Research on 3D Linear Control Technology of Segment Beam Prefabrication
任金生 REN Jin-sheng
（中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）
（The 1st Engineering Co.，Ltd. of China Railway 12th Bureau Group，Xi'an 710038，China）
摘要：结合连徐铁路大许特大桥连续箱梁节段预制拼装施工实例，介绍了短线匹配法预制箱梁节段的三维线型控制技术，为同类节段梁施工提供参考。
Abstract: Combined with the prefabricated assembly construction example of the continuous box girder segment of the Daxu Bridge on the Xuzhou-Lianyungang High-speed Railway, the 3D linear control technology of the prefabricated box girder segment with the short-line matching method is introduced, which provides a reference for the construction of similar segment girder.
关键词：连续箱梁；节段预制；三维线形控制；偏差调整
Key words: continuous box girder；segment prefabrication；3D linear control；deviation adjustment
中图分类号：U448.217 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0098-03
0 引言
部分桥梁的大跨度梁体因受施工条件所限，或是因其它不利因素的影响，而采取节段预制后拼装的施工方案。由于整跨桥的梁体是分段预制后拼装接长，因此控制每一节段预制时三维尺寸精度是施工的关键及重难点。如果节段预制时三维尺寸控制失误，不仅出现节段不能完美接合，或是成型后梁体线性与设计偏差过大，且接合质量不佳的梁体将影响到结构整体承载安全，严重者甚至梁体报废。故需严格控制预制节段的三维尺寸精度，确保桥梁施工质量。
1 工程简介
连徐铁路Ⅳ标大许特大桥244#～248#墩跨规划S344的连续梁桥跨布置为（32.55+48+48+32.55）m连续箱梁，位于直线段，中心里程DK166+202.37。采取节段预制后拼装法施工。
本梁采用等高度连续箱梁，横截面为单箱单室斜腹板形式，箱梁顶部宽12.6m，梁度宽5.5m，梁高设计为3.035m。顶板厚分8.5cm、63.5cm两种；腹板厚分48cm、70cm、90cm三种；底板厚分40cm、60cm两种；整联连续梁设5道横隔墙，边支点处横隔墙厚1.05m。中支点处横隔墙厚1.9m。
2 节段梁三维线型控制方案
根据以往节段梁预制的施工经验，结合本项目现场施工条件及梁体设计结构，经专家对预制方案和三维线型控制方案进行评估和提出改善意见，最终本项目采用短线配套浇筑法，针对该法的施工特点，本项目采用如下的节段梁三维线型控制方案、方法。
2.1 短线匹配浇筑概述
短线匹配法的第1号节段按常规方法立模后浇筑，也称做“基准节段”，然后利用基准段的端面作为第2号节段的活动端模板进行端部匹配浇筑，使接口完全吻合。然后利用第2号节段端面作为第3号节段的活动端模板。按上述方法依次进行其它节段的浇筑。现拟浇筑节段为“现浇节段”（W/C），端面作为活动端模的已浇筑前一节段为“匹配节段”（M/C）。
2.2 建立梁跨总体坐标和与总体坐标相关联的节段局部坐标，桥梁线形总体坐标与节段梁局部坐标关系的建立
为确保节段拼接后的成型梁体与设计线形相符，须通过梁体总体线形设计参数计算出每个接缝处的设计三维坐标。并通过调整M/C节段的空间状态使W/C节段接缝处的坐标数据与设计相符。最终所有节段接缝的三维坐标构成的线形与梁体总体线形设计参数相重合。通过建立如下3个不同的坐标参考系来控制节段线型：
①总体坐标参考系：为梁体总体结构几何形状的坐标系，单个节段的状态采用几何参数来表达。
②局部坐标参考系：在固定端模板上建立局部坐标参考系。
