杭台铁路椒江特大桥线形控制关键技术

韩晓强 王胜虎 薛红云 王超

1.中国国家铁路集团有限公司 工程管理中心，北京 100844；2.中铁大桥局集团第四工程有限公司，南京 210031；3.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；4.中国国家铁路集团有限公司 工程质量监督管理局，北京 100844

1 工程概况

新建椒江特大桥为杭台铁路关键控制性工程之一，位于台州市椒江区。桥梁全长5.3 km，设计速度250 km/h；设计为四线铁路桥，含两条杭台铁路及两条沿海客运专线［1］。

椒江特大桥主桥为（84+156+480+156+84）m 双塔双索面钢桁梁斜拉桥（图1），全长962.7 m，为半漂浮体系，梁塔分离。加劲梁采用两片N 形桁式主桁，主桁高14 m，主桁中心距24.3 m，共68 个节间，铁路桥面采用正交异性复合钢桥面。斜拉索采用公称直径ϕ7 mm、抗拉标准强度1 860 MPa 的平行钢丝拉索，平面双索面体系，扇形布置，全桥共60对索［2］。

图1 椒江特大桥主桥桥跨布置（单位：m）

钢梁纵向分节段制造，现场整节段起吊拼装架设，钢梁共41 个拼装节段，其中13 个单节间节段和28个双节间节段。节段均为全焊结构，节段之间除上平联交叉杆件、下弦杆顶板部位、桥面板横缝为焊接外，弦杆的其他部位、斜杆采用高强度螺栓连接。主梁标准节段断面结构见图2。

图2 主梁标准节段断面结构

主桥平面位于直线上，立面位于+1.3‰、-1.3‰的纵坡上，变坡点位于主桥中跨跨中。椒江特大桥主桥桥面设计坡度无竖曲线过渡，轨面设计坡度采用30 km 半径竖曲线过渡，轨面设计纵坡竖曲线部分通过调整道砟厚度实现。

桥梁铺设有砟轨道，采用单层道床结构，除竖曲线外道砟厚度为415 mm。

2 施工方案及重点难点

主梁结构纵桥向以中跨跨中为对称，采用边跨顶推、中跨悬臂吊装的总体施工方案。边跨顶推单侧13节段，中跨悬臂吊装单侧7 节段，1 节合龙段。在主塔墩旁支架上组装导梁和架梁吊机，吊机起吊整节段钢梁，与导梁、钢梁连接拼装，随拼装完成向边跨侧阶段性顶推，顶推施工阶段不挂设斜拉索；中跨悬臂吊装阶段随中跨节段拼装对称挂设中、边跨侧斜拉索，滞后架梁吊机前支点一个节间张拉一次斜拉索，斜拉索张拉到位后吊装下一节段，边跨侧压重混凝土浇筑与中跨侧悬臂吊装穿插进行，直至中跨合龙。

施工重点难点分析如下。

1）起吊重量大、对接精度要求高。整节段吊装最大质量972 t，节段间拼装对接精度要求高，架设阶段线形控制是重点。中跨悬臂吊装阶段要合理确定斜拉索初始张拉力，保证起吊架设时钢梁结构受力安全、架梁吊机处于稳定状态不致溜车，同时确保两侧钢梁在无应力曲率状态下按制造对接状态顺利合龙。

2）二期恒载占比大，线形控制难度大。主梁结构自重换算成线荷载按31 t/m 计算，而二期恒载为33 t/m，二者的比例为1∶1.06。二期恒载加载前后桥梁的位移、应力响应变化大。两阶段状态的巨大差异给索力调整带来了很大难度，不同阶段索力调整对线形影响的规律和程度不同，二期恒载施工后索力控制线形的变化规律很可能与计算分析结果产生很大差异而造成线形与设计不符。

3）轨面高程易超高。大跨度钢桁梁斜拉桥轨面高程易出现较设计偏高的情况，尤其是二期恒载中道砟的荷载与设计计算时采用的数据存在偏差，造成无法准确分析线形受二期恒载影响的变化规律而造成线形失控。须要结合精准的恒载分析成果，确定各阶段斜拉索索力，在确保结构安全的前提下，最大程度保证成桥线形与设计线形拟合一致［2］。

