短线匹配预制梁悬臂拼装线形控制研究.pdf

・桥涵工程・短线匹配预制梁悬臂拼装线形控制研究曾雷日曰（中铁十一局集团第三工程有限公司湖北十堰４４２０１２）摘要对悬臂拼装线形控制所采用的坐标转换、几何关系和受力变形等原理进行介绍，研究了采用二维平面转换的可行性，提出了架设线形和控制线形的计算公式和分析方法，以及采用计算预测和３Ｄ图形预测相结合的方式进行线形控制的方梁结合新加坡项目的现场情况，对该方法的应用进行了详细的分析。关键词短线匹配预制节段梁悬臂拼装线形控制合龙预测中图分类号Ｕ４４５．４７文献标识码Ａ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０８００１００４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＧｅｏｍｅｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆＣａｎｔｉｌｅｖｅｒＥｒｅｃｔｉｏｎＰｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄＢｅａｍｂｙＳｈｏｒｔ－ＬｉｎｅＭａｔｃｈｉｎｇＺｅｎｇＬｅｉ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１１小ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ３一ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＳｈｉｙａｎＨｕｂｅｉ４４２０１２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｌｉｋｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｆｏｒｃｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｕｓｅｄｆｏｒｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅ・ｒｅｃｔｉｏｎｇｅｏｍｅｔｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｗｅｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＷａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｆｏｒｍｕｌａａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｍａｇｅｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｅｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃｗｈｉｃｈｕｓｅｄｉｎＳｉｎｇａｐｏｒｅｐｒｏｊｅｃｔｗｉｔｈｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｈｏｒｔ－ｌｉｎｅｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｅｅａｓｔｉｎｇｓｅｇｍｅｎｔｂｅａｍ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｒｅｃｔｉｏｎ；ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｌｏｓｕｒｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．，．一本文背景项目新加坡大士西轨道交通工程。州日Ｃ１６８７标公路梁采用短线匹配预制，架桥机悬臂拼短线匹配预制节段梁在国外，特别是东南亚地区装架设。典型跨为４０ｍ跨，４跨联、５跨联和６跨联≈使用较多［１］，因其造型美、质量高、影，ｆｌｄ，等优点越连续刚构形式，共４３７０片节段，每跨１２片节段。