鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工測控技術

吳桐WU Tong；孫仔明SUN Zi-ming

（中鐵大橋局第七工程有限公司，武漢 430050）

0 引言

鋼-混組合梁結合了鋼材和混凝土的優勢，因此具有自重輕、強度高、耐久性好等優點[1]。鋼梁可在工廠預制，實現裝配化快速施工，在城市橋梁領域得到廣泛應用，也是推廣工藝之一。在我國斜拉橋由于跨越能力大，廣泛應用于橋梁建設中，斜拉橋上部結構雙懸臂施工時，采用斜拉平衡結構體系可以代替傳統的臨時支墩來抵抗不平衡荷載[2]。頂推施工技術具有安全、快速、干擾小的優點，在橋梁上部結構施工時應用較為廣泛[3]。將斜拉平衡體系和鋼-混組合梁頂推施工相結合可以很好解決常規的頂推法進行變高截面鋼箱梁跨越施工時，大懸臂主梁剛度小、變形大的問題[4]，此方法在我國為首次應用。在鋼-混組合梁架設施工中，由于鋼梁頂面寬度窄，高空測量風險極高，需要實現無接觸式測量，而常規反射片又無法滿足高精度控制要求；在支架搭設、鋼梁及塔架安裝、頂推施工過程中要使用不同的坐標系統，測量流程繁瑣，鋼梁線形監測數據對比困難。本文以白沙洲大道快速化改造工程項目為背景，提出使用磁力棱鏡[5]代替反射片進行全過程無接觸式測量。參考國內類似橋梁中塔梁同步施工測量、鋼梁安裝等施工經驗[6，7，8]，通過優化坐標系統來解決頂推施工中數據對比繁瑣、無法直觀進行表達的難題。

1 工程概況

白沙洲大道快速化改造工程位于武漢市洪山區青菱地區，其中高架約2459.66m。主線橋第九聯跨三環線為38m+61.5m+38m 變高截面鋼-混組合梁，57°斜交上跨武漢三環線。本聯工字鋼梁腹板高度由梁端的1.7m 采用圓曲線變化至中橫梁處的3.7m，再由圓曲線變化至中跨跨中為2.1m。鋼-混組合梁結構示意見圖1。

圖1 第9 聯鋼混組合梁結構示意圖

本項目跨線施工采用工字鋼梁分節段異位吊裝、雙向頂推施工方案，在邊跨搭設兩孔支架，滿足邊跨及中跨的一半的鋼梁在支架上進行拼裝。在主梁BZ29#、BZ30#墩墩頂設置塔架，如圖2 所示采用“塔架+斜拉索”方式對跨中懸臂部分進行斜拉，保證跨中鋼梁合龍口的無應力狀態，確保鋼-混組合梁的成橋線型質量。

圖2 斜拉平衡體系結構示意圖

2 鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工測量控制流程

根據第九聯鋼梁頂推施工專項方案，對過程中測量控制流程進行梳理，測量控制流程如圖3 所示。

圖3 斜拉平衡體系頂推施工測量控制流程圖

3 鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工主要測量控制方法

3.1 建立加密控制網

在三環周邊匝道上埋設地標點，地標點使用GPS 靜態測量及水準測量與主網相連接；在現有三環線主橋及匝道橋墩柱頂部黏貼磁力棱鏡作為支架施工及鋼梁架設控制點，采用精密導線及三角高程的方式觀測地標點對加密點進行復核。

3.2 建立頂推坐標系統

3.2.1 坐標系統建立

鋼梁及塔架在頂推過程中是沿滑道梁成直線頂進，頂推時方位角保持不變，頂推行進距離為27.98m。在頂推過程中，鋼梁及塔架相對位置關系保持不變。鑒于此情況，我們可以以頂推方向為坐標縱軸（X 軸）方向，中橫梁線路中心點為坐標原點，垂直于頂推方向指向坐標系右側的為橫軸（Y 軸），鋼梁及塔架在此坐標系進行頂推時，僅坐標縱軸X 值發生變化，橫軸Y 值理論上保持不變。由于是雙向頂推施工，在建立頂推坐標系統時，以三環線大小里程1～6 節段及7～12 節段分別建立頂推坐標系統，頂推方位角相差180°。此坐標系統可以在頂推施工中全過程進行使用，在使用前要進行坐標系統轉換。

