基于墩梁临时固结应力差的铁路转体连续梁平衡控制

梁超LIANG Chao

（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）

0 引言

大跨度连续梁是铁路桥梁类型中跨越一般性障碍物的首选结构形式，跨度组合也比较容易设计为通图。通常情况下，从挂篮悬臂灌注施工稳定性及平衡控制角度出发，一般除采用墩柱顶位置的墩梁临时固结措施（后期体系转换时进行凿出）外，辅助在承台位置上方设置钢管柱的体外固结措施，构成双保险，保证大悬臂状态即使出现挂篮跌落等最不利工况时，桥梁结构可依然保持安全稳定。但对于临水、临沟等高墩大跨度连续梁而言，由于地理位置及墩柱较高等原因限制，现场没有办法设置体外固结措施，为此该类型桥梁施工过程中的不平衡控制策略较一般性结构更为重要，值得建设者们特别关注。本文提出除加强结构检算及临时结构控制外，可有效利用悬臂根部应力及墩梁临时固结应力差识别方法，运用施工全过程主动控制思维，对各节段存在的不平衡状态进行动态识别和调节，确保施工安全。

1 施工过程不对称荷载因素分析

为了进一步做好悬臂灌注施工的平衡状态，需要在保证节段对称浇筑、张拉和挂篮同步前移的基础上，做好不平衡因素分析。

结合桥梁施工实际，不平衡因素主要来源于混凝土方量的偏差、预应力张拉差异及桥面临时荷载堆放等，同时随着悬臂的增长，不平衡因素导致的不平衡力矩越大。

结合多座铁路连续梁现场施工实践经验，可以得出以下需要重点关注的施工过程及参数偏差控制若干方面：

①混凝土的容重控制。很多时候，我们经常忽略了混凝土容重的重要性，往往更多关注混凝土的和易性、振捣状态及塌落度指标等，但是容重是等体积重量偏差的关键性因素；②混凝土的收面控制。在节段施工过程中，应重点关注底模位置是否控制合理，混凝土厚度是否会忽高忽低，顶板位置的收面是否严格遵守监控单位的标记控制；③节段前端位置的临时堆载。从施工方便的角度出发，节段施工时往往在前端堆放有大量的钢筋、方木等临时性荷载，也是造成偏载的一个重要原因。

由于进行了墩梁临时固结设计，为此铁路连续梁在挂篮节段悬臂浇筑施工过程中，是一个典型的不断增长的悬臂结构体系，从理论计算及有限元仿真分析可知：箱梁悬臂根部的应力状态、墩梁临时固结的应力差是纵向不对称荷载存在响应的敏感性控制参数。

2 施工过程平衡控制思路

2.1 箱梁悬臂根部上缘应力控制

运用Midas civil 结构有限元分析软件，根据桥梁设计结构参数及施工工序安排，进行受力分析，得到施工工况下箱梁悬臂根部上缘的应力理论值。（图1）

通过施工过程中的控制断面划分，在有限元软件中提取图2 中悬臂根部上缘的应力值。

图2 施工过程控制应力测试断面控制值

图3 墩梁临时固结预埋监测元器件

2.2 墩梁临时固结应力控制

2.2.1 墩梁临时固结构造设计

一般情况下，顺着桥梁施工方向，在墩梁位置的大小里程均设置2 个临时固结措施构造，全桥共计4 个，利用混凝土的抗压性能及精轧螺纹钢的抗拉性能，承受不对称荷载荷载。

在施工方案的编写及逐级审核过程中，均需要委托具有资质的第三方对设计文件中墩梁固结构造进行检算，确保在正常使用及最不利施工工况下的结构满足要求。

本文提出不仅需要满足正常的检算要求，还充分利用两侧的数值偏差进行参数识别，进行构建动态控制系统。

2.2.2 监测元器件布设思路

墩梁临时固结的措施一般分布在永久支座的四周，在墩中施工到墩顶前预埋伸入0#块的精轧螺纹钢，然后进行混凝土浇筑。

在墩梁临时固结施工过程中，顺着桥梁施工的方向，沿着竖向每个墩梁临时固结措施布设一个应力监测元器件，并读取初始值。

为了保证悬臂施工过程中的数据监测稳定性，应特别强调现场的导线做好充分的保护措施。

3 偏差识别模型及控制策略

3.1 构建实时监测系统

3.1.1 模块安装

①首先将传感器的线用分线钳减至合适长度（保证线能穿进模块里面）。然后将线用分线钳剥去最外层的绝缘层露出红黄蓝绿四根分线加上一根银色的屏蔽线，再将红黄蓝绿四根分线剥去合适长度的外层绝缘层（不宜过长，为后续接入模块做准备）。②模块与传感器连接，先用启子将线路ABCD 上面的四颗螺丝松开，再将银色的屏蔽线应与红线相缠绕，然后将红、黄、蓝、绿四根分线分别对应插入ABCD 四个槽中，最后用启子将四颗螺丝拧紧。剩下的线按照上述方法逐一安装。模块安装后如图4 所示。

