大跨度预应力混凝土连续刚构桥线形监控技术.pdf

D 2 0 1 1年 2月 第 2卷 第 l 期 高速铁路技术 HI GH SP EED RAI LW AY TECHNOLOGY No 1 Vo 1 2 Fe b 2 0l 1 文章编号 ：l 6 7 4 8 2 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 6 0 0 5 大跨度预应 力混凝土连续 刚构桥线形监控技术 杨 宝生 ( 中铁三局集团有限公司， 太原 0 3 0 0 0 1 ) 摘要 ： 新建广州至珠海城际轨道交通 工程容桂水道特大桥上部结构为 ( 1 0 8+1 8 5+1 8 5+1 1 5 )m连续刚构 。 上部结构的悬臂浇筑过程中， 在理论计算的基础上， 通过实时监测和动态调整， 及时掌握了结构的整体线形 状况， 精度控制在2 a m之内， 合龙精度高， 合龙误差仅为0 8 c m， 成桥线形与设计 目标线形吻合。保证了成桥 结构的线形和应力状态符合设计要求， 满足高速铁路高平顺性、 高稳定性和旅客乘坐高舒适性。 关键词 ： 大跨度 ；刚构桥 ； 线形监控 中图分类号 ： U 4 4 6 2 文献标 识码 ： A Li n e a r M o n i t o r i n g Te c h n o l o g y f o r Lo n g S p a n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i n u o u s Ri g i d Fr a m Br i d g e YANG Ba o- s he ng ( C h i n a R a i l w a y N o 3 E n g i n e e ri n g G r o u p C o ， L t d ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e u p p e r s t r u c t u r e o f R o n g g u i w a t e r c h a n n e l m a j o r b r i d g e o f n e w l y b u i l t G u a n g z h o u Z h u h a i i n t e r c i t y r a i l t r a n s i t e n g i n e e ri n g i s a c o n t i n u o u s ri g i d f r a m e o f( 1 0 8+1 8 5+1 8 5+1 1 5 )mD u r i n g p o u ri n g t h e c a n t i l e v e r o f u p p e r s t r u c t u r e，b a s e d o n t h e o r e t i c c a l c u l a t i o n，t h e i n t e g r a t e d s t r u c t u r e l i n e a r c o n di t i o n h a s b e e n fig u r e d o u t t h r o u g h r e a l t i me no n i t o r i n g a n d d y n a m i c a d j u s t m e n t I t s p r e c i s i o n h a s b e e n l i m i t e d w i t h i n 2 c m w h i l e t h e c l o s u r e e r r o r i s j u s t e x c e l l e n t 0 8 c m ，a nd t h e c o n s t r u c t i o n l i n e a r i s ma t c h e d wi t h d e s i g n e d o n e T he r e f o r e，i t h a s me t t h e de s i g n r