来越多地受到城市基建行业的认可，近几年，国内一梁体和盖梁采用同顶标高形式。桥梁型式和架桥些城市轨道也开始采用这种形式的桥梁。短线匹配如图１所示。节段梁采用匹配预制，六点坐标实现从大地坐标到预审五轺四啐凶盈盔盈砸啦回霉审制坐标、预制坐标到架设坐标的三维转换旧Ｊ。ｌ’——●—’●ｒ一ｔ。一量：一一．玉．。短线匹配梁架设的一种典型方法旧１就是悬臂拼装，以一个桥墩为中心向顺桥向两侧依次对称架图１公路桥型结构及悬臂拼装示意图设，节段间采用环氧树脂相连，用预应力实现梁体２悬臂拼装线控坐标转换平衡，直至最终合龙。悬臂拼装的核心就是拼装过程的线形控制，由于预制拱度等已在预制时施加，节段拼桥梁在预制时采用三维转换便于预制，因此拼装过程也是逐步抵消拱度，达到顺利合龙的但在悬臂拼装时由于调整频次多，加上拼装调整的时讴重点是在标高和轴线偏差两部分，因此可以将预制——坐标和架设坐标按照平面转换，分别控制标高和轴………些莓旦塑：２０１６一－０５。：三ｔ。一。．。。。。。。，线偏差。基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目（１２・Ｃ０６）”一～。】０铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６ｆ０８Ｊ万方数据・桥涵工程・２．１三维坐标转换与二维平面坐标转换相容性三维坐标和二维坐标转换的主要差异在于沿轴线（可假设为坐标内的ｘ轴）方向有变化。为验证在悬拼时采用二维坐标转换和三维转换的差异对结果影响较小，通过直线倾斜水平距离变化对不同假设长度节段及其变形进行分析，见表１。表１直线倾斜水平距离变化长度高度Ｈ／ｍｍＬ／ｍｍ５１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００ｌ００００．０１３Ｏ．０５００．２０００．４５００．８００１．２５ｌ１．８０２２．４５３３．２０５４．０５８５．０１３２０００Ｏ．００６Ｏ．０２５０．１０００．２２５０．４０００．６２５Ｏ．９００１．２２５１．６０ｌ２．０２６２．５０２３Ｏｏｏ０．００４０．０１７０．０６７０．１５００．２６７０．４１７０．６００Ｏ．８１７１．０６７１．３５０１．６６７４０００Ｏ．００３Ｏ．０１３０．０５０Ｏ．１１３Ｏ．２０００．３１３０．４５００．６１３０．８００１．０１３１．２５０５００００．００３０．０１００．０４０Ｏ．０９０Ｏ．１６００．２５０Ｏ．３６００．４９００．６４００．８ｌＯ１．０（）ｏ６００００．００２０．００８０．０３３０．０７５０．１３３０．２０８Ｏ．３０００．４０８０．５３３０．６７５０．８３３７００００．００２０．００７０．０２９０．０６４Ｏ．１１４０．１７９０．２５７０．３５００．４５７０．５７９０．７１４１８００００．００ｌ０．００３Ｏ．０ｌｌ０．０２５０．０４４Ｏ．０６９Ｏ．１０００．１３６０．１７８０．２２５０．２７８从表１来看，按照进行节段梁标高和轴线偏差标准的要求，采用二维坐标和三维坐标对轴线实际影响分别可控制在０．２ｍｍ和０．０５ｍｍ以内，从测量精度要求来看可以将这种转换造成的平面几何变化忽略。因此在进行节段悬臂拼装线控时采用二维坐标转换是可以替代三维坐标转换的。２．２坐标转换原理二维坐标转换在直角坐标系中可以分解成移轴（也叫坐标平移）和转轴（也叫坐标旋转）两个步骤Ｈ］。２．２．１平移变换’’’如果两个坐标系｛０，ｉ，＿『｝和｛０，ｉ，＿『｝的原点’’０与０不同，Ｄ在｛０，ｉ，Ｊ｝中的坐标为（髫。，Ｙｏ），但两坐标系的坐标基向量’’相同，即有ｉ＝ｉ，－『＝’’Ｊ，那么坐标系｛０，ｉ，／｝可以看成是由坐标系｛０，ｉ，，｝将原点’平移到Ｄ点而得来的，如图２所示。这种坐标变换叫做移轴（坐标平移）。’Ｖ，Ｖ入ｊ，ｆ●。｜／伍ｏ，咒）’工，一一０ｏ，工图２坐标平移示意图’’同，即０＝０，但坐标基向量不同，且有￡（ｉ，ｉ）＝Ｏ／，’则坐标系｛０，ｉ７，．『７｝可以看成是由坐标系｛０，ｉ，．『｝绕０点旋转角而得来的，如图３所示。这种由坐标系’’’｛０，ｉ，Ｊ｝到坐标系｛０，ｉ，＿『｝的坐标变换叫做转轴（坐标旋转）．ｙ＼∥一／＼。