图4 模块安装示意图

3.1.2 数据实时采集

应力数据的采集传输、分析是动态判断不对称荷载存在的直观控制性系统，利用物联网技术和无线传输理念，构建控制部位应力监测实时监测系统，在施工过程中对传感器的应力（应变）值进行实时监测。

3.2 偏差识别模型及控制思路

针对不同跨度的铁路连续梁，首先进行全桥的数值仿真分析，对箱梁悬臂根部上缘的压应力水平进行计算，确保在各个工况下处在可控状态内。

①首先通过箱梁上缘的压应力偏差进行分析，一方面可识别纵向预应力张拉的效果及对称性，同时根据大小里程的数值偏差，初步判断不对称荷载存在的方向；②利用墩梁临时固结位置的压应力偏差值作为敏感性参数，构建不对称荷载的定量分析模型，一般将偏差控制在1MPa 以内；③通过有限元数值仿真分析模型可知，当大小里程位置的墩梁临时固结偏差在1MPa 以内时，可保证箱梁悬臂根部上缘的应力变化不显著，说明由于临时荷载、混凝土质量产生的不平衡力矩相对较小，结果受力较为合理。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

新建铁路宜昌至郑万高铁联络线自汉宜铁路宜昌东站引出，向西延伸接入郑万铁路兴山站，正线全长109.38公里。设计为双线高速铁路，设计速度350 公里/小时，该项目建成后，将与郑万铁路万州至兴山段共同形成川渝地区东向高铁新通道，连通既有沪汉蓉铁路和新建的郑州至万州高铁，形成湖北省新的沿江高速铁路通道。

城东特大桥（41+76+41）m 预应力混凝土连续梁，梁全长为159.5m，在鸦宜线及K1 线两侧设T 构，分别转体就位，跨中合龙。中跨跨越东艳路、鸦宜线、客车车底取送线。东艳路宽度为32m，交叉角度为57°，鸦宜线、客车车底取送线交叉角度为61°；T 构采用墩底转体法施工，均位于R=400m 的圆曲线上。桥面设2%横坡。9#墩顺时针旋转60°就位，10#墩顺时针旋转55°就位。

4.2 设计临时固结措施

临时支座设置在桥梁永久支座的外侧墩帽边缘处，条形布置，每座墩顶布置四条。每条平面宽度150cm、长度220cm，从墩顶至梁底全高。临时支座采用C50 混凝土，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），其轴心抗压强度设计值为22.4MPa。

墩梁临时固结抗倾覆锚固采用HRB400 钢筋锚栓，钢筋直径为Φ32mm，标准强度[σ]=400MPa。每座桥墩合计布置404 根锚固钢筋，布置在对应于箱梁腹板处，使其既能承受上部竖向压力，又能承受不平衡倾覆弯矩。

施工时保证Φ32 螺纹钢深入梁体内长度不小于1.1m，深入墩身长度不小于1.2cm，每根精轧螺纹长度不短于3.5m。抗倾覆锚固钢筋布置位置如图5 所示。

图5 墩梁临时固结抗倾覆锚固钢筋平面位置布置图

4.3 平衡控制要求及安全风险评估

因地形地势限制，桥梁主墩的临时固结无法采用体外临时支墩措施，仅按照设计文件采用墩梁临时固结构造，在施工过程中需严格控制不平衡力矩，一方面保证梁体的结构安全，同时确保结构的整体稳定性。

从施工角度出发，无体外固结措施的悬臂施工，增加了一定的安全风险，也对不对称荷载的控制要求更为严格，同时也需要构建智慧监测和控制系统，保证施工过程中的风险可控。

4.4 监测数据分析

根据实时监测系统，最大悬臂工况时监测界面如图6所示。根据墩梁临时固结应力实时监测数据分析可知：施工过程中将大小里程位置处的应力差控制在0.2-0.8MPa以内，并通过监测箱梁根部上缘的应力状态，变化不显著，基本在0.5MPa 以下，控制效果较为理想。

图6 应力监测曲线图

5 结论

通过对墩梁临时固结的理论分析及实时监测数据分析，可得出如下结论：①对于无体外固结的铁路转体连续梁而言，通过墩梁临时固结的应力监测进而控制不平衡力矩对结构的影响，是具有十分必要的意义；②通过将大小里程的应力差控制在1MPa 以内，动态调节现场产生不平衡力矩的施工因素，可有效保证结构大悬臂施工的受力合理和结构安全，特别是转体过程中的稳定性；③基于墩梁临时固结应力差法的实时监测系统可同时运用于箱梁悬臂根部应力监测，并对纵向预应力张拉效果进行评价。