e q u i r e me n t i n c o n s t ru c - t i o n l i n e a r a n d s t r e s s c o n d i t i o n，a n d s a t i s fie d t h e hi g h s mo o t hn e s s a n d s t a b i l i t y i n o p e r a t i o n a n d hi g h c o mf o r t f o r pa s s e n g e r o f h i g h s p e e d r a i l wa y Ke y wo r d s： l o n g s pa n；rig i d f r a me b rid g e；l i n e a r mo n i t o r i n g 1 前言 新建广州至珠海城际轨道交通工程为铁道部和广 东省联合投资的重点工程项 目， 贯通线总长为 1 4 2 2 3 ( 正线) k m。容桂水道特大桥上部结构为( 1 0 8+1 8 5+ 1 8 5+1 1 5 )m连续刚构 ， 主梁截面采用单箱单室直腹板 变截 面， 箱 顶 宽 为 1 1 6 0 m， 底 宽 为 9 0 m， 宽 跨 比 1 2 0 5 6 ； 边 、 中主墩附近梁高为 1 1 0 0 m， 中跨 中梁高 5 5 0 m， 分别为主跨的 1 1 6 8 2 、 1 3 3 6 3 ； 梁底缘采用圆 曲线连接。箱梁顶板厚 5 5 6 0 c m， 底板厚 5 01 2 0 e m， 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 - 2 3 作者简介 ： 杨宝生 ( 1 9 6 5 ) ， 男 ， 高级工程师 。 腹板厚( 5 0 7 0 9 01 1 0 )c m。箱梁共 2 2段 ， 0号段 长 1 5 m， 1 号段长 3 m，1 5号段长 5 m， 边跨 1 5 3 5 m和 2 2 m。箱梁采用 C 6 0耐久混凝土 ， 封端采用 C A O无收缩 混凝土； 孔道压浆采用 M 6 0 水泥浆。采用三向预应力 体系 ， 纵向预应 力体系 预应力筋 采用 17标 准型 ， 公称直径 61 5 2 0低松弛高强度 钢绞线 ， 抗拉 强度标 准值 =1 8 6 0 MP a ， 弹性模 量 E=1 9 51 0 MP a ； 横 向预应力体 系采用 5 6 1 5 2 O钢绞线 ， 间距 0 4 0 0 4 5 m，B M 1 5 5型锚 具 ， 采用 Y D B型扁 锚整体 张 拉千斤顶 ； 竖 向预应力体系采用螺纹钢筋 4 ) 3 2 ， ， n k = 8 3 0 MP a ， 弹性 模 量 E=2 01 0 MP a ，J L M- 3 2型 锚 具 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 杨宝生： 大跨度预应力混凝土连续刚构桥线形监控技术 2 0 1 1年2月 桥梁整体效果如图 1 所示 。 图 1 容桂 水道 特大桥整体 效果图 2施工线形控制理论 桥梁施工控制不仅是桥梁施工技术的重要组成部 分 ， 而且也是实施难度较大 的部分 ， 尤其是大跨径 桥 梁 ， 其施工控制是一个系统工程。设计图只是 目标 ， 而 在 自开工到竣工整个为实现设计 目标的过程 中， 将受 到许多确定和不确定因素 ( 误差 ) 的影响， 包括设计计 算 、 材料性能 、 施工精度 、 荷载 、 大气温度等诸 多方面在 理想状态与实际状态之问的差异 ， 施工 中如何从各种 受误差影响而失真的参数中找 出相对真实之值 ， 对施 工状态进行实时识别( 监测) 、 调整( 纠偏 ) 、 预测 ， 对设 计 目标的实现是至关重要 的。 对于大跨径混凝土连续梁桥 ， 由于在悬臂施工阶 段是静定结构 ， 合龙过程中如不施加额外的压重， 成桥 后内力状态一般不会偏离设计值很多 ， 连续粱桥施 工 控制的主要 目标是控制主梁 的线形。