一图３坐标旋转示意图用旧坐标表示新坐标的逆变换公式为：镰二＝：Ｚ三ａ㈤式中，ａ为坐标轴的旋转角。３悬臂拼装线控原理设Ｐ是平面内任’’’意一点，它对标架｛０，ｉ，歹｝和｛０，ｉ，Ｊ｝的坐标分别３．１几何关系’’为（石，Ｙ）与（石，ｙ），则平移公式为：匹配预制梁拼装过程中每个新拼装节段和已∥‰＝戈一…拼装节段之间存在几何关系，这种几何关系是由匹’—ｔｙ＝ｙＹｏ、。配关系而来，可以假设每个节段之ＩＭ匹配后的几何２．２．２旋转变换关系为：ｏ。山＋¨。几何关系可以通过匹配梁段的’’’若两个坐标系｛０，ｉ，Ｊ｝和｛０，ｉ，Ｊ｝的原点相数据计算得出，即可作已知。铁道建筒技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８Ｊ１１万方数据・桥涵工程・３．２受力变形匹配预制梁在进行拼装时，受重力、张拉、外部荷载等影响会产生结构变形，这种结构变形在最终阶段的结果已经反应到预制节段中ｂ。７］，但在成桥过程中的变形需要根据施工过程进行分析。架设各阶段变形为六一。，即第／７，个阶段施工时对第ｍ个节段的影响。采用有限元软件进行匹配预制架设过程分析时和现浇梁有一定区别，特别是在提取变形时，匹配预制梁应采用切线位移、累积位移最终得出纯位移来进行预测分析旧Ｊ。３．３计算原理３．３．１目标线形公式连续刚构的悬臂拼装从首个节段拼装到最终成桥在预应力作用下会出现相同的结构在不同的∽阶段有不同的几何变形。１０｜。以短线悬拼连续刚构来看，以标高为例，悬臂合龙的目标线形为：△Ｈｃ。＝Ｈ。。＋工。＋。（３）式中，致。为最大悬臂时的架设目标线形；风。为预制线形；工。为悬臂施工阶段的变形；Ａ。为各种已存在的误差。３．３．２预测方法假设梁场预制的每个相邻节段之间的几何关系为：Ｏ。－（ｎ＋¨，各阶段变形为工一。。此处Ｚ一。应该是纯位移，需经过换算而不能直接从模型中提取。那么每个节段完成后预测的下个节段施工完成后的位置为：“Ｈ。＋ｌ＝（Ｈ。Ｏｎ＋１１）＋工一。（４）４悬拼线控方法以背景项目６片节段梁悬臂拼装为例，对悬拼线控方法进行研究。首先从有限元模拟软件中提取不同施工阶段对应不同节段的变形值。见表２。表２架设施工过程变形节段节段拼装施工阶段名称Ｐ＋ｌＰ＋２Ｐ＋３｜Ｐ＋４Ｐ＋５ｐ＋６合龙前Ｐ＋１＾一ｌ五一ｌ＾一Ｉ厶一ｌ＾一ｌ五一ｌ厶一－Ｐ＋２止一２＾一２厶一２兀一２五一２ｆ售．２Ｐ＋３六一３五一３＾一３五一３ｆ台一３Ｐ＋４＾一４五一４厶一４｛台．～Ｐ＋５以一５五一５后一５Ｐ＋６＾一６ｌ台．ｂ铁道建筑技术首个节段和盖梁之间采用湿接缝连接，其他节段之间用环氧树脂干接。从短线匹配预制原理来看，首个节段（Ｐ＋１节段）的定位至关重要，直接影响到后续节段的线形。４．１架设及控制坐标计算Ｐ＋１节段定位坐标按照基本原理，根据现场下部结构误差、临时结构影响可按式（５）计算定位坐标：△日架（Ｐ＋１）２日梁（Ｐ＋１）一矗（Ｐ＋１）＋（５）‰式中，％（Ｐ＋】）为Ｐ＋ｌ节段架设坐标；（Ｐ＋１）为Ｐ＋ｌ桥梁公司实际预制坐标以（，＋１）为Ｐ＋１阶段时临时△结构对节段梁和墩柱（盖梁）产生的高差；为各种施工误差。按照架设坐标架设、浇筑湿接缝后进行后续张拉、架桥机走形等作业。完成后应有一个理论控制标高：”Ｈ控（Ｐ＋＝Ｈ架（Ｐ＋１）＋工一ｌ（６）式中，如（Ｐ＋。）为Ｐ＋ｌ节段架设后控制坐标。完成Ｐ＋１节段后，根据误差标准进行判定是否进行调整，若不进行调整，则按匹配几何关系进行顺拼，各节段控制标高为：Ｈ控（Ｐ＋Ｉ＋。）＝Ｈ实（Ｐ＋。）＋五＋Ｉ一。＋Ｉ（７）…式中，日控（＋ｎ）为第ｒ／，＋１个节段的控制坐标；…日实（Ｐ＋ｎ）为第ｎ个节段的实际标高；ｎ为１，２，３，，６个节段。若进行调整，则出现新的几何关系Ｏ。山川，其余同理推算。４．２线形预测各节段拼装后的标高和控制误差之间的误差是当前阶段架设误差，对于悬臂施工还可进行合龙段预测。利用已知变形和匹配几何关系可以进行最大悬臂状态的预测，从而指导下一个阶段的调整。线形预测¨卜１２］一般采用电子表形式进行自动计算，有条件的可以编制成对应的小程序。另外，为直观起见，还可以将预测理论和３Ｄ制图相结合，在ＣＡＤ中进行预测位置的分析，ＣＡＤ结果和电子表计算结果可以互相验证。制作架设线控电子表时应注意综合考虑线下结构标高和平面位置、临时结构影响等因素，利用以上原理和公式对坐标进行预测。