曲线箱梁桥短线法预制线形控制方法

熊彬

西安方舟工程咨询有限公司陕西西安710065

摘要：为了能够将短线法预制拼装这种工法进一步推广，寻求一种有效的线形控制方法是非常有必要的。首先，介绍了短线法拼装曲线桥梁的线形构造方法以及预制阶段的线形控制流程；从匹配梁定位控制、现场测量控制几个方面说明了预制阶段线形精度的影响因素及控制方法。然后，提出了匹配节段控制点坐标的计算方法，通过计算节段梁长、相邻节段的平面和竖向偏角这几个关键参数，可以得到新浇筑节段的匹配定位坐标。最后，结合工程实例，针对预制过程中产生的误差，提出了误差纠偏的调整方案与修正方法。

关键词：短线法；线形控制；预制拼装；曲线桥；箱梁

从20世纪80年代开始，各国学者就对节段预制拼装施工技术进行了较为细致深入的研究。随着经济的发展，国内桥梁对混凝土预制拼装施工的需要也日渐加强。

近些年来，由于节段预制拼装法拥有显著优点，该方法受到了越来越多的预应力混凝土桥梁的青睐。短线预制法是利用可调整外部及内部模板的台车和端模架来逐段浇筑梁段。首先利用台车浇筑第一个梁段混凝土，待混凝土达到规定强度后，拆除模板，然后在其一侧安装相邻梁段的模板，并利用第一个梁段的端面作为下一梁段的端模，用于混凝土的浇筑。如此周而复始，完成梁段的预制工作。短线预制拼装法占地面积小，施工效率高，同时还能降低工程造价。因此，为了适应桥梁建设的发展，针对短线拼装桥梁预制阶段的线形问题，形成一种实用的控制方法是非常迫切需要的。

1项目概况

嘉鱼长江公路大桥位于湖北省南部、武汉城市圈西南部区域。桥址上距荆岳长江公路大桥约105km，下距军山长江公路大桥约85km，是武汉城市圈环线高速公路西环孝感~仙桃~咸宁段跨越长江的控制性工程。

嘉鱼长江公路大桥起于洪湖市燕窝镇团结村，向北连接城市圈环线高速公路洪湖段高架桥，分为北岸引桥、主桥、南岸滩桥、南岸跨堤桥四个区段。跨径组合为：8×(6×50m)+5×50m预应力混凝土连续箱梁，采用节段预制拼装法施工方案，共9联，全长2650m。14#～65#桥墩均采用了花瓶式实心墩，分离式承台，桩基均采用摩擦桩。嘉鱼长江大桥南岸滩桥平面均位于直线和半径为4800m的曲线范围内，起讫点桩号为K197+441~K200+091。

滩桥上构采用8×(6×50)+1×(5×50)米分幅式单箱单室节段预制拼装预应力砼连续梁桥。滩桥范围内地形总体平坦，其中38~60#孔位于富林洲，岸滩两子堤之间，地面标高23~24.5米；61~63#孔跨越魏家河，地势低。66#墩与南跨堤桥相接。

箱梁采用单箱单室斜腹板箱梁型式。箱梁顶板宽16.5m，底板宽7.4m，梁高3.0m，翼缘悬臂长3.63m。顶板厚28cm，从墩顶至跨中节段底板厚依次为60cm、50cm、40cm、27cm，腹板厚依次为70cm、55cm、45cm。中间墩墩顶横隔梁厚2.5m，过渡墩墩顶横隔梁厚2.2m，其他位置均不设横隔梁。箱梁整体旋转设置2%单向横坡。

2节段梁预制短线控制方法

2.1线形控制方法

短线拼装桥梁施工线形控制中最关键的任务就是选择合适的制造线形并确保线形的精度。在节段施工过程中，通过正确设置平面偏角和竖向偏角来调整节段的空间位置，使节段在充分完成混凝土收缩徐变后的最终线形尽可能地接近设计成桥线形。对于采用短线匹配法预制的混凝土连续梁桥，预制阶段需要以制造线形为控制目标值，所以，正确确定结构的制造线形至关重要。