标高控制的特点 是已完成梁段的误差无法调整 ， 而未完成梁段的立 模 标高只与正装模拟计算有关 ， 与 已完成梁段 的误差基 本无关 。根据这一特点连续梁控制对策为 ： ( 1 ) 在进行施工模拟计算时必须充分考虑各种施 工因素 ， 特别要正确计算主梁的轴线坐标 ， 同时计算 中 要计人竖曲线的影响。 ( 2 ) 由于没有高效 的调整措施 ， 必须合理制定施 工步骤， 使每个步骤 的变形量减小。这样 即使某个施 工步骤产生误差 ， 该误 差在总 体变形 中所 占比例就 较小 。 ( 3 ) 在 自适应施工控制原理图中的控制量反馈计 算 ， 在连续梁施工控制中一般不起作用 ， 而参数估计就 显得尤为重要 。只有与实际施工过程相吻合 的计算模 型计算出的预报标高才是可实现的 ， 施工结果的误差 才能减 小 。 3 基于实际施工过程的预拱度计算模 型及结果分析 3 1 桥梁节段施工模拟的有限元逐步计算法 大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工多采用节段 悬臂施工法 ， 结构随着施工阶段的进展不断转换体系， 超静定次数 由低到高 ， 逐步组成最后的结构体系， 结构 的弹性 内力和徐变收缩引起的次内力都需要分阶段计 算 。有限元逐步计算法可更好 地模拟实 际的施 工过 程 ， 考虑各节段徐变收缩值的差异。 有限单元逐步计算法的原理是将梁部结构简化为 在节点相接的梁单元的组合 ， 节点假定位于通过截 面 形心的轴上 ， 划分单元时使每个单元 的混凝土具有均 一 的徐变收缩特性 。然后 ， 将结构经受徐变收缩 的过 程划分成与施工阶段相适应的若干时问问隔。在每个 时问间隔内对 当时已形成 的结 构进行一次全面 的分 析 ， 求出该时间间隔内产生的全部节点的位移增量和 节点力增量。该增量与本时间问隔开始时的位移或节 点力值相加 即得到本时间间隔终了时的节点位移及节 点力状态。这样 ， 按工序先后 ， 依次计算 ， 逐步累计 ， 即 可 得 到 结 构 在 各 个 施 工 阶 段 或 使 用 阶 段 的 内 力 和 变 形 固 状态。一般情况下 ， 考虑计算精度和费用等因素 ， 桥梁 节段施工的计算都采用空问或平 面杆系结构模 型， 连 续梁( 冈 0 构) 桥施工计算所用结构单元 都可按 空间或 平面梁单元处理。 3 2 计算 图式与模型 容桂水道特大桥的施工模拟计算在建立计算模型 时考虑了以下因素 ： ( 1 ) 采用 空间杆 系结构模 型， 桥墩和主梁都模拟 为梁单元。结构的离散除在墩顶受力复杂处 、 布置了 测点的截面及薄壁墩外， 其余都按主粱施工梁段划分 ， 全桥共划分 2 3 8个 结点， 2 3 2个单元。结构有 限元计 算模型如图2所示 。 图 2结构有 限元计算模型 图 ( 2 ) 永久支承通过约束支承点的自由度模拟。 ( 3 ) 在不 同的施工 阶段 ， 挂篮的位 置是不断变化 的 ， 它们沿主梁移动。挂篮 自重按施工单位提供重量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 杨宝生： 大跨度预应力混凝土连续刚构桥线形监控技术 2 0 1 1 年 2月 ( 包括模板等) ， 将挂篮模拟成临时竖向集 中力荷载。 ( 4 ) 预应力对结构的作用按等效荷载的方法 由程 序 自动处理。计算预应力时， 考虑 了孔道摩擦 、 锚具变 形等引起的预应力损失 。 ( 5 ) 对于悬臂浇筑施工的连续 刚构梁桥 ， 墩顶块 是连接上部结构与下部结构 的关键部位 ， 为 了以较大 的刚度来保证结构 的安全 ， 墩顶块 的尺寸都设计得很 大。在拟定计算图式时 ， 横隔梁处 的刚度按实际刚度 输人。 ( 6 ) 混凝土徐变收缩 的影响与加载程序及龄期等 因素有关 ， 徐变收缩的计算作如下处理 ： 混凝土采用同 一 弹性模量 ； 同一节段悬臂浇筑 的混凝土具有相同的 龄期。 3 3施工阶段的划分 计算中划分为 8 3个施工模拟阶段 ， 每施工 1个梁 段 ， 其中浇注混凝土、 张拉预应力束 、 前移挂篮都划分 为独立受力阶段。 3 4施工模拟计算的主要结果 位移包括竖向位移 、 水平位移和转角 ， 预拱度变形 如图 3所示。 