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1、大跨度双线铁路连续刚构桥悬臂灌注施工线形控制技术中铁十三局集团公司第一工程公司 杜玉波【摘要】渝怀铁路黄草乌江大桥主跨168米，悬臂施工节段多，重量大，时间长，工况多变，影响因素多，实现设计的桥梁线形难度较大。通过对线形控制理论计算、计算机有限元模拟仿真分析、梁体线形控制的精密测量和有关的施工工艺及施工方法的研究，确立各阶段立模标高，保证悬灌梁的线形达到设计及规范的要求。【关 键 词】 大跨度连续刚构桥 悬臂灌注施工 线形控制技术 线形控制理论计算 计算机有限元模拟仿真分析 精密测量 各阶段立模标高1工程概况黄草乌江大桥是渝怀铁路的重难点工程，位于重庆市武隆县黄草乡，为跨越乌江峡谷而设。桥梁主
2、跨为（9616896）m双线预应力混凝土连续刚构，刚构梁部为变截面变高度单箱单室箱梁，中支点梁高11m，跨中梁高5.5m，梁底按二次抛物线变化。箱梁顶宽11m，箱宽7.8m，设置三向预应力。主跨2、3号墩为圆形空心桥墩，顶部渐变为矩形，过渡段长度为12m，2号墩采用嵌固基础，3号墩采用钻孔桩基础。大桥于2001年4月开工，2号与3号墩两个T构各用一对菱形挂篮对称悬灌至21号和21号梁段后，在1号墩和4号台侧安装支架，进行预压后在支架上浇灌边跨23、24、25号梁段，2003年11月15日合拢边跨22号梁段，2003年11月24日合拢中跨22号梁段，至此主体工程全部竣工。2线形控制的要求及流程图
3、在铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范中，对线形控制设计基本规定为：当由恒载及静活载引起的竖向挠度等于或小于15mm或跨度的11600时，可不设预拱度，宜用调整道渣厚度的办法解决；大于上述数值时应设置预拱度，其曲线与恒载及12静活载所产生的挠度曲线基本相同，但方向相反。预应力混凝土梁，计算预拱度时应考虑预加应力的影响。线形控制的内容包括两部分：施工节段挠度的预测以及误差的调整，流程如下： 图1 线形控制流程图3线形控制的基本原理3.1立模标高的确定为全面分析箱梁在整个施工过程中的挠度变形情况，并为下一节箱梁立模提供依据，每浇筑一段箱梁，应分为五个阶段进行挠度观测： 浇筑混凝土后； 张拉
4、预应力前； 张拉预应力后； 移动挂篮后； 浇筑下一节混凝土前。立模标高公式如下： （公式1）式中：立模标高； 设计标高； 各梁段自重在i节点产生的竖向变形总和； 张拉预应力束在i节点产生的竖向位移变形总和； 挂篮自身在自重作用状态下产生的变形，包括挂篮的非弹性变形； 后序段对当前浇筑i节点产生的下挠值； 混凝土的收缩徐变在i节点引起的竖向变形值； 第i节点的误差调整值。3.2施工过程中精度控制要求结合施工测量中的实际条件，要求各箱梁顶、底面标高误差小于10mm；各截面的垂直度误差小于箱梁高度的1/1000；各断面的长度误差小于10mm。箱梁悬臂施工过程中的挠度监测控制，要求能反映1mm的变化值
5、。3.3刚构桥合拢精度要求铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范中对合拢精度的控制提出了要求，对刚构桥施工中线合龙精度的要求见表1。表1 刚构桥施工中线合龙精度要求项 目允许偏差悬臂梁端高程与设计高程之差15mm合拢前两悬臂端相对高差15mm梁段模板中线与设计中线之差5mm轴线偏差15mm顶面高程差10mm3.4误差产生的原因桥梁施工控制是一个预告施工量测识别修正预告的循环过程。施工过程中应对主梁断面应力和标高进行双控。为了避免在悬臂浇筑过程中及合拢后主梁出现拉应力，要求控制系统除了具备常规的结构分析计算手段外，还应具备测量主梁断面应力和主梁标高的数据，通过误差分析，正确判断误差原因，并
6、在下一节段施工中进行修正。3.4.1结构参数结构参数主要包括： 结构构件截面尺寸 结构材料弹性模量 材料容重 施工荷载 预加应力 挂篮变形误差3.4.2材料收缩、徐变对于混凝土桥梁而言，材料收缩、徐变对结构内力、变形有一定的影响，这主要是由于大跨度混凝土桥梁施工中混凝土普遍存在加载龄期小、各节段龄期相差大等引起的。3.4.3结构计算分析模型无论采用什么分析方法和手段，总要对实际桥梁结构进行简化和建立计算模型，这种简化使计算模型与实际情况之间存在误差，包括各种假定、边界条件的处理、模型化的本身精度等。3.4.4施工工艺除要求施工工艺必须符合控制要求以外，在施工控制中必须计入施工条件的非理想化而带
7、来的构件制作、安装方面的误差，使施工状态保持在控制之中。施工控制是个连续的过程，任何后期荷载的影响或施工方案的改变都会影响桥梁的线形和内力。3.5误差调整的原理及方法参考数值分析方法中二分法原理，对于标高误差的调整方法如下：由于前述各种因素的影响，导致同一梁段的桥面板实际标高值与按立模标高设置的设计施工标高不一致，产生标高残差值。如果差值小于10mm，可不进行调整；如果差值大于10mm，则应调整，调整值为1/2标高差值。通过这种调整方法能够保证合拢高程平顺对接。4线形控制的计算方法4.1荷载工况的划分大跨度刚构桥在施工中，采取悬臂施工的方法。根据结构悬臂施工特点，任一节段分为如下四个施工工况：