③节段坐标参考系：在每个节段梁上建立节段坐标系，通常将测量控制点设立在节段接缝上。在节段浇注时，局部坐标参考系与节段坐标参考系重合。
2.3 节段三维调整的基本方式
固定端模板垂直于W/C节段中线而安装，因此M/C节段的匹配端面是与其中轴线相垂直的。在W/C节段浇筑前，通过调整M/C节段的三维方向至设计位置，使每一M/C节段在匹配端面处的中轴线与设计线形曲线吻合（中轴线与曲线切线重合，见图1、图2示意）。调整M/C节段三维坐标有如下3种方式：①绕接缝垂直中轴线的水平转动；②绕接缝的垂直转动；③绕接缝的横向扭转。
要完成短线匹配的要求，需提供相关坐标数据，以指导匹配节段的定位，因坐标数据的计算非常复杂及繁琐，本项目采用专业测量软件实施快速计算及处理。
3 三维线形控制坐标计算方法
三维线形控制的坐标计算工作主要由以下3大部分组成：
①线路编译工作。根据设计线型参数，且结合预制场的初始节段确定接缝处6点定位坐标。
②根据现场实际浇筑砼的龄期和弹性模量，预应力管道摩阻系数等数据重新计算桥梁结构线形，同时计算全梁预拱度（X、Y、Z及扭转方向）并自动拟合预制三维曲线。
③根据前面两部分的数据进行现场局部坐标数据的计算，并根据现场测量所得节段实际数据，逐段提供定位坐标。根据预制完成后最终节段数据，重新形成现场定位坐标，并给出与原设计误差分析数据。
4 线形控制系统的建立
4.1 节段上的定位系统
在节段顶安放4根圆顶螺栓及2根U型圆钢，用作测量节段在匹配浇筑时的位置及标高，测量的数据采用软件计算以获得匹配节段的调整值。螺栓及U型圆钢布置在距接缝0.1m处，横向布置在腹板之上（如图3示意）以减少顶板变形的影响。
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4.2 节段梁预制时三维坐标控制
4.2.1 基本流程
①将整个桥跨的设计线形坐标分解给每个节段。也就是使最终参考系与总线形建立关联。
②通过观测台上的经纬仪，检测固定端模板中心与基准中轴线是否重合；调校其垂直度和水平度。
③确立基准节段（和现浇节段）基本参考系。测量控制预埋件要在砼凝固前放置在节段顶板上。在砼已硬结尚未脱模时，测量螺栓及U型圆钢标记基准中轴线和基准标高。此时，模具上的辅助参考系与节段上的基本参考系相同。其它“现浇节段”的基本参考系确立与基准节段的方法相同。
④调整M/C节段的空间状态。将M/C节段平移至模具开口端，根据三维数控软件的计算结果，通过观测M/C节段上U型圆钢标记的中轴线和螺栓上标记的高程变化，按设计调整M/C节段三维坐标后，浇注W/C节段。
⑤误差的分配。完成每一W/C节段浇筑后，再次进行测量，在M/C节段U型圆钢埋件上标记基准线的位置，作为计算水平误差之用，并输入三维数控软件中计算，在浇筑后续节段时进行调整。
⑥重复②至⑤步骤至完成整跨桥节段。
4.2.2 节段预制时的测量控制
①根据软件计算的基本理论数据进行放样，使其能据以标出水平准线和两条平行的螺栓线；
②观测控制的读数；
③检测梁段上各种直线尺寸；
④绘制梁段草图，用来快速检验梁段各轴线的相对位置；
⑤检查标高，以找出同一梁段上标高读数的任何较大的误差。
5 精确测量偏差修正
因受参数偏差（主要为材料特性、截面尺寸等）、施工偏差（制作偏差、钢绞线张拉偏差、拼接偏差）、量测偏差、结构分析模型偏差等。如果不进行以上偏差的识别，并调整，其偏差积累可能导致成型梁体线型达不到设计要求。故在节段预制施工中还需识别并修正偏差。
5.1 控制点坐标采集及预警措施
节段预制指令即M/C节段目标值，是通过实测M/C节段控制点数据输入软件计算、分析而得，因此控制点实际坐标的采集准确性至关重要。
实际数据采集2次后取平均值，并比较两次测值的差值，过大则重新量测。以减少人为及仪器误差。
软件系统设计有实测值的自动识别及报警功能，当识别到数据存在有人为输入错误后，系统发出警报，以确保数据的正确录入。
5.2 误差识别及修正
将浇筑成型的节段控制点数据输入软件后，软件自动分析及识别偏差，当偏差超出允许值后，软件自动在后续一个节段或多个节段中进行修正、调整。
5.3 M/C节段调整精度
通过调整M/C节段的三维姿态，修正偏差。从而实现设计线型。故，要确保M/C节段调整精度。
6 现场精确测量设施的建设
6.1 测量塔布设
在预制生产线的轴线两端分别设置测量塔、目标塔，测量塔上设置的全站仪与目标塔的上反光棱镜确定节段梁的中轴线，固定端模板需与中轴线垂直。为了校准测量塔和目标塔，在预制节段梁附近设置1处固定的水准点（BM）。
