铁路大跨度连续刚构柔性拱主梁施工监控技术研究

陈伟庚，王石磊

(1.广珠铁路有限责任公司，广东 珠海 519015;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

连续刚构桥因其整体性能好、跨越能力大、施工技术成熟、造型美观，于20世纪70年代起在世界范围内得到普遍应用，目前公路连续刚构桥主跨跨径已突破300 m，因铁路桥使用活载大、对桥梁结构动力性能要求较高，目前国内已建铁路最大连续刚构桥跨径为168 m。研究表明采用柔性拱连续刚构组合结构形式在充分发挥梁与拱两种结构受力优点基础上，可进一步提高铁路混凝土桥梁的跨越能力，同时亦能保证铁路对结构动力性能的要求，目前该组合结构形式在已运营的宜万铁路［1］及在建的广珠铁路上得到了应用。本文以广珠铁路重点工程西江特大桥为依托，结合国内外大跨度连续刚构桥主梁施工监控的技术及成功经验［2］，讨论铁路大跨度连续刚构柔性拱主梁施工监控相关技术及特点。

1 西江特大桥主桥工程概况

西江特大桥主桥跨越主航道，长682.1 m，跨径组合为(110+2×230+110)m，为连续刚构—柔性拱组合结构体系，大桥结构布置见图1。主桥连续刚构部分梁体采用单箱双室截面，两边腹板为直腹板。箱梁中支点处梁高12.0 m，端支点及中跨跨中处4.0 m，梁底曲线为抛物线，根据梁段所处位置，边跨依次编号S24～S1，梁拱墩结合块编号 S0;中跨编号M1～M25，梁拱墩结合块编号M0。箱梁除边跨直线段S24号梁段及S0、M0号梁段在支架(或托架)上施工外，其余各节段均采用挂篮悬臂浇筑。主拱部分拱轴线立面投影采用二次抛物线，拱肋计算跨度220 m，矢跨比1/5，矢高44.0 m。钢管拱管内采用C50微膨胀混凝土。每片拱肋由4-φ750 mm钢管混凝土组成，由横向平联板、竖向腹杆连接成为钢管混凝土桁架，其中横向平联板之间亦灌注混凝土。

2 主梁施工监控内容

根据连续刚构的受力特点，西江特大桥主梁施工监控主要包括以下内容。

1)结构线形监测与控制

图1 大桥总体布置(单位:m)

针对主梁每一节段悬臂施工过程，在浇筑节段混凝土、张拉预应力及挂篮行走的前后进行结构变形监测，与理论计算值比较，进行误差分析，并对下一阶段预抛高量进行计算，指导现场施工。

2)结构关键截面应力监测

对本桥选取双薄壁墩、主梁L/8截面边缘布置应力测点，具体应力监测截面布置如图2所示。应力监测一方面用于结构在施工过程控制，确保施工安全;另一方面用于综合结构线形监测，对实测与理论计算之间的误差进行分析，为施工监控提供科学依据。

3)挂篮变形监测

西江特大桥主梁悬臂施工挂篮采用菱形挂篮，挂篮变形一方面可采用挂篮预压试验对挂篮系统在不同荷载作用下的变形值进行回归分析，另一方面可于不同梁段浇筑前后进行监测，综合分析挂篮变形的特点，为现场施工提供充分、可靠的数据支持。

3 主梁结构线形监控方法

3.1 施工监控思路

结构线形监控包括监测及预测控制两部分内容。线形监测主要用于分析在已完成的工况下(如混凝土浇筑、预应力张拉、挂篮移动等)结构的变形状况，并与理论计算值进行比较;线形预测控制是参考线形、应力监测数据对下一阶段主梁变形进行预测分析，并反映到主梁立模高程之上，相应控制流程如图3所示。

图2 应力监测截面布置

图3 连续刚构施工监控流程

3.2 立模高程的确定

在主梁的悬浇过程中，梁段立模高程的确定关系到竣工后主梁线形能否达到设计要求。立模高程并不等于设计桥梁建成后的高程，为使成桥线形与设计线形相符合，总要设一定的预拱度，以抵消施工中产生的各种变形。对于柔性拱连续刚构桥主梁，节段立模高程公式见公式(1)

式中 Hlmi—i节段立模高程(节段上某确定位置);

Hsji—i节段设计高程;

∑f1i—由各梁段自重在 i节段产生的挠度总和;

∑f2i—由张拉各节段预应力在i节段产生的挠度总和;

