高速铁路连续弯梁桥悬臂的施工控制

摘要:笔者阐述了高速铁路桥梁对施工控制的精度要求，并分析了悬臂施工连续弯梁桥的力学性能及其桥梁施工控制的主要内容。

关键词：高速铁路 悬臂施工 连续弯梁桥 施工控制

我国是世界上高速铁路建设发展最快、运营里程最长的国家。高速铁路中桥梁所占比重很大，已经运营的路段桥梁比重占到了52％。高速铁路要求列车运行安全、平稳，旅客乘坐舒适，这就要求轨下桥梁结构具有高平顺性、高可靠性和高稳定性。弯梁桥能更好地保证线路平顺、行车舒适；能与周围环境相适应，外形更加美观；与“以直代弯”的曲线桥相比，减少了很多不必要的构造措施，减小了梁宽。铁路上采用弯梁桥较少，弯梁桥中以连续梁桥为首选。

为了保证结构的整体稳定性和抗扭性能，铁路预应力混凝土弯梁梁桥一般采用刚度和抗扭性能良好的箱形截面梁。

1 高速铁路桥梁对施工控制的精度要求

高速铁路设计行车速度大于250km／h。

高行车速度对轨道平断面和纵断面的平顺性要求很高，轨道上微小的不平顺或长波不平顺对列车都将造成巨大的振动激扰，影响行车舒适度，严重的会造成列车脱轨。我国高速铁路桥多采用无砟轨道，线下工程结构施工结束后线路高程的调整量非常小，高速铁路桥梁的施工精度比普通铁路桥要高。

高速铁路预应力混凝土连续梁桥悬臂浇筑梁段的施工精度要求如表1。

表1悬臂浇筑梁段和外形尺寸的允许偏差mm

2 悬臂施工连续弯梁桥的力学性能

悬臂施工的主要工序为墩梁固结一两端对称逐段悬出，体系为“T”构一浇筑中跨合拢段一合拢次中跨和边跨一拆除临时固结，体系转换。连续弯梁桥在施工阶段承受的作用有结构和挂篮自重、预应力、温度、混凝土收缩徐变和施工荷载等。

悬臂施工连续弯梁桥的力学性能与直线连续梁桥有很大不同：

(1)荷载作用引起的截面内力除弯矩和剪力外，还有扭矩。悬臂弯梁的弯矩My小于同梁长直梁的弯矩，曲率半径越小，两者差别越大。悬臂弯梁的扭矩的大小与截面位置、曲率半径有关，在悬臂梁根部扭矩最大，且曲率半径越小，该截面扭矩越大。

不管中墩采用的是抗扭支座还是单个铰支座，体系转换时，由于“弯一扭”耦合，梁内各截面弯矩和扭矩均发生变化。箱梁发生的扭转为翘曲扭转，但由于混凝土箱梁薄壁效应不明显，扭弯刚度比较大，翘曲变形不明显。

(2)悬臂施工阶段，弯梁的位移有竖向位移、横向位移、轴向位移及扭转角。

根据符拉索夫微分方程[1]，悬臂弯梁在荷载作用下的横向位移Y由横向弯矩Mz引起，竖向位移z和扭转角由弯矩My和扭矩Mx共同引起，即存在“弯一扭”耦合。竖向位移和扭转角的大小与梁的抗扭刚度和抗弯刚度、扭弯刚度比、曲率半径、材料弹性模量和泊松比有关，其中曲率影响最大。悬臂端端部的竖向变形和扭转角最大。

由于扭转效应，截面内外侧竖向位移不相等，截面内外侧竖向位移差对连续梁的顺利合拢、成桥后线性和内力有较大影响，在施工控制时需要平衡这个位移差。

(3)弯梁的重心线偏离中心线。由于曲率的存在，梁长外侧比内侧长，导致梁外侧自重比内侧大，重心线在中心线外侧。曲率越大，两条线距离越大。

(4)弯梁的温度效应明显。不管是悬臂阶段、合拢阶段还是成桥阶段，系统温度变化和日照温差会引起结构较大的位移。图l为系统升温时悬臂弯梁温度效应的平面示意图。H照温差会引起悬臂弯梁较大的竖向位移和横向位移。温度效应在施工控制时必须要考虑。

图1 悬臂弯梁在系统升温时的温度效应

3 高速铁路连续弯梁桥的施工控制

连续弯梁桥施工过程中，随着结构的荷载、受力体系、材料性能、环境温度、湿度的不断变化，结构的内力和变形随之不断变化。为了保证弯梁桥的施工安全，确保成桥后结构的线形和内力状态符合要求，必须对桥梁的每一施工阶段进行施工控制。

施工控制的主要内容是线性控制和应力监控。悬臂施工的连续弯梁桥与直梁桥施工控制最大的不同是要平衡弯扭耦合引起的梁内外侧竖向位移差和横向位移。

3．1线性控制

连续弯梁桥的施工线性控制包括平面线性控制竖向线性控制两方面。平面线性控制主要控制曲梁中线各点的横向坐标，保证成桥后的线路中线位于设计位置；竖向线性控制主要控制梁底立模标高，保证成桥后梁顶标高满足设计要求。