在ＣＡＤ中进行三维图形预测时，将现有的几何坐标导入，考虑匹配节段之间的已有几何关系和受力ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６∞ｆＪ万方数据・桥涵工程・变形影响，可以通过已完成的节段预测出最后一个悬臂节段的位置，通过和电子表格计算结果对比，可以找出区别。图４为背景项目进行图形分析的截图。差：ｍｍ差：高差９ｍｍ．轴线６４ｍｍ高差８ｍｍ，轴线５０ｍｍ图４３Ｄ图形分析图示５Ｐ＋１节段线形控制示例新加坡项目首个Ｐ＋ｌ节段通过以上理论和方法进行线形控制，为得到不同施工工序对坐标的影响，测得了各个不同工序完成后的坐标，并进行坐标转换后对标高和轴线偏差进行对比。测点按照匹配预制的六点坐标进行选择性测量，如图５所示。岂ｌ崮岗ｌ１４ｃ２Ｂ２Ａｄ—一一￡＆９§５Ｈ星Ａ旦一一拳１斟岗ｌＣ２Ｂ２Ａｄ图５测点布置图５中Ａ和Ｃ点控制标高为主，Ｂ点控制轴线为主。其中一个墩柱内线大里程方向Ｐ＋１节段测点坐标见图６和图７。图７不同工序完成后的轴线水平偏差利用前文所述原理对后续最大悬臂进行预测，预测内容包括该墩柱的最大悬臂及相邻墩柱的最大悬臂预测，见表３。表３预测偏差当前节段（Ｐ＋１）误差控制点偏差方向允许偏差结果判断Ｂ１横向偏差一６．５ｍｍ西±３ｍｍ不合格Ｂ２横向偏差一６．５ｍｍ西±３ＩＴＩｍ不合格Ｃｌ高差０ｆｉｌｍ低±５ａｍ合格Ａ１高差２．４ｍｍ高士５ｍｍ合格Ｃ２高差２．３ＩｌｌＩｎ低±５ｍｍ合格Ａ２高差２．３ｒｎｍ低±５ｍｍ合格当前阶段第六个节段预测偏差值方向允许偏差结果判断高差５ｎｌｍ低±ｌＯｍｍ合格横向偏差６１１１１１１西±５ｍｍ不合格轴向偏差３ｍｒｇ相邻墩柱小里程第六个节段预测偏差值方向允许偏差总偏差高差ｌｌｔｒｉｍ高±１０１１１１７１１６ｍｍ横向偏差２２ｍｍ西±５ｍｍ１６ｒｒｌｒｒｌ轴向偏差２ｔｒｉｍ从结果来看，轴线偏差比较大，主要原因是在架设Ｐ＋１过程中，由于模板安装、钢筋吊装等作、Ｉｋ影响了节段位置。后续阶段采取增设环氧垫片的方式可以解决线形偏差问题。现场相邻墩柱Ｐ＋１架设完成情况如图８所示。６结束语图８Ｐ＋１架设完成图悬臂拼装的线形控制方法和预制方法有很大关系，匹配预制和非匹配预制所采用的方法是不同的。短线匹配预制梁的悬臂拼装线控受施工顺序、架设方式、外部作业条件、下部结构施工误差等影响。图６不同工序完成后的架设标高偏差铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹｃｏＮｓｌＲＵＣＴｔｏＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８１（下转第１８页）１３万方数据・桥涵工程・充分消化前后节段界面产生的误差；（２）小半径曲线状况下，采用首片节段梁矩形＋近似直角梯形的节段预制方案，有效将误差消化在单一节段内，不随节段预制而累积，保证线形满足线路设计以及几何控制精度要求；（３）因平齐面盖梁和节段梁的特有结构形式，并且小半径曲线梁线形及几何控制难，因而从节段梁和现浇盖梁同时处理线形问题，可有效控制误差，并满足施工规范和设计要求；（４）盖梁端面施工同节段梁外形轮廓相同的挑出段，不仅可有效满足小半径线路工况下线形控制要求，同时有利于线上施工湿接缝，加速节段整体拼装及架设速度和质量。参考文献［１］刘泰成．预应力混凝土简支箱梁线形控制及整孔斜移—施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（１２）：３２３４，４１．［２］王鹏．桥梁施工期暂态结构安全可靠度分析研究［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１４（９）：４６５２．［３］陈自航，熊建民．短线法预制梁线性控制研究［Ｊ］．北—方交通，２０１２：７８７９．［４］陈礼忠．节段梁短线法预制、悬臂拼装几何控制技术—［Ｊ］．建筑施工，２００８（７）：５７９５８１．［５］ＧＢ—５００９０９９铁路线路设计规范［Ｓ］．