大跨度铁路连续梁桥线形控制关键技术分析

赵庆武

(中国中铁郑州地铁工程指挥部，河南郑州 450016)

大跨度铁路预应力混凝土连续梁桥一般采用悬臂施工工艺，其结构体系的形成需要经过一个复杂的过程，我国铁路桥梁施工规范明确要求，悬臂施工工艺连续梁桥需进行专门线形控制分析。一般而言，线形控制目标包括三方面内容：①主梁合龙后悬臂两端挠度的竖向偏差和轴线的横向偏差不超过允许范围；②合龙后的梁体桥面线形平顺、高程满足设计要求，符合有碴及无碴轨道铺设条件；③施工期及运营期梁体截面应力满足设计要求。随着我国铁路运营速度的不断提高，无碴轨道的铁路桥梁对桥面线形要求更为严苛，必须把铁路桥梁线形控制问题置于更加突出的位置加以解决。目前，针对公路预应力混凝土连续梁桥的研究已较为充分[1-5]，但针对铁路桥梁，尤其是客运专线铁路桥梁的研究尚不多。

一般而言，线形控制技术是指室内分析与现场测试密切配合、相互作用的过程。大跨度连续梁桥的设计与施工相关性很强，如所采用的施工方法、材料性能、施工程序、环境温度场及立模高程等都直接影响成桥的线形与内力，而施工的实际参数与设计参数的差异是客观存在的，必须在施工现场采集必要的数据，通过参数识别后，对理论值进行修正计算，通过调整浇筑立模高程使主梁高程达到设计要求。通过施工过程的监测、数据采集和优化控制，在施工中依据已建结构的指标，预测未来结构的指标，最终实现梁桥的线形控制目的。

1 工程概述

本文以福厦铁路中亚城双线特大桥——(60+100+60)m预应力混凝土连续箱梁桥为例，阐述线形控制过程，揭示影响线形控制精度的主要因素以及其作用机理。中亚城双线大桥主桥悬臂现浇连续梁段位于曲线半径为4 500 m的缓和曲线段内，梁体设计为单箱单室、变高度、变截面结构，箱梁顶宽13.0 m，箱梁底宽6.4 m。顶板厚度35～45 cm、45～55 cm，按折线变化，底板厚度40～120 cm，按折线变化，腹板厚60～80 cm、80～100 cm，按折线变化。全联在端支点、中跨中及中支点处共设5个横隔板。主梁典型截面如图1所示。

连续梁桥施工及线形控制与桥址处施工期间地形、气象以及水文等环境因素密切相关。大桥处于集美区杏林镇，段内属闽南丘陵地貌，地势起伏较小。上覆第四系全新统人工填土、粉质黏土、砂、淤泥质黏土及松软土，下伏基岩为燕山早期第三次侵入的花岗岩，无不良地质构造。地表水主要以沟水、渠水及鱼塘水为主，水量较小。地下水以第四系土层中的孔隙水为主，少量为花岗岩基岩裂隙水。该地区属亚热带海洋性季风气候，温和湿润，雨量充沛，四季不甚分明，夏季白天酷热夜晚凉爽。年平均气温约20 ℃，八至九月份气温最高，一至二月份气温最低，偶有霜冻。降雨多集中在3～9月份，10月至次年2月少雨，7～9月份为台风暴雨期。

图1 主梁典型截面(单位：mm)

2 连续梁的线形控制技术分析

2.1 施工工艺

中亚城双线特大桥主桥连续梁采用三角挂篮分节悬臂浇筑法施工，泵送混凝土。0号块采用在墩身两侧焊接型钢托架法施工，悬臂灌注9个节段后，在边跨采用万能杆件支架法合龙边跨，待边跨混凝土达到设计要求强度并张拉边跨合龙钢束后，合龙中跨，最后铺设桥面设施，完成全桥施工。

2.2 线形控制理论分析

采用正装结构分析进行结构变形初始预测，在施工过程中将理论值与现场实测值进行对比分析，通过参数识别技术得出结构实际设计参数，将识别出的结构参数代入计算模型，重复正装分析过程。由于调整后的计算变形与原始理论分析结果的差异，为得到最优化的后续节段高程调整方案，引入最小二乘法进行误差调整，得到优化后的后续节段立模高程值，现场进行箱梁模型高程调整，以取得最佳的线形控制结果。

误差调整采用最小二乘法，通过对设计参数的识别与修正，可以使提前预测值不断向真实值逼近，随着数据量的增多，其准确性也逐步提高。具体思路为采用“H实际挠度=A×H理论计算+B×TIME实测+C”的线性回归模式进行控制。在运用中使用计算机进行最小二乘法参数估计，通过对已知量的线性回归，在解出回归系数后，即可按照多元线性回归模型对未知量进行预测。

2.3 线形控制关键技术

施工监控的目的是要对成桥目标进行有效控制，修正施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥后结构受力和线形满足设计要求。因此，连续梁桥施工控制的原则为以主梁线形控制为主，应力控制为辅。这是因为在悬臂施工阶段梁段是静定结构，只要合龙过程中所施加压重不太大，成桥后内力状态一般不会偏离设计值很多。因此，悬灌施工中应重点加强梁体高程控制，确保合龙顺利，同时，对主梁截面内力的监控则选取控制截面进行适当应力监测，确保保证施工过程中内力(应力)偏差在允许范围内，保证施工过程的安全。