3 施工线形控制关键技术

根据线形控制目标，架设施工过程划分成两个阶段［3-5］。①架设合龙阶段：根据中跨合龙节段上下弦杆的无应力曲率线形确定中跨合龙状态，合龙前的架设阶段都以精准合龙为目标进行施工控制；②调整阶段：结合二期恒载加载，通过调整斜拉索索力，达到设计成桥线形状态。

3.1 施工线形控制原则

根据本桥的设计、施工特点，施工过程中采用以下线形控制基本原则。

1）两个施工控制阶段均遵循“线形控制为主、索力控制为辅”的基本原则。

2）各阶段涉及的恒载据实修正，避免理论重量差异影响监控目标。

3）全阶段桥梁支座不得出现拉力且压力不超过支座承载能力。

4）采用无应力状态法进行施工控制，以有限元软件进行主桥结构计算分析，以抛物线法进行计算校核，以悬链线法计算斜拉索的无应力索长，实现斜拉索无应力长度与结构分析的索力互换［6-8］。

3.2 主墩、桥塔预抬高措施

主墩、桥塔均为混凝土结构，材料收缩徐变特性、承载条件下压缩和变形，以及上塔柱压缩降低索锚点、主墩下横梁压缩降低支承点等的影响，都会导致主梁成桥线形偏低。为消除混凝土结构形变影响，对支座安装高程和上塔柱斜拉索塔端锚点进行预抬高，预抬高高程见表1。具体步骤：①支座的安装高程实行“双控”，即以支座竖向对应的桥面测点高程进行控制定位，以支座下支座板底面的安装高程进行复核定位。②斜拉索塔端锚点高程改变后，对斜拉索梁端、塔端水平倾角进行相应的修正计算。

表1 主梁支座下支座板预抬高高程

3.3 桥面绝对坐标控制措施

1）在钢梁制造阶段严格复核结构尺寸，发现问题及时纠正，确保加工精度和节段匹配精度满足设计要求。

2）施工现场通过桥面绝对坐标系完成主梁无应力曲率对接和轴线纠偏。绝对坐标法指导大节段钢梁拼装不仅能消除桥面临时荷载和环境因素影响带来的偏差，而且能防止安装误差同向累积。

3.4 斜拉索张拉施工控制措施

斜拉索安装时，初始拉力影响悬臂吊装节段状态，控制合龙线形，二次调索索力决定成桥线形。斜拉索初张以索力为控制指标，二次调索以塔端锚杯拔出量为控制指标。斜拉索正式张拉前，核查桥面临时荷载情况，将固定荷载加载到结构分析模型中，在计算确定的初始索力基础上计入临时荷载影响的索力增量。

斜拉索正式张拉安排在夜间，温度比较恒定。斜拉索为梁端锚固、塔端张拉施工，分五级进行，张拉过程中记录塔端锚杯拔出量和千斤顶油压表值，张拉结果采用塔梁数据相互校核。塔端锚点预抬值及斜拉索倾角修正见表2。当塔端锚杯拔出量与油压表值同步增大时记录张拉到位的塔端索力；采用频谱法测试斜拉索梁端索力，反算塔端索力；当频谱法计算索力与塔端索力的误差在±5%以内，则确认斜拉索张拉到位。

表2 塔端锚点预抬值及斜拉索倾角修正

3.5 二恒加载与调索施工步序控制措施

成桥线形控制工作在主桥合龙时进行，架梁吊机等临时荷载移除后以成桥线形为目标进行施工控制。桥梁二期恒载占比大，加载后总体荷载显著增加；道砟铺设并经捣固后的嵌锁作用、钢梁和轨道结构的组合作用造成主梁刚度增大，且刚度的提高值不能有效准确地量化；通过理论计算无法准确在实施阶段控制好成桥线形。同时，施工现场采用1 200 t 级千斤顶作为斜拉索张拉设备，虽较最大设计索力高出约25%，但仍存在工作能力受限的不确定性。若先进行有砟轨道施工再进行二次调索，钢梁高程压低后，就需要很大的索力恢复线形，可能无法通过调索恢复线形或实际索力超限，且所需张拉力无法量化。综合考虑，主桥二次调索施工在道砟摊铺前进行。

3.6 调索精准控制措施

3.6.1 二次调索准备

1）道砟重度合理取值。结合五峰山长江大桥、沪苏通长江公铁大桥以及平潭海峡公铁两用大桥经验［9］，本桥道砟重度采用17.5 kN/m³进行计算，而非结构计算中道砟重度21.0 kN/m³，规避大跨度桥梁线形控制中轨道高程偏高的常见现象。