l 图 3 预拱度变形图 4 线形监控 内容及 方法 4 1 监控内容 大跨度桥梁施工控制的主要 目的是使施工实际状 态最大限度地与理想设计状态 ( 线形与内力) 相吻合 。 但由于各种 因素的直接和间接影响 ， 使实际桥梁在施 工过程中的每一状态几乎不可能与设计状 态完全一 致。结构参数 、 施工工艺 、 结构分析模型和环境影响是 造成实际状态与设计状态不一致 的主要 因素。 大跨度桥梁的设计 与施工相关性很强， 很 多因素 ( 如所采用 的施工方法 、 材料性 能、 施工顺 序、 环境温 度场 、 环境湿度 、 主梁节段标高等) 都直接影响成桥 的 理论设计线形与受力 ， 而施工 的实际参数与设计参数 的理想取值问存在客观上的差异。这些 因素的影响在 设计 阶段一般没有 ， 也无法完全考虑和计算 ， 只有在施 工过程中根据结构的实际反应予以考虑。若不在施工 过程 中实施有效控制 ， 就有可能 由于误差的积累致使 成桥后结构的整体受力状态及线形严重偏离设计 目标 而影响结构的可靠性。因此大跨桥梁的施工控制是保 证其顺利修建不可缺少的必要条件之一。而施工检测 是确定结构即时所处的受力及变形状态 的唯一手段 ， 是施工控制赖以进行的基础和前提， 是桥梁结构分析 一 检测一 比较一 调整这一施工控制过程中的重要一 环。对施工过程中各阶段结构 内力和变形 以及其它的 一 些控制变量进行实时检测 ， 形成施工控制不可缺少 的实测资料 ， 作为施工控制调整的主要依据 ， 同时也为 监测施工 ， 改进设计以确保结构在施工过程 中的安全 与适用提供重要的手段。 根据容桂水道特大桥 的结构特点 、 设计要求 和施 工方法 ， 线形监控的主要 内容是施工过程的仿真计算、 立模标高的确定与调整 、 挠度复核等 4个方面。 施工过程的仿真计算是根据实测的设计参数( 如 混凝土密度 、 强度和弹性模量等 ) 、 使用的施工工艺和 工序 、 挂篮的结构形式和临时施工荷载等数据 ， 计算施 工过程 中各个施工 阶段 的结构挠度 和内力 ， 为挠度控 制提供理论计算值 。因此， 它是确定立模标高、 分析偏 差原因的主要依据 ， 是保证合龙精度 的基础。施 工过 程的仿真计算 的主要结果有 ： 各梁段挂篮前移定位后 的结构挠度 ； 各梁段浇筑梁段混凝土后的结构挠度； 各 梁段张拉梁段预应力后的结构挠度； 合龙段临时连接 后的结构挠度； 合龙段浇筑混凝土后( 假定为荷载 ) 的 挠度 ； 合龙段浇筑 混凝土后 ( 已成 为结构 ) 的结构挠 度 ； 桥面铺装完成后的结构挠度。 4 2实施 过程 4 2 1 立模标高的确定 大跨径连续刚构的成桥线形和合龙精度主要取决 于施工过程中梁段挠度的控制。梁段的前端挠度是考 虑了挂篮的变形 、 梁段 自重 、 预应力大小 、 施工荷载、 结 构体系转换 、 混凝土徐变收缩、 日照和季节温差等因素 后计算求得 ， 并且以梁段前端立模标高的形式给定 ， 因 此 ， 立模标高的确定极为重要。 箱梁各悬浇梁段的前端立模标高可参考如下公式 确定 ： Hi= 4 0+ + + ( 1 ) 式中： 待 浇梁 段前 端底板 处挂 篮底模 板标 高 ( 空模板 ) ； 待浇梁段前端底板处设计标高 ； 本梁段预拱度( 包括恒载、 活载 、 成桥后 的 收缩徐变影响) ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 杨 宝生 ： 大跨度预应力混凝土连续刚构桥线形监控技术 挂篮弹性变形对该点的影 响值( 在挂篮加 载试压后得出) ； 立模标高的调整值 。 施工单位完成立模后 ， 监控单位将进行复核 ， 如果 立标标高的偏差小于充许值 ， 则施工单位可进行下一 道工序的施工 ； 如果偏差大于允许值 ， 则 应重新进行 调 整 。 4 2 2 立模标高的调整 当本梁段完成后 的前端标 高出现偏差 ( 时， 若 6 2 c m， 则将 在 其 后 的 1个 梁 段 内将 其 消 除 ； 若 8 2 c m， 则需在其后的 2个 以上的梁段 内将其 消除， 以保证主梁线形的平顺 ， 处理方法是 ： 先将本梁段标高 偏差 6反号并等分为 n份 ， 再将 一6 n分别加进 后面 施工的 n个梁段 的立模标高中。