基于施工监控的桥面铺装线形控制研究——以某高速公路新建特大连续刚构桥为例

李国柱 高 杨 何竹康

（河南交院工程技术集团有限公司，河南 郑州 451460）

0 引言

随着交通运输业的快速发展，尤其是高等级公路建设对行车的平稳舒适提出了更高的要求，而结构刚度大、变形小、伸缩缝合度少、行车平稳舒适等突出优点使悬臂梁和T 型刚构桥得到了快速发展。普通钢筋混凝土连续梁桥的使用跨度在15～30 m 之间，结构自重产生的弯矩在跨径进一步增大的情况下迅速增大，难以避免混凝土开裂的情况发生，因此在工程建设中广泛采用预应力混凝土连续梁桥。

近年来，河南省高速公路新建工程大量涌现，为河南交通事业发展迈入了全国交通强省的行列奠定了基础。对于偏远山区，如山谷、河流等地质情况较为复杂的地段，施工难度大，需要建造大跨径桥梁解决施工等问题。大跨径预应力混凝土连续梁桥、刚构桥由于受混凝土材料及钢绞线相关材料的特点影响，在后期运营过程中会由于桥梁刚度退化造成桥梁跨中下挠，但桥梁跨中下挠大小不是一个定量的数值，一般通过大量运营桥梁检测统计的汇总数据，及理论计算进行预测。桥梁施工监控采取“宁高勿低”的原则，目的是防止后续运营过程中桥梁跨中挠度下降过大造成桥梁成为危桥的情况发生。因此，桥梁线形平顺与后期桥梁跨中下挠成为大跨径预应力混凝土连续梁桥及刚构梁桥建设过程中亟待解决的技术难题［1-2］。

通过查阅相关文献资料发现，部分悬臂施工桥梁施工成桥线形以设计值作为最终目标，但运营阶段桥梁跨中下挠将会使桥梁线形低于设计值，为了分析桥梁铺装线形的问题，本研究以相关规范为依据，明确桥面成桥目标线形的数值范围。

1 桥梁施工线形控制原则

1.1 施工阶段立模标高控制

悬臂桥梁施工控制的核心是线形控制，通过现场实际测量数值与有限元理论修正计算预测每一个节段立模标高。由于受到温度、湿度、施工不确定临时荷载、材料等多种因素的影响，预测立模标高会出现一定的偏差，桥梁施工监控是一个动态的变化的过程。因此，需要加大监测频次，实时掌握桥梁各阶段的变化情况。

施工立模标高应综合考虑设计标高、挂篮变形、施工荷载（挂篮、混凝土、钢筋、钢绞线重量，张拉预应力）引起的累计变化量，温度变化影响挠度变化量，后期桥面铺装及护栏引起桥梁下挠，桥墩压缩及沉降变化量，还有混凝土收缩徐变、预应力损失引起的变化量［3］。标高计算见式（1）。

式中：Hlmi为节点i（待浇筑段箱梁底板前端点）挂篮标高；Hsj为节点i的设计标高，由于设计时给出的是底板标高，故应根据底板设计标高和梁高等数据反推各节段梁底的设计标高；∑fdi为节点i在施工过程中由恒载引起的该点向下的累计挠度值，包括箱梁结构自重、预应力及收缩徐变引起的挠度；fgl为挂篮弹性变形值，由挂篮预压及高程实测确定；fhz为节点i由静活载引起的向下的挠度值。

1.2 成桥预拱度设置原则

由于悬臂施工成桥后，混凝土收缩徐变、钢绞线预应力损失、横截面整体刚度降低等因素会造成桥梁跨中下挠，为了预防跨中挠度下挠过大，通过理论计算与经验值相结合的方法，施工中设置反向位移就是预拱度。预拱度数值一般在墩顶处最小，跨中最大。中跨与边跨预拱度拟合曲线要分别进行。