∑f3i—由主拱安装、吊杆张拉、二期恒载在i阶段产生的挠度总和;

f4i—混凝土收缩、徐变在i节段引起的挠度;

f5i—施工临时荷载在i节段引起的挠度;

f6i—使用荷载在 i节段引起的挠度，一般为静活载作用下结构变形的一半;

fgl—挂篮变形;

fxz—误差分析后的高程修正值，可通过卡尔曼滤波或灰色系统控制理论进行计算。

4 仿真分析

4.1 刚构桥施工监控仿真分析方法

结构施工监控计算分析一般包括正装分析、倒装分析两种计算方法［3］。其中较为适合混凝土连续刚构桥施工监控的为正装分析方法。正装分析法按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，这不仅可以用来指导桥梁的设计和施工，而且为桥梁的施工控制提供了依据，同时在正装分析法中能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，如混凝土的收缩徐变问题［4］。

4.2 结构仿真计算分析

1)计算模型。结构整体计算采用MIDAS/civil 2010进行，根据桥梁施工图建立空间杆系模型，主梁采用空间梁单元进行模拟，吊杆采用桁架单元进行模拟，拱肋弦杆、腹杆采用梁单元进行模拟，同时为考虑平联板混凝土灌注过程，平联板亦采用梁单元进行模拟，主拱腹杆及平联板采用软件所提供的施工阶段联合截面进行模拟，计算模型依据设计施工顺序建立施工阶段，结构模型见图4。

图4 主桥空间结构计算模型

2)主梁累积位移计算。主梁累积位移理论值是施工过程中各节段立模高程必须之参数，其值为公式(1)中第二至第五项之和，本桥主梁各节段累积位移见图5所示。

3)主梁关键截面应力计算。主梁关键截面应力计算用于把握在施工全过程之中结构应力的变化及所处范围，把握结构的受力状态，为现场应力监测提供理论数据，为监测数据误差分析和进一步修正预测值提供参考。主梁0#块MA截面施工过程中受力状态变化如图6所示，MAt标识为截面上缘，MAb标识为截面下缘。

图5 各梁段大桥竣工时累积位移

图6 MA截面上下缘截面施工过程中受力状况理论计算值

4)过程跟踪计算。施工过程中的临时荷载作用、参数敏感性分析、误差识别等工作均需要结合现场监测数据对结构进行跟踪计算分析，以把握结构受力特点，为施工监控提供实时理论支持。

5 结语

1)图7给出了施工过程中143#墩第22#段悬臂浇筑与预应力张拉所产生的结构变形及相应理论计算值，实测结果表明理论计算值能较好地反应施工过程中结构的响应，施工过程中理论跟踪计算对把握施工阶段结构的响应具有重要的参考意义。

图7 结构监测变形与理论变形对比

2)图8、图9给出了主梁合龙后全桥实测线形与设计线形的对比图，其中设计线形已考虑后期收缩徐变及静活载的理论修正，实测结果表明主梁合龙后线形与设计线形相差较小，线形控制效果良好，最大差值为3.9 cm，满足施工监控线形误差控制在L/5 000=4.6 cm的要求。另外141#墩与142#墩跨中主梁合龙误差为1.3 cm，142#墩与143#墩跨中主梁合龙误差为1.7 cm，满足大跨度刚构桥跨中合龙误差为3 cm的技术要求。

图8 140#墩～142#墩区间主梁合龙线形与设计线形对比

3)广珠铁路西江特大桥主桥主梁已顺利合龙，西江特大桥已进入架设拼装拱肋阶段，通过前期施工过程中结构位移及应力监测，利用有限元进行跟踪计算分析，实时把握结构的实际及理论受力状态，对误差进行分析识别，指导后续施工工况的开展，实践表明主梁合龙后线形良好，受力正常，能够满足设计要求，为同类型桥梁的施工监控工作提供了参考，积累了技术经验。

［1］罗世东，严爱国，刘振标．大跨度连续刚构柔性拱组合桥型研究［J］．铁道科学与工程学报，2004(2):57-62.

［2］刘振标，严爱国，罗世东．大跨度连续刚构柔性拱组合桥施工控制［J］．桥梁建设，2009(6):62-66．

［3］顾安邦．桥梁施工监测与控制［M］．北京:机械工业出版社，2004.

［4］史丽涛．大跨径预应力混凝土多孔连续刚构桥施工监控研究［D］．西安:长安大学，2005.