8、立模板、浇筑梁段混凝土、张拉预应力钢束、移动挂篮。在进行施工模拟计算时，根据施工的过程进行仿真计算，荷载计算的工况为施工开始之后到合拢施工之前的84个荷载计算工况。4.2 刚构桥悬臂施工的模拟计算 将刚构桥理想化为互相连接单元的组合，每个节段上的单元具有相同的龄期、收缩徐变特性以及材料特性，并假设每个单元温度分布相同。 将浇筑、张拉混凝土过程划分为与施工过程相适应的时段。其中，假设施工过程中结构外荷载发生变化在瞬时内完成，即相应的时段长度为零；而其余时段内无外荷载变化，结构在该时段内发生收缩徐变等。 在每一节段，都对当时已形成的结构进行一次全面的分析，求出该时段内产生的全部节点位移和节点力 (
9、即结构内力和变形量)。4.3线形计算模型的确立采用了梁单元计算模型，这种模型必须考虑以下问题： 真实反映各个施工梁段的几何形态，使得各个梁段的几何形态产生的误差对施工控制产生的影响减少到最小； 考虑预应力在各个截面上不同位置的分布； 能够正确反映施工过程中各种可能的计算工况。故在进行施工模拟分析时，采用三维有限元模型进行结构分析。4.3.1计算假定在计算分析过程中，对结构进行了如下简化： 结构工作时，仅考虑小位移、小变形； 施工过程中由于是以T型对称结构存在的，因此在计算过程中，取一半结构； 每一个阶段内的混凝土浇筑均匀，内部不存在缺陷，进而可将每一个节段视为均匀弹性体，以弹性模量和泊松比表示
10、材料的特性； 预应力通过锚具作用于梁段，锚具的影响在线形计算中忽略不计。4.3.2荷载处理在施工过程中，结构承受的荷载有自重、预应力、挂篮荷载、施工机具和人群荷载。在有限元计算过程中，自重通过定义结构的密度和计算时考虑重力加速度来实现，挂篮自重、施工机具和人群荷载重量简化为当前施工节段上顶面作用的均布荷载。预应力转化为外荷载，在截面上的锚具部位处通过施加外荷载来实现，其大小为预应力张拉应力（应计入各项预应力损失）乘以预应力筋的面积得到。4.3.3边界条件的确定 在悬臂施工计算模型中，将悬臂端部视为固定端约束，具体位置见图2。图2 悬臂结构示意图根据以上假定以及有关施工图纸，建立了本桥的三维有限
11、元计算模型，图3是第15#节段的计算模型。图3 施工模拟分析的三维计算模型4.3.4网格剖分对所建立的三维模型，根据ANSYS有限元软件中提供的前处理功能，对模型进行有限元剖分，剖分的过程中采用8节点的块体单元。图4为第15节段的有限元网格剖分图。 图4 三维模型的有限元剖分图4.4线形控制中各项预拱度的确定立模标高的确定按公式（公式1）： 自重和预应力对当前施工节段预拱度的计算内容，在立模标高的计算公式里面主要体现为：、和三项。通过前面建立的三维有限元模型，可以确定出每个施工节段上这三项的值。其中，即各梁段自重在i节点产生的竖向变形值总和，通过各个节段的有限元计算来实现；，梁段上预应力产生的
12、竖向变形值，通过在结构上施加外力来实现；，后序段对当前浇筑i节点产生的下挠值，在本桥计算完21号段后，读出各个节段相应的位移，同该节段施工时的位移值相减得到；，混凝土的收缩徐变在i节点引起的竖向变形值，根据所采用的收缩徐变计算方法，对弹性模量进行修正得到。4.5挂篮产生变形的确定在本桥结构静力计算中，采用ANSYS有限元软件进行分析。分析结果在线形控制计算中取挂篮下底板的弹性挠度值为3.0mm。5用三维有限元对施工模拟的计算结果5.1施工模拟的变形计算结果根据刚构桥悬臂施工的三维有限元计算模型，可以比较详细地分析出所施工梁段及已经施工梁段的变形情况，以及各种工况下任一结点的位移，下图为位移计算
13、中箱形截面上各个计算点的位置。图5 箱形截面图6 悬臂段有限元计算的变形图5.1.1各个施工节段在自重和预应力作用下的变形结果在有限元分析中，首先考虑自重和预应力联合作用，关于徐变对与刚构桥施工的影响，在有限元建模的时候根据按龄期调整的折算模量法已经在弹性模量中进行了考虑。表2为各个施工节段在自重和预应力作用下的变形值。表2 各个施工节段在自重和预应力作用下的变形值段号自重预应力（mm）123456710.0840.0670.0510.0730.0880.0940.08320.330.2570.1490.2630.3360.3600.36430.6220.5520.4210.5420.6090
14、.7220.70541.0821.0590.9061.0461.0661.1191.10351.6721.6381.5121.6341.6571.6451.63262.4662.3912.2772.3812.4532.4562.44673.5273.5193.3973.5203.5243.5633.55785.0745.0434.9155.0475.0765.0935.09397.0997.0126.8527.0187.1047.1027.107109.6749.7659.8789.7719.7119.7499.7671113.78914.09914.42714.11413.81614.03314.0521218.71519.05919.37919.07318.73318.96618.9801319.97320.01119.97120.01819.98320.03420.0421420.18420.12719.94820.130