成桥预拱度的设置曲线一般按照余弦曲线或者抛物线进行拟合。其中，经验公式是经过大量施工经验总结而来的，实用性较强。

跨中经验曲线分配法见式（2）。

式中：L为中跨跨径；fcs为中跨跨中成桥预拱度。

公式计算法见式（3）。

式中：a为修正系数，按照目前相近跨径的桥梁下挠情况确定此系数；d1为成桥10 年后收缩徐变挠度计算值；d2为活载挠度计算值。

2 桥面铺装线形控制原则

2.1 基本原理

对于大跨径混凝土桥梁，由于理论计算材料模拟比较理想化，与材料实际情况存在一定偏差。施工过程中出现的不确定荷载造成计算的偏差，以及人为放线的影响和温差及季节温湿度的影响，往往会使桥梁成桥后纵向桥面线形与规定值之间存在偏差。因此，桥面铺装时需要对桥面线形进行修正。

悬臂桥梁合龙后裸梁顶面一般平整度较差，需要对桥面铺装层进行调节，桥梁铺装厚度不能太厚，也不能太薄，按照规范要求偏差为±2 cm。较厚的铺装层会引起桥梁二期恒载增加，且增加施工费用；较薄的铺装层会使结合面黏结力差，且易开裂引起耐久性降低。为了保证纵向线性平顺，桥面铺装厚度应尽量均匀，厚度应满足规范要求，但是很难达到理想状态。实际施工过程中按照“平顺等厚”的原则，最终目的是保证行车舒适平稳，平整度好，对于“过渡段”要适当控制厚度。

桥梁线形分为设计线形（即设计文件中给出的桥面线形）、成桥线形（施工合龙时桥面结构顶板线形）、成桥目标线形（交工验收时桥面线形）、竣工线形（运营3 年后桥梁桥面线形）、最终线形（后期运营过程中，混凝土收缩徐变基本完成的桥面线形，一般大约10年以后）。

大跨径预应力混凝土连续刚构桥梁合龙成桥后，桥面高程线形要经过交工验收，符合《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017）要求的顶面高程规定值或允许偏差±L/5 000 mm（L＞100 m，L为梁跨径）或±20 mm（L≤100 m，L为梁跨径）。最新颁布的《公路桥梁施工监控技术规程》（JTG/T 3650-01—2022）明确了成桥目标线形为桥梁交工时结构线形的验收标准。桥面目标线形就是桥梁二期恒载施加完成后达到成桥预拱度值（一般由设计文件规定）。

2.2 调整原则［4］

针对悬臂合龙后的桥面实测线形进行拟合优化，铺装层应满足规范要求，且要使桥面铺装平顺。桥面铺装层线形拟合按式（4）进行计算［5］。

式中：g（x）为最终铺装线形；a一般取1；y（x）为成桥预拱度值；d为桥面铺装层。

线形调整原理如图1 所示。目前，针对桥面线形调整的方法有两种：一是在实测桥面线形的基础上进行优化，减小边跨、中跨预抛高值，达到桥面线形平顺的目的；二是适当加大墩顶处调平层厚度来提高桥面线形平顺。

图1 桥面线形调整示意

方法一在成桥合龙后经常使用，桥面实测线形与目标性偏差不大的情况下，通过微调厚度的方式进行桥面铺装，是桥面铺装线形拟合的常用手段。方法二是在跨中与墩顶存在明显凹凸曲线的情况下采用，适当调高墩顶桥面铺装层厚度，使桥面平顺。方法一的优点是在现有线形的基础上进行铺装调整，可在规范允许的厚度基础上进行调整，铺装厚度易满足规范要求。方法二的缺点是可能会增加桥梁铺装层局部自重，墩顶铺装厚度超过规范规定值。

3 工程实例分析

某高速新建特大连续刚构桥受力结构复杂，跨径大，墩高最大为70 m，桥梁施工监控控制难度大，成桥后桥面线形难以控制。桥梁合龙后桥面出现不同程度的凹凸不平，为了使该类桥线形达到交工验收标准，本研究以此实例进行分析。