3.2.2 坐標系統轉換

坐標轉換前，根據拼裝及頂推支架設計圖紙、鋼梁平面布圖及主梁分段圖計算支架及滑道梁、各節段鋼梁端點在大地坐標系中平面位置坐標[9]。在根據坐標轉換公式求得拼裝及頂推支架、鋼梁在頂推坐標系統中各點位坐標。此時計算坐標為頂推后鋼梁成橋狀態下設計坐標，如果需要計算頂推前鋼梁拼裝坐標，僅需將各點位坐標X 值減去頂推距離27.98m 即可。

鋼梁高程計算時，根據鋼梁分段里程，首先計算各里程位置橋面設計標高，在考慮各結構層厚度及橫坡分別計算各節段鋼梁梁頂及梁底標高。為了滿足頂推施工及設計要求，鋼梁拼裝時高程較設計值整體抬高20cm，最終計算結果見表1。

表1 鋼梁架設坐標及高程計算一覽表

3.3 鋼梁架設測量

鋼梁拼裝前要對調節管位置進行放樣，在放樣調節管時，要實測分配梁頂高度，通過實測里程來反算此處梁底標高，再計算調節管高度，調節管高度在1～3m 范圍內。梁底標高計算時要考慮預拱度、超高段、變截面梁高等影響。

鋼梁吊裝前，在地面上進行觀測點布置，如圖4 所示將磁力棱鏡黏貼至鋼梁腹板上下方，并量取磁力棱鏡至鋼梁頂板及底板距離，黏貼時保證磁力棱鏡中心與腹板中心線一致。拼裝時，使用頂推坐標系統，X 值控制鋼梁縱向位置，Y 值控制鋼梁軸線偏位，通過上下磁力棱鏡Y 值差值，來確定鋼梁垂直度，通過測量得到的實際高程+量取距離來確定梁頂（底）標高。

圖4 鋼梁拼裝觀測點布置示意圖

中跨合龍段吊裝定位，由于第九聯頂推施工為無配切主動合龍，未設置合龍段，則第6 節段及7 節段合龍口拼裝精度要進行嚴格控制。按照吊裝順序，先進行第6 節段鋼梁吊裝，吊裝過程中主要控制6 節段鋼梁合龍口里程、軸線偏位及高程偏差，在6 節段11 片鋼梁吊裝完成后，根據6 節段鋼梁合龍口竣工數據，調整7 節段鋼梁架梁數據，保證合龍口相對偏差＜10mm。

后續梁段拼裝時，在前段鋼梁驗收合格后，后段鋼梁僅前端進行磁力棱鏡黏貼，鋼梁后端直接與已吊裝好的梁段進行連接并焊接固定，前端則采用全站儀測量磁力棱鏡來確定鋼梁位置，在調整完畢后進行臨時碼板固定，并報第三方監控單位驗收。在使用磁力棱鏡及頂推坐標系統對鋼梁安裝測量進行控制后，鋼梁安裝平面位置及高程實測值均小于規范要求[10]（平面位置±10mm，高程偏差±10mm）。

3.4 鋼梁及塔架軸線及高程線形監測點布設及觀測

在鋼梁及塔架安裝完畢后，通過拉索使鋼梁及塔架形成斜拉平衡體系，在布置監測點時，為實現全過程無接觸測量并保證監測點位置固定，監測點采用沖釘在鋼梁頂面打上樣沖點并將磁力棱鏡黏貼在樣充點上，然后使用油漆進行標記，如圖5 所示監測點布置在每片鋼梁節段連接處。塔架則在頂端及低端各布置一對監測點。

圖5 鋼梁及塔架監測點布置示意圖

鋼梁線形觀測時，使用全站儀對監測點數據進行采集，此時觀測坐標系為頂推坐標系統。在鋼梁頂推施工中有以下工況需要進行監測：①鋼梁整體拼裝完成后，采集鋼梁各監測點初始值；②調節管割除后，觀測鋼梁前后端及各節段下撓值是否復核設計要求；③鋼梁頂推過程中，通過觀測監測點反饋鋼梁及塔架偏位情況；④鋼梁頂推完成后，架設邊跨合龍段，觀測鋼梁整體線形及位置偏差；⑤橋面板澆筑完成后進行體系轉換，觀測鋼梁平面位置及高程是否滿足設計要求。

3.5 鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推監測方法概述

鋼梁及塔架在形成斜拉平衡體系后，理論上在頂推坐標系統中頂推時，鋼梁及塔架相對位置及軸線偏位保持不變。由于頂推支架中滑道梁設計時在同一高程面上，則頂推時鋼梁及塔架相對位置高程也保持不變?；诖饲闆r下，頂推施工中，我們選擇通過觀測塔架兩側上下方監測點來反饋塔架的垂直度偏差；觀測鋼梁兩側前后端監測點來反饋鋼梁變形狀態。