制造线形是主梁在制造过程中零应力状态下的线形，可由切线初始位移法确定。切线初始位移法是指将新安装单元的自由端节点初始位移指定到沿着已成梁段悬臂端的切线上。在计算时，可将自重设置为零的悬拼节段一次性安装上去，然后再逐个施加重量。这样，各个节段在悬臂施工开始时是以无应力状态存在的，未施加自重的那些节段只是随着已受力节段发生刚体位移，即其位置始终是顺着受力节段切线方向的。最后成桥时各梁段的位置是从此无应力状态演变过来的。制作预拱度可按切线法获得的成桥竖向位移反号获得。

2.2预制线形精度控制

由于箱梁节段是在预制梁场完成，其几何尺寸在拼装阶段不可调整，结构线形在拼装阶段的可调空间亦较小，因此，预制阶段的线形精度控制至关重要。通过有限元软件建模，对桥梁结构在施工各个阶段的变形分析，在预制阶段设置预拱度来抵消施工阶段的竖向下挠，以保证成桥后的线形能达到设计要求。在预制箱梁节段时线形控制主要有匹配梁段定位精度控制。另外，测量精度的控制也是确保线形符合设计要求必不可少的手段。下面分别说明其精度控制方法。

2.3匹配节段控制点坐标计算

将c点的坐标表示为极坐标的形式，再转化为直角坐标可以得到节段局部坐标系下c点的坐标为：

将节段顶板中心的旋转点坐标替换为预制梁场坐标系下的坐标后即可得到匹配节段上任意一点的坐标值：

通过上式可知，只要知道固定端模中心旋转点坐标、节段上任一点的坐标值以及对应的平面和竖向偏转角度就能计算出匹配节段控制点的坐标值。

2.4匹配梁定位误差分析和解决方法

节段浇筑完成后，应及时在预制台座坐标系下测量各节段的控制点坐标。由于测量因素、模板自身误差以及施工过程中的一些不确定性因素的影响，通常情况下会导致控制点的实测坐标值与预期计算的理论值有差别。系统误差在节段预制过程中是不可避免的，在施工时应尽量规范以减小系统误差。

但是，实际施工中会出现节段线形偏离理论值线形的情况，前一节段出现的误差，可以传递给后面的节段，形成误差积累。较小的误差可能会累积成较大的成桥线形误差。梁段预制过程中产生的误差主要分为两种：梁长误差和偏角误差。

1）梁长误差。梁段在预制过程中，由于匹配梁定位误差、混凝土的收缩徐变以及膨胀等各种因素的影响，会使梁段的实际轴线长度与理论轴线长度不一致。

2）偏角误差。由于平面控制点和高程控制点偏离其理轮位置从而导致匹配梁段与新浇筑梁段之间的平面偏角与竖向偏角与预期计算的理论值会有所偏差，导致偏度误差的产生。

这些误差需要在浇筑下一梁段的时候修正。以i号节段为例说明i+l号节段的线形修正方法。

2.4.1梁长误差修正

在i号梁段实测值的基础上对i+1号梁段的长度修正可采用如下计算方法：

2.4.2偏角误差修正

偏角误差通过连续制作的三个相邻节段为例加以说明，假定i号节段已经预制完成，i号节段的匹配梁i-1号节段在预制过程中相对于初始的理论匹配位置产生了一个偏差角θ，如图1所示。但在拼装阶段是先拼装匹配梁段再拼装待浇梁段，即先拼装i-1号节段，再拼装i号梁段，因此，实际上可以看成是i号梁段相对于i-1号节段转动了θ的角度，i号节段的i端移到i’位置。

图1误差调整方法

下面以轴线偏角为例说明偏角误差的修正。在浇筑混凝土的过程中，台座模板系统和测量系统均处于固定状态。因此通过测量i-1号节段浇筑完成后的预制系统坐标，以及i号节段浇筑完成时i-1号节段的预制系统坐标即可得到i号节段与i-1号节段的实际轴线偏角。

图2实测偏角用数据示意

实际轴线偏角计算方法如下：

根据理论偏角便可以计算出i号梁段与i-1号梁段的实际偏差角。

i-1号节段相对于i号节段产生的误差需要在预制i+1号节段时进行修正，此时，i号节段为i+1号节段的匹配梁，通过调整i号节段与i+1号节段之间的偏转角度，使i+1号节段的前端能回到理论线形的位置上。基于差值补足法的原则，误差修正后i+1与i号节段的相对偏角为：