标高偏差 的分配以底 板底面光顺为原则。 施工控制的 目标之一使成桥后的线形满足设计要 求 ， 为此 ， 需要准确的测量梁段施工过程 中每一道工序 完成后的梁端标高变化和中线偏位 ， 分析梁重误差 、 预 应力张拉误差 、 混凝土收缩徐变 和温度变化等因素对 梁端标高和箱梁中线的影响， 为准确确定和合理调整 立模标高提供依据。 挠度监测主要通过在每一梁段前端的混凝土面布 设的 3个标 高测点 ( 左 、 右腹板顶及梁中线 上 ) ， 这样 在测量箱梁的挠度的同时还可以观察箱粱是否发生扭 转变形或左右摆动。测点采用预埋钢筋头， 并用红色 油漆编号 ， 用精密水准仪测量 。 4 3 线 形监控 要点 4 3 1 高程和平面控制网的建立 高程控制网是保证预应力箱 梁理论轴线 、 标高施 工精度 、 及时准确地控制和调整施工 中发生 的偏差值 的基础。建议高程控制以 等水准高程控制测量标准 为控制网， 箱粱悬浇以等水准高程精度控制联测 ； 选 用高精度水准仪 ， 其偶然误差不大于 1 mm k m。 4 3 2 梁段的立模标高与平面位置 立模标高控制的重点应放在底板底面和梁段的前 端与后端高差 2个方面。箱梁平面位置控制的要点是 梁轴线和相对于梁轴线 的横 向宽度。 4 3 3 梁 段重量 误 差 影响梁段重量误差的主要 因素是顶板厚度 ， 同时 要严格控制底板厚度和腹板宽度。 4 3 4 预应力张拉误差 预应力张拉误差的主要原 因是预应力张拉实施时 所产生的张拉偏差以及实际张拉的管道摩擦系数与管 道偏差系数误差， 应严格按 “ 双控 ” 的原则来保证预应 力张拉 的准确 ， 同时通过应力测试来检测预应力张拉 的准确度。 4 3 5 施工过程结构变位观测 ( 1 ) 主梁挠度观测 测点布置 ： 每一梁段悬臂端截面梁顶设立 3个 标高观测点 。这样不仅可 以测量箱梁 的挠度， 同时可 以观察箱梁是否发生扭转变形或左右摆动。测点须用 短钢筋预埋设置并用红漆表 明编号。当前现浇梁段悬 臂端截面在底模上设立 2个 临时标高观测点 ， 作 为当 前梁段控制截面梁底标高用。 测 试 仪 器： 采 用 精 度 水 准 仪 ， 测 量 精 度 在 0 5 mm以 内。 测试要求 ： 为尽量减少温度的影响， 挠度 的观测 一 般安排在早晨太阳出来之前进行 。 ( 2 ) 主梁轴线位置测量 测点布置 ： 每个节断的桥面 中心点设置 1个测 点， 布置如图 4所示。 注：测点应采用不生锈材料 ，在浇筑混凝土前预埋。 测点距梁段前端5 c m，高出混凝土面2 c m。 图 4 梁面标高测点布置图 测 试 仪 器 ： 采 用 全 站 仪 测 量， 测 量 精 度 在 0 5 m m以内。 测试要求 ： 为尽量减少温度 的影响 ， 挠度的观测 一 般安排在早晨太 阳出来之前进行。 5 实测数据与理论计算值的对比分析 在容桂水道特大桥悬臂浇筑施工 过程 中， 进行 了 多次标高测量 ， 并采用高精度的全站仪和精密测量方 法对 大桥 的测量控制 网进 行 了复测 ， 保证 了合龙 的 精度。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 杨宝生： 大跨度预应力混凝土连续刚构桥线形监控技术 2 0 1 1 年 2月 容桂水道特大桥 7 1号墩 ( 广州方向) 标高 一实测 理论 比较曲线如图 5所示 ， 每次的实测数据除极个别 点的标高与理论相 差较大 ( 也在可调 范围之 内， 及 时 进行 了调整 ) 外 ， 实测数据与理论计算值 的偏差都在 2 c m以内， 为全桥的精确合龙提供了良好的基础。 7 l 号 g 一 恒 图 5 容桂水道特大桥 7 1号墩 ( 广州方向 ) 标高 一实测理论比较曲线图 墩( 珠海方向) 、 7 0号墩和 7 2号墩均与此类似。 6 成桥后梁体线形状态分析 根据对 比数据可知 ， 在全桥施工过程中， 每一悬浇 块的控制都比较理想， 并且在施工过程 中， 全桥的线形 变化也与有 限元模型计算过程 中的理论变化值相 吻 合。