高速铁路弯梁桥线性控制需要建立精密的平面和高程控制网，而且桥的测量控制网要与轨道测量控制网一体化，这样可以避免线上轨道和桥梁结构测量精度不同造成的误差过大。

预应力混凝土箱梁的位置观测点在梁顶中线及中线两侧对称布置，如图2所示。0#块梁上一般布置9～13个测点，中线上3个，两侧各3～5个，这些测点是各悬浇梁段定位的基准点。各悬浇梁段上的测点布置在距梁段前端10～20CITI处的梁顶，一般为3～5个，这几个测点可以准确确定悬浇梁段的标高、中线点坐标和弦长，其中两边对称的1和5、2和4测点还可以测定截面的扭转变形。

(a)0#块上的观测点布置 (b)悬浇梁段上的观测点布置

图2箱梁线性控制观测点

3．1．1竖向线性控制

悬浇梁段各测点的空间坐标(主要包括标高、横向位置)的测量主要分3个阶段：立模定位时、混凝土浇筑前后和预应力张拉前后。

弯梁桥悬臂施工时竖向线性控制要控制各梁段每一个测点的立模标高，这一点和直线梁桥不同。梁段各测点的立模标高Hlm为

(1)

式中，H为设计标高，由设计图纸给出；H为计算所得的预抛度，包括施工时的梁段和挂篮重量、二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变、竖向静活载、弯扭作用引起的竖向变位和体系转换引起的竖向变位；H为标高施工调整值，主要考虑已浇梁端实测标高、施工时临时结构(挂篮、支架)的挠度、混凝土施工时现场温差引起的竖向变位、梁段施工时间间隔超过3个月的影响等。

3．1．2平面线性控制

弯梁桥悬臂施工时的平面线性控制主要控制各梁段中线终点的横向坐标。中线测点的立模横向坐标ylm为：

(2)

式中，为设计横向坐标，由设计图纸给出;为计算所得的横向坐标预偏值，考虑预应力张拉、混凝土收缩徐变引起的横向位移；为横向坐标的施工调整值，主要考虑已浇梁段端部实测横向坐标、混凝土施工时现场温度及温度变化引起的横向变位、风荷载引起的横向变位以及梁段施工时间间隔超过3个月引起的横向变位等。

3．2应力监控

采用悬臂施工的连续弯梁桥施工阶段应力监控的目的是通过应力量测，获得主要施工阶段(主要是预应力张拉前后、合拢前后、体系转换前后)关键截面、关键点处的实际施工应力，并和计算所得应力进行比较，看是否吻合，判断结构是否处于可能开裂失稳或破坏等极限状态，由此确定施工方法是否合适，是否需要对施工方法进行调整。

悬臂施工的连续弯梁桥应力监控的截面主要选择墩两侧截面、边跨和中跨跨中、L／4处等。测点要布置在应力较大的位置。

图3为观测截面的测点布置图。梁顶和梁底测点主要测试正应力，根据测试结果判断正应力值和变化规律是否与计算结果吻合，判断截面是否会开裂；腹板测点主要测试剪应力或主应力的值及变化规律，以及看斜截面是否会开裂。

图

3应力测点布置

应力的量测一般采用应变计，由测得的应变再换算为应力。应变计测得的应变是综合应变，包括了混凝土收缩、徐变、荷载和温度引起的影响。在分析荷载引起的应力分布规律时，要分离出温度和混凝土收缩引起的应变值。分离的办法是通过在与应力测点同一位置处埋设无应力计，测得温度和混凝土收缩引起的应变，然后从总应变值中抛除，即：

(3)

式中，为应变计测得的总应变,为荷载、混凝土徐变引起的应力应变,为温度、混凝土收缩引起的自由应变，由无应力计测得。

无应力计埋设时应与应变计绑在同一钢筋位置上，如果该处尺寸较小，为防止截面削弱过大，也以在附近截面同样位置埋设无应力计。

应力监控与施工阶段结构分析计算所得应力结合进行。

3．3高精度施工控制的程序

施工控制的一般步骤是：基本数据量测一识别所需的信息一施工分析、误差分析和控制一对下一梁段施工数据提出预告一进行下一梁段的施工一基本数据量测(循环进行)。

基本数据的获取和量测准确性是高精度施工控制的依据。这些数据资料包括：高强高性能混凝土的材料性能及时变性，施工温度，施工荷载，临时结构的荷载变形曲线，各测点的标高和平面坐标，各测点的应力等。这些数据资料的获得需要进行大量的工作。搜集分析高强高性能混凝土的材性资料并进行现场混凝土试验以获得混凝土材性的各项指标；埋设温度计量测混凝土内部温度变化；对可能出现的施工荷载进行分析、计算；挂篮和支架等临时结构进行预压获得荷载一变形曲线；梁顶预埋钢筋露头作为各梁段标高和平面位置定位的测点，在相应点预埋应变传感器测试应力。

施工分析、误差分析和控制过程是高精度施工控制的保证。施工分析计算模型必须建立空间模型，建立平面模型的误差会很大。施工分析采用正装分析和倒装分析相结合，计算各测点的理论位置和应力，并与实测值相比较，结合现场温度和混凝土材性进行误差分析，确定最优施工状态，预报下一阶段施工梁段的立模标高和平面坐标。

参考文献

[1]邵容光，夏淦．混凝土弯梁桥EM]．北京：人民交通出版社，1994：16-52

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。