應(yīng)力為21.6MPa，出現(xiàn)在添加預(yù)應(yīng)力的單元周?chē)?.2.2底板應(yīng)力由于預(yù)應(yīng)力的作用，底板的縱向正應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力僅僅出現(xiàn)在20和19號(hào)節(jié)段的底面上，最大拉應(yīng)力為2.94MPa。5.2.3腹板應(yīng)力腹板應(yīng)力從第17節(jié)段之后開(kāi)始逐步出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力從腹板靠近底板部分向靠近頂板部分發(fā)展，直至21節(jié)段上腹板全截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.7MPa。6大