合龙精度高， 全桥合龙后 ， 梁体线形状态与理论计 算值吻合 ， 大桥线形优美 ， 与设计 目标一致。 参考文献 1 范立础 桥梁工程 ( 上册 ) M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 O O 1 2 T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ， 铁路桥涵设计基本规范 S 3 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ， 铁路桥涵钢筋混凝土 和预应力 混凝 土桥涵结 构设计规范 S 4 王富耻 ， 张朝 辉 A N S Y S I O 0有 限元分析 理论与 工程应用 M 北京 ： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 6 ( 上接第 1 1页) 表 6 追踪 间隔时 间表 动车组 制动初速度 项 目 最大坡度( ) 类型 ( k m h ) O 一 2 O 一2 5 3 O I n( m) 1 9 2 9 2 5 5 5 2 7 8 7 3 0 5 l f ( m) 4 2 0 4 2 0 4 2 0 4 2 0 C R H 1 2 0 H0 Z 分 ( r f 1 ) 2 0 H0 O 2 O 0 H0 2 o o O 2 o o 0 Z ( IT I ) 2 9 0 2 9 0 2 9 0 2 9 0 ， 区( s ) 8 2 9 1 9 5 9 8 I n( m) 4 1 9 2 6 4 5 5 7 4 1 2 8 9 2 9 ( m) 4 2 0 4 2 0 4 2 0 4 2 0 C R H 2 2 5 0 l s y tx ( 1711 ) 2 0 H0 0 2 0 0 0 2 O 0 0 2 O o o Z ( i n ) 2 9 0 2 9 0 2 9 0 2 9 0 ， 区( s ) l 1 5 1 4 7 l 6 l 1 8 3 ， 制( i n ) 3 5 3 5 4 9 6 6 5 5 2 5 6 2 2 7 Z ( i n ) 4 2 0 4 2 0 4 2 0 4 2 0 C R H 5 2 5 0 分 ( r l1 ) 2 o o O 2 O o o 2 0 0 0 2 O 0 0 Z ( r n ) 2 9 0 2 9 0 2 9 0 2 9 0 ， 区( s ) 1 O 5 1 2 6 1 3 4 1 4 4 7研 究结论 综合研究我 国城际铁路运行的动车组各项性能及 动车组列车利用动能闯坡和在不同坡度上牵引能耗情 况 ， 从最大坡度对运营时间、 运行速度及对区间通过能 力的影响分析， 我国城际铁路最大坡度建议一般采用 1 2 o ， 长大坡段最 大坡度 2 5 o ， 在利用 动能闯坡条件 下 ， 最大坡度可采用 3 0 o ， 但不宜设置长大坡道。但 需要说明的是 ， 随着我国装备制造业发展 ， 适应新型动 车组的最大坡度需要进一步研究。 参考文献 1 T B 1 0 6 2 1 2 0 0 9 ， 高速铁路设计规 范 S 2 铁运函 2 0 0 6 4 6 2号 ， 时速 2 0 0和 3 0 0公里动车组 主要技术条 件 S 3 中铁二院工程集 团有限责任公司 新建铁路成都至西安客运专线 可行性研究总说 明书 R 2 0 0 9 4 殷继兴 ， 王进 勇 我 国山区铁路最大 限制坡度选择 的研究 J 铁 道运输与经济 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 9 ) ： 8 0 - 8 3 5 陈文科 郑州至武汉铁 路客运专 线最 大坡度值研 究 J 铁道 勘 察 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 4 4 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m