该桥左幅桥为20+（60+2×110+60）m 预应力与现浇预应力、刚构+连续组合系统，桥墩采用柱式墩、双肢薄壁墩、桩基础，桥体采用柱式台桩基础。箱梁为三向预应力混凝土结构，全幅桥采用分离式单箱单室截面，具体如图2 所示。腹板厚度在变化段按直线渐变，箱梁高度和底板厚度从合龙段到悬臂根部附近按1.8次抛物线变化，边跨现浇底板厚从合龙段到支承段按直线变化，上部箱梁采用双悬臂挂篮逐块对称现浇施工。箱梁底板横向设计水平、顶板横坡通过调整腹板高度来实现，施工时应注意根据路拱实际横坡调整腹板高度及相应钢筋长度。桥面铺装考虑8 cm 水泥混凝土+10 cm 沥青混凝土。本研究以右幅桥面铺装拟合曲线为例进行分析。

图2 桥梁立面示意

桥面铺装拟合曲线按照规范（8±2）cm 的原则进行，为了保证桥面平顺，现场按照桥梁纵向10 m一个横截面进行测量，每个横断面测量左右两个测点，桥面铺装拟合结果见表2。桥梁断面横向坡度为2%，规范要求（2±0.15）%。

由某特大桥监控的实测数据结果可知，边跨及中跨可采用3 次抛物线拟合较合理，利用Excel 电子表格进行线性拟合曲线。具体操作步骤如下［6］：①将桥面裸梁高程数据按照纵向每10 m 的数据输入电子表格；②利用Excel的绘图功能绘制纵向高程折线图；③按照边跨、中跨、主跨进行3 次方抛物线拟合曲线，并生成相关函数；④调整函数相关系数让曲线拟合平顺光滑，按照趋势选定截面距；⑤确定函数后将函数分布记录下来，将自变量x对应的数值分布带入函数，根据结果绘制各点连接成的拟合曲线，并适当调整各系数，使拟合曲线更加合理。各工况拟合曲线如图3至图7所示。

图3 距右边缘0.75 m处小桩号边跨纵向拟合曲线

图4 距右边缘0.75 m处小桩号中跨拟合曲线

图5 距右边缘0.75 m处大桩号中跨拟合曲线

由图3至图6可知，各跨实测线形存在一定的不平顺情况，通过函数3 次方多向式拟合后曲线接近平滑，通过（8±2)cm 铺装厚度达到拟合曲线的平行曲线，使其铺装厚度满足验收规范要求，同时桥面实现平顺［7］。由图7 可知，跨中高墩顶低，设计图最大预拱度为110 mm，按照余弦曲线趋势与图7相近。

图6 距右边缘0.75 m处大桩号边跨拟合曲线

图7 全桥纵向桥面铺装拟合曲线

4 结论

①大跨径预应力混凝土梁桥悬臂施工过程中，应充分考虑各个节段受力状况变化，实时掌握各节段高程变化情况，通过理论计算修正预测下一节段高程立模值，为后续桥梁线形接近成桥目标线形奠定基础。

②某特大桥梁施工监控合龙后，利用桥面铺装层线形曲线拟合的方法，得出桥面铺装层厚应达到（8±2）cm，实际成桥线形光滑、平顺，更趋于规定计算的拟合曲线，拟合曲线横坡值在（2±0.15）%范围内，满足《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017）对桥面铺装厚度的要求。由于成桥预拱度的原因，成桥后线形呈现规律的波浪线，即桥梁桥面线性呈现跨中高、墩顶处低的现象，属于正常成桥状态。

③大跨径预应力混凝土梁桥悬臂施工桥面铺装线形，是交工验收的关键指标，涉及建设单位、设计单位、施工单位、监理单位、监控单位等多个部门，因此，多部门联动协作至关重要。本研究基于实桥案例桥面铺装施工，明确了监控线形的最终目标，为相关桥梁线形铺装提供了经验。