主梁线形控制最关键的技术之一在于后续节段变形预测并据此给出调整后的立模高程。另外，根据应力实测值与理论值之间的比较分析，掌握梁体应力状体，对于应力异常情况进行分析处理亦是线形控制中不可或缺的关键技术。

2.4 线形控制测量

(1)应力观测

在箱梁的控制截面布置应力观测点，以观察在施工过程中这些截面的应力变化与应力分布情况。

(2)挠度观测

挠度观测资料是控制成桥线形最主要的依据。在每个施工块件上布置6个对称的高程观测点，如图2所示。各测点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。施工过程中，对每一截面需进行立模、混凝土浇筑前、混凝土浇筑后、预应力张拉前、预应力张拉后的高程观测，以便观察各点的挠度及箱梁曲线的变化历程，保证箱梁悬臂端的合龙精度及桥面线形。

图2 截面立模高程测点布置

(3)温度观测

温度是影响主梁挠度的最主要的因素之一。温度变化包括日温度和季节温度变化两部分，为了摸清箱梁截面内外温差和温度在截面上的分布情况，在梁体上布置温度观测点进行观测，以获得准确的温度变化规律。

(4)混凝土弹性模量及容重的测量

混凝土弹性模量的测试主要是为了测定混凝土弹性模量E随时间t的变化过程，即E-t曲线。采用现场取样的方法，分别测定混凝土在3 d、7 d、14 d、28 d、56 d龄期的强度值(含抗折强度)，以得到完整的E-t曲线。

3 参数敏感性分析

为了分析施工过程中各种设计参数对桥梁高程的影响，确定主要和次要控制参数，便于出现偏差时调整立模高程，分别对施工过程中自重、挂篮变形、预应力、收缩徐变、温度等参数对结构高程的影响程度进行参数分析。限于篇幅，以下列出影响中亚城双线特大桥主桥成桥预拱度的3种参数敏感性分析结果。

(1)边跨现浇段采用满堂支架法施工。为了分析边跨支架约束方式对成桥线形的影响，计算时考虑边跨支架竖向约束和竖向水平同时约束两种工况，分析其对施工的影响。分析结果如图3所示，结果表明，边跨现浇段对施工线形的影响最大处发生在3号边跨合龙段，其数值为3.3 mm，对成桥线形的影响可以忽略不计。

(2)桥墩的压缩变形会对主梁的线形产生影响，对此考虑无桥墩模型与全桥整体模型对桥梁施工预拱度的影响，其分析结果见图4，桥墩的竖向压缩只会对跨中段的施工预拱度有影响，其值为2.1 mm，所以精确模型应考虑桥墩竖向压缩变形对主梁施工预拱度的影响。

(3)跨中合龙段施工约束方式的不同对整体立模高程有一定影响，模型考虑跨中合龙段固结约束和铰接约束两种工况，分析结果表明，跨中合龙段采用固结约束使得施工预拱度稍有提高，最大值发生在跨中10号施工段，其值为5.2 mm，最终模型采用两者预拱度折中结果。最终施工预拱度见图5。

结果表明自重、预应力、温度、挂篮变形对立模高程的影响比较大，应列为主要控制参数，而其余参数影响相对较小，可列为次要参数。

图3 边跨支架约束方式对主梁施工预拱度的影响

图4 桥墩竖向压缩变形对主梁施工预拱度的影响

4 变形分析

线形控制的重点应围绕梁体节段变形预测及校验展开，为检验本文所述线形控制技术的正确性，列出中亚城双线特大桥主桥变形预测值与实测值的比较结果(见表1)。

表1 福厦铁路中亚城双线特大桥2号墩各施工阶段变形对比 m

参数分析结果表明，自重、预应力、温度、挂篮变形对立模高程的影响比较大，应列为主要控制参数，而其余参数影响相对较小，可列为次要参数。图6列出2号主墩各悬灌节段在混凝土浇筑前后理论计算值与实测值的比较结果，图7列出2号主墩各悬灌节段在预应力张拉前后理论计算值与实测值的比较结果，以检验本文所述控制方法的正确性。

工程实测表明，中亚城双线特大桥主桥跨中合龙误>差为5 mm，轴线最大偏差为6 mm，均小于规范限

图6 2号墩混凝土浇筑前后实测与理论对比(中跨)

图7 号墩预应力张拉前后实测与理论对比(中跨)

值，合龙后主梁桥面高程理论值与实测值吻合良好，主梁线形顺畅。

5 结论

首先对铁路连续梁桥施工控制的关键技术进行分析，揭示影响线形控制的影响因素。进一步结合福厦铁路中亚城双线特大桥施工监控中进行的参数敏感性分析，得出影响线形控制精度的主要设计参数为自重、预应力、温度、挂篮变形等，其余参数影响相对较小，可列为次要参数。通过对中亚城双线特大桥各阶段变形预测值与实测值的对比分析，验证本文所述方法正确可靠，可为同类型桥梁提供参考。

[1] 徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000

[2] 向中富.桥梁施工控制技术[M].人民交通出版社，2001

[3] 葛耀军.分段施工桥梁分析与控制[J].铁道建筑，2005(6)

[4] 张志新.大跨度预应力混凝土连续梁桥施工控制技术及应用[D].长安大学，2003

[5] 刘跃华，李国平.连续梁桥悬臂浇筑施工挠度控制的因素分析[J].上海公路,2002(4)