鋼梁及塔架同步頂推過程中，主要監測項目有鋼梁行進距離、軸線偏位、高程偏位及塔架垂直度等，根據施工模擬，主要監測項目可通過監測點在頂推坐標系統中各頂推階段差值（監測值-初始值）進行反饋。

3.5.1 鋼梁行進距離反饋

在頂推過程中，頂推前進方向即頂推坐標系統縱軸方向，監測時，任意監測點X 值減去初始值差值即為頂推前進距離。例如鋼梁前進1m 后，任意監測點X 值應較初始值增加1m。當左右側監測點X 值差值不一致時，則表明兩邊頂推速率不一致，差值較大的那一側頂推過快，應及時進行調整。

3.5.2 鋼梁軸線位置反饋

在分析鋼梁軸線偏位情況時，可針對鋼梁左右側及前后端各監測點X、Y 值變化進行同步對比。當左右側頂推速率不一致時，會造成鋼梁軸線出現扭轉偏位，如果此時鋼梁右側頂推過快，鋼梁前端會向左側扭轉，則右側監測點X 值差值＞左側X 值差值，鋼梁前端監測點Y 值差值為負，后端Y 值差值為正。當鋼梁軸線出現整體偏位時，則左右側X 差值相同，鋼梁前后端Y 值則同為正（鋼梁整體向右側偏移）或同為負（鋼梁整體向左側偏移）。

3.5.3 鋼梁高程偏差反饋

在頂推過程中，鋼梁前端成懸臂狀態，為防止鋼梁前端出現傾覆，要對鋼梁高程進行監測，監測時通過各監測點Z 值差值來進行反饋。當鋼梁有傾覆風險時，此時鋼梁前端Z 值差值為負，后端Z 值差值為正；此時還應同步對支架沉降觀測數據進行對比，當各監測點Z 值差值同為負時，則支架可能出現沉降。當左右監測點Z 值差值一正一負時，鋼梁向負值側傾斜。

3.5.4 塔架監測

塔架監測主要方法同鋼梁監測方法類似，通過觀測塔架上下監測點X 值差值，則可以反饋出塔架垂直度狀態，同時塔架垂直度變化可以與鋼梁高差偏差變化進行同步對比。當鋼梁有傾覆風險時，塔架垂直度也會向傾覆方向發生變化。

3.6 鋼混組合梁頂推施工合龍測量

鋼梁頂推至設計位置前20cm 后停止頂推，對6#節段、7#節段合龍口進行持續觀測，主要觀測鋼梁高程、軸線與設計位置偏差及相對偏差。由于未設置合龍段，鋼梁合龍口相對位置偏差應滿足規范要求≤10mm。通過持續觀測進行鋼梁溫度敏感度分析，選擇夜間溫度穩定時間進行合龍作業。合龍前，通過斜拉索及三向千斤頂對鋼梁合龍口高程及軸線進行調整，直至滿足要求后報第三方監控單位驗收，驗收合格后方可進行合龍作業。如表2 所示合龍精度滿足設計及規范要求。

表2 鋼混組合梁合龍后竣工統計表

4 結語

在鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工過程中，通過建立了以中橫梁線路中心點為坐標原點，以頂推方向為縱軸方向的頂推坐標系統，簡化了支架搭設及鋼梁安裝時測量指令傳達，方便現場作業人員快速找準方向進行調節。在頂推坐標系統中，鋼梁及塔架頂推前后橫坐標保持不變，縱坐標變化則可以快速反應出鋼梁前進距離，橫坐標對比則可以反應鋼梁軸線偏位，坐標數據對比過程簡單、明了，通過監測點的持續觀測，可以清晰的反饋出鋼梁及塔架在各工況下線形變化情況。在使用磁力棱鏡作為后視點及監測點后，實現了全過程無接觸式測量定位，且磁力棱鏡安拆方便，不破壞鋼梁結構，較反射片精度也大為提高，全橋鋼梁安裝精度及合龍精度均符合設計及規范要求。鋼混組合梁斜拉平衡體系頂推施工在我國也是首次應用，其測量控制方法可操作性強，測量控制精度高，能顯著提高頂推施工過程中鋼梁架設及過程監測測量效率，也可以為類似橋梁工程施工測量提供參考和借鑒。