测量塔沉降及变形要求需满足测量精度要求，并远离交通道路，与人员上、下走道和平台也应相互间隔开。
6.2 模板轨道预埋件放样
滑移轨道预埋件采用全站仪放样出轨道中心线的位置，使模板滑移轨道平行的分布在基准轴线的两侧，控制好滑移轨道预埋件的中心位置。
根据模板设计图采用全站仪或GPS-RTK放样出端模生根和侧模生根平面位置，并控制端模/侧模生根在统一标高。
如果现场模板轨道预埋件已先行施工，而观测塔或目标塔的强制对中器未安装，则可采用下列方法：
①先测量出轨道预埋件中轴线，找出A点、B点，如图4示意；
②将全站仪架设在A点，后视B点，水平角不变放样观测塔C点；
③反之，则将全站仪架设在B点，后视A点，水平角不变放样目标塔D点。
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6.3 节段梁预制坐标系的建立
根据测量塔、目标塔及模板的位置关系建立好相应的坐标系，该坐标系应与三维控制坐标系保持一致。
6.4 节段梁预制模板特征点布设
节段梁两端端面位置的定位是由固定端模和移动端模来控制的，共设6个监控点，固定端模和移动端模上分别3个，用以控制轴线和高程，两两对应，轴线监控点的标识要与两个测量塔控制形成的中轴线重合。高程监控点平行分布在轴线的两侧，设于固定端模和移动端模上，监控点的平面位置由专业测量软件制定，埋设时间为砼尚未达到初凝强度之前。
7 模板安装精度要求
7.1 预制台座
预制台座靠近测量塔侧设置，台座需适应模板的实际尺寸。预制台座中心轴线需与基准轴线重合，预座台座处需按设计要求进行基底处理，确保台座稳固，无沉降变形。
7.2 预制模板
预制节段坐标定位的精确度决定了梁体三维线型控制的有效性，因此模板系统安装精度须保证。具体要求如下：
固定端模：固定端模的中点与梁体中轴线重合，端模始终保持铅直并与预制节段中轴线成90°；需确保端模两翼处于同一水平面。以腹板的标高测量点控制端模标高。
底模：确保水平安放底模且与固定端模下部贴合紧密。底模中心线与中轴线重合，底模模面与固定端模模面成90°，而底模模面与固定端模的闭合接触处应保持90°。
8 节段梁预制过程的测量及匹配段姿态调整方法
8.1 模板安装的测量
在节段梁模板安装时，需确保固定端模板安装精度，模面竖向铅直，且与拟浇段的中轴线垂直。
中线控制方法：在固定端模板内部的下端及上顶面各设计1处轴线测量控制点，控制模板安装姿态，使两处测量控制点与两测量塔间的基准轴线重合。
垂直度控制方法：设立测量基点，调整模板姿态，使上下两个中轴线控制点至测量基点的水平距离相同，从而确保模板端面铅直；在端模翼缘板两侧对称设置高程及平面位置控制点，调整模板姿态，使翼缘板两侧控制点至测量基点的水平距离相同，即表明端模与中轴线垂直。
水平度控制方法：调整模板两侧翼缘板高度，使两侧控制点的标高相同，即确保了端模顶面的水平度。
8.2 初始段施作时的测量
在各个特征点埋设完毕，待初始节段梁强度达到设计强度后，脱模之前对各个特征点进行数据采集，为确保测量的精度，采取两组人独立测量。待测量精度满足要求后，将测量的数据输入坐标计算软件。
8.3 匹配节段梁调整姿态时的测量
短线匹配梁法施工的关键之一是匹配梁段定位，其定位步骤及测量控制方法如下：
①根据三维控制组提供的匹配数据进行匹配梁段的匹配定位；
②现场量测匹配梁段匹配面与待浇梁段固定端模的位置距离；
③现场的坐标测量及线型监控人员根据现场量测的数据，初步进行M/C梁段定位；
④测量人员即时量测匹配梁段，通过底模台车上安置的液压千斤顶调整区配梁段的三维姿态（如图5示意），完成精确定位；
⑤将底模下设置的4个螺旋撑脚旋下并支撑受力，千斤顶回油，完成支撑点的转换；
⑥再次对匹配梁段进行三维姿态的量测，并将数据输入软件计算精度，精度满足设计后合拢侧模，否则采用千斤顶重新定位。
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9 结束语
本项目在连徐铁路大许特大桥节段梁施工时，采取了先进的技术、方法及软件系统对节段匹配的三维线形进行精准控制，确保了节段梁预制精度，拼接后的箱梁线形符合设计要求，为类似项目节段梁短线匹配法的三维线形控制提供了参考经验。
参考文献：
[1]祁向宇.节段梁施工过程中线形控制技术[J].住宅与房地产，2016（15）.
[2]李杰.南京长江第四大桥引桥预制节段箱梁拼装线形控制技术[J].建筑工程技术与设计，2015（16）.
[3]张校昌.短线匹配法节段箱梁施工技术应用研究[D].山东大学，2015. |