现在已经求出修正后的i+1号节段长度、i号节段与i+1号节段的相对偏角。因此，在预制i+1号节段时，以i号节段浇筑完成时采集的控制点坐标为原始数据来计算i号节段在匹配位置的理论坐标值。

理论上，经过调整之后i+1号梁段的前端应回到其在整体坐标系下的理论位置，但实际施工中可能会出现新的误差，在预制下一梁段时，需要对新误差进行分析修正，修正方法同前。

通过对短线预制法施工工艺的研究，阐述了预制阶段线形精度的控制方法，结合匹配节段控制点坐标值的计算，提出了预制误差的修正方法，最终形成了短线拼装混凝土桥梁预制阶段线形的控制方法。节段预制误差主要有两类，一类是梁长误差，一类是偏角误差。针对预制误差提出了修正方法，最终形成了短线拼装混凝土桥梁预制阶段线形的控制方法。

3现场存在的问题及改进措施

1)待浇节段梁顶板两侧的模板没有绝对锁紧，因此在浇筑混凝土的过程中可能会发生小量位移，出现这种情况的话，会对预制线形造成局部影响。因此待浇节段梁顶板两侧的模板一定要锁定好。

2)待浇梁与匹配梁的交接处没有抹平顺接，这对竖向的线形外观上面也是有影响的。因此在施工过程中一定要避免这种情况的发生，交代现场工人要把交接处处理平顺。

3)混凝土浇筑后测钉的埋设情况，有少数测钉埋设的位置不准确或者说埋设时间没有把控好，导致收数据的时候个别测钉找不到的情况。因此建议测钉埋设的过程尽量指定有经验的工人专门埋设，避免出现这种问题。

4)在混凝土浇筑的时候，各种人员操作及震动混凝土尽量避免对匹配梁的影响，以免对调好的线形有大影响。

4结论与建议

4.1结论

我国采用短线法进行施工的预应力混凝土桥梁相对较少，由于短线法具有诸多优势，短线预制拼装施工技术在国内的桥梁工程中正在被逐步推广。本文基于这样一种背景，以短线拼装桥梁预制阶段线形的控制方法作为主要研究对象，在实际工程的基础上进行收集、整理及分析，进而得到了预制阶段内施工线形的控制方法以及误差修正方法，形成了预制阶段线形控制的一般流程：

1)预制阶段的线形控制为短线拼装桥梁线形控制的关键所在。阐述了预制阶段线形控制应采取的主要措施，论述了在预制过程中各自的操作方法和判别标准，来保证预制线形的精度。

2)节段短线预制时的控制点确定了其空间几何位置，通过控制点连成的控制线来拟合曲线桥梁的线形。研究了匹配梁段定位坐标的计算方法，针对预制阶段的施工线形误差，提出了误差纠偏方法。

4.2建议

1)防止对测站点的扰动影响，应该避免在5级以上大风中或在有重型货车、挖机等通过测量塔时进行测量作业；在测量过程中有人员上下塔期间应停止测量。

2)减小温度对仪器的影响，可以用土工布将测量塔包裹起来，应该避免阳光直射仪器而影响测量精度，避开高温时间段进行测量作业。

3)减小地基沉降对测量精度的影响，所以测量塔的钢管需要有足够的地下埋入长度，钢管中间用混凝土填实。

4)定期增加对测量塔进行观测，和测量控制点进行比对，假如发现测量塔有位移或沉降，应立即修正，重新校核固定端模，使其满足要求。

5)为降低测量误差，测量时间每天尽量保持一致，不宜错开；测量时立尺的人应该固定，不宜更换，以提高测量精度。

6)采用精度较高的测量仪器施测，定期对测量仪器进行检查和校定。

参考文献

[1]周凌宇,郑恒.基于坐标变换的短线预制梁段匹配误差调整[J].桥梁建设,2016,46(05):71-76.

[2]侍刚,徐霞飞,伍贤智.基于非线性最小二乘的短线法节段预制线形控制研究[J].世界桥梁,2014,42(06):36-40.

[3]黄跃.悬臂拼装曲线连续梁桥施工控制研究[D].西南交通大学,2008.

[4]艾宗良.箱梁短线匹配预制及悬臂拼装施工技术研究[D].东南大学,2006.

作者简介

熊彬，1966.7，男，陕西，大学本科，工程师、住建部及交通部监理工程师，现就职于西安方舟工程咨询有限公司。