2）梳理桥面临时荷载，掌握主桥合龙后的结构实际状态。将后续施工不需要的荷载移出主桥桥面范围，将后续施工需要或暂时不能完全拆除的部分移到下横梁位置处。桥面上未安装完成的挡砟墙、护栏等附属设施沿主桥纵向设计位置均匀放置；桥梁结构上未安装完成的联系杆件放置在相应设计节间的桥面上。产生荷载的设施和结构梳理清楚后定量加载，重新计算反馈结果；现场实际测量斜拉索梁端、塔端锚杯拔出量作为校核；从理论和实际两个层面掌握结构状态。

3）测算主桥整体实际刚度。采用临时荷载进行代表性荷载-结构-线形拟合试验，测算主桥合龙后的整体结构实际刚度。以架梁吊机自重作为试验荷载，架梁吊机向主墩处移动，测量采集架梁吊机移动指定节间距前后的桥面高程、塔偏及相应斜拉索索力数据。试验实测的数据指标和理论计算结果基本吻合，合龙后的钢梁实际刚度与模型接近，可依据计算分析结论指导调索实施。

3.6.2 二次调索施工

1）二次调索与道砟施工顺序：调索在塔柱内从上向下进行，主塔边中跨同一索号（共4 根）的斜拉索同时调整；道砟施工从中跨跨中开始向边跨方向摊铺。

2）二次调索过程中测量各特征节点处测点高程以及桥塔塔偏。

3）每对斜拉索施工前需复核测量塔端锚杯拔出量是否与原拔出量一致，误差限值为±5 mm。若锚杯实测拔出量误差较大，应暂停调索施工，待重新复核计算后再进行施工。

3.6.3 局部调索达到成桥状态

桥梁道床铺设完成，经现场实测，中跨整体高程偏低且局部斜拉索索力不均匀。根据索力测量结果，通过有针对性地精准确定局部调索措施，保证了斜拉桥索力均匀性，同时桥梁线形整体得到改善，更加趋近于设计线形。二次成桥最终索力见表3。

表3 二次成桥最终索力

4 线形控制结果

4.1 桥面及轨道实测数据与设计值对比

在考虑温度荷载影响的情况下，成桥状态下中跨跨中节点处桥面高程低于设计高程35.6 mm，满足低于TB 10752—2018《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》要求的梁宽1/500（48.6 mm）的要求。主桥下弦杆实测桥面线形偏差见图3。

图3 主桥下弦杆实测桥面线形偏差

椒江特大桥主桥下弦杆实测桥面线形见表4。可知：左线、右线最大偏差分别为-35.6、-15.3 mm。桥面铺架施工和大机捣固后采用轨道小车对主桥轨道几何状态进行了测量，并将现场测量（25 ℃）的轨面高程折算成基准温度（18 ℃）条件下轨面高程。与设计3‰轨面坡度比较，左线（杭台下行）实测轨面高低偏差为-5.5～8.7 mm，跨中高程偏差为-5.2 mm。右线（杭台上行）实测轨面高低偏差为-4.4～8.8 mm，跨中高程偏差为2.9 mm。静态验收实测轨面与设计高程偏差满足TB 10754—2018《高速铁路轨道工程施工质量验收标准》容许偏差10 mm要求。

表4 成桥桥面线形

4.2 动态验收情况

椒江特大桥桥上轨道几何状态动态检测最大轨道质量指数为3.9 mm，远小于规范轨道质量指数Ⅰ级偏差管理值7 mm要求。

5 结语

结合现场缜密组织，通过精确计算实现了大跨四线铁路钢桁梁精准合龙；通过理论研究计算，提前采取措施，施工实施阶段加强控制，线形控制较好。经重点难点分析，确定了线形控制原则，采取了主墩桥塔预抬高、主梁桥面相对坐标系统在架设阶段控制合龙线形，斜拉索张拉控制、二期恒载与调索步序调整、精准调索等系列措施，实现了精准线形控制目标。杭台铁路椒江特大桥已开通运营，运营过程中工作状态良好。

近年来大跨度铁路桥梁的线形控制面临实际轨面高程与设计轨面高程存在较大偏差的问题，椒江特大桥在后续实施阶段充分考虑道砟重度、线形精调等现实情况，针对性提出了相关技术对策，成功实现了桥面、轨面的线形目标，可为同类工程提供指导借鉴。