［６］ＰＤＥ／ＤＤ／Ｋ９／１０６／Ａ７ＣｉｖｉｌＤｅｓｉｇｎＣｒｉｔｅｒｉａｆｏｒＲｏａｄａｎｄＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔＳｙｓｔｅｍｓ．Ｒａｉｌ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐｓ［Ｓ］．［７］谭坤，周玲敏，葛斌．短线匹配节段梁预制及架设的线—形偏差调整［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（５）：２３２５，３２．［８］孙学先，杨子江，刘风奎．预应力混凝土曲线连续刚构桥梁悬臂灌注施工中的线形控制方法［Ｊ］．土木工程学报，１９９９（４）：１１３一１１７．［９］王渊．城市高架桥轨道交通节段拼装桥梁施工及控制技术研究［Ｄ］．长沙：中南大学，２００８．［１０］李兴伟．短线匹配法预制节段梁的预拱度设置分析—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（５）：２６２９，３６．［１１］喻志刚．悬臂拼装曲线连续梁桥施工控制研究［Ｊ］．西—南交通大学学报，２００７（６）：１２７１３１．［１２］刘文献，刘岩，高康平．大悬臂预应力混凝土节段拼装—连续箱梁应用研究［Ｊ］．公路，２０１４（７）：１７３１７７．（上接第１３页）进行线形控制时需要首先对线下结构物误差、结构之间的预应力孔洞偏差等进行复核。利用有限元软件进行结构施工过程模拟分析，提取施工阶段变形并计算纯位移，作为后续阶段线形控制的理论数据。根据梁场预制梁段之间的数据可以得出匹配段之间的几何关系，作为进行预测分析的基础。将梁场预制数据通过坐标转换到现场后再转换成两个平面的数据进行标高和轴线分析，能够比较准确的对比理论和实际误差。悬臂拼装线形控制和预制线控密切相关，是整个施工过程的重点，这其中首个节段的定位至关重要，因此在拼装时应投入适当多的人力和时间去保证首个节段满足架设坐标要求。随着城市轨道行业的迅猛发展，短线预制和悬臂拼装必将更多地用在国内城市建设中，也会从道桥过渡到其他各种结构中。掌握成套的预制、架设线形控制方法是短线预制和拼装的关键所在。参考文献［１］王渊．城市高架轨道交通节段拼装桥梁施工及控制技———－＋－－４－－＋一＋－＋一＋一・・卜一＋－＋－卜一叶一－・・卜－－４－－＋－－４－－－４－－－ｔ－一＋—术研究［Ｄ］．长沙：中南大学，２００８：５６．［２］王鹏．桥梁施工期暂态结构安全可靠度分析研究［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１４（９）：４６５２．［３］陈礼忠．节段梁短线法预制、悬臂拼装几何控制技术—［Ｊ］．建筑施工，２００８，３０（７）：５７９５８１．［４］王艳，赵志有．悬臂拼装施工的连续梁桥制造与施工预—拱度的确定［Ｊ］．郑州大学学报，２００８，４０（４）：１１５１１７．［５］谭坤，周玲敏，葛斌斌．短线匹配节段梁预制及架设的线—形偏差调整［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（５）：２３２５，３２．［６］韩晓成，岳青．短线法箱梁节段预制拼装及线形控制—［Ｊ］．应用科技，２００９（１２）：１９５１９６．［７］李兴伟．短线匹配法预制节段梁的预拱度设置分析—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（５）：２６２９，３６．［８］喻志刚．悬臂拼装曲线梁桥施工控制研究［Ｄ］．成都：—西南交通大学，２００７：３１３５．［９］何旭辉，马广．预应力混凝土箱梁短线法节段预制线—形控制［Ｊ］：桥梁建设，２００９（５）：６３６６．［１０］陈礼忠．节段梁短线法预制、悬臂拼装几何控制技术—［Ｊ］．建筑施工，２００８（７）：５７９５８１．［１１］余昆，李景成．基于无应力状态法的悬臂拼装斜拉桥—的线形控制［Ｊ］．桥梁建设，２０１２，４２（３）：４４４８．［１２］艾宗良．箱梁短线匹配预制及悬臂拼装施工技术研究［Ｄ］．南京：东南大学，２００６：１２一１６．１８铁道建兢技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（ｏａＪ万方数据