鐘金池，袁帥華，2，張 偉

（1.湖南科技大學(xué) 土木學(xué)院，湘潭 411201；2.土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

0 概 述

斜拉橋施工控制是橋梁施工安全與結(jié)構(gòu)線形受力符合設(shè)計(jì)要求的重要保證.斜拉橋作為一種多次超靜定的體系，建造時(shí)因材料的彈性模量、施工方法、混凝土收縮徐變等各種復(fù)雜的因素影響，結(jié)構(gòu)受力和幾何形狀會(huì)與初始設(shè)計(jì)的假定狀態(tài)存在一定的差異［1］.通過全過程的施工控制，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)施工中的控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，力求實(shí)際線形和受力能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果.

吳家營大橋采用無背索獨(dú)塔斜拉橋，是單索面單塔結(jié)構(gòu)，斜拉索分布在塔身方向，由斜拉橋承受主梁、橋面恒載和傾斜塔的全部重量.斜拉索的索力調(diào)整直接關(guān)系到主梁的標(biāo)高和主塔的偏位以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，如果實(shí)施監(jiān)測(cè)過程出現(xiàn)偏差，則造成內(nèi)力分布不合理、結(jié)構(gòu)線形不平順的不利情況［2］.因此吳家營大橋?qū)嵤┦┕た刂疲莆杖珮蛎總€(gè)施工階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和線形，是斜拉橋成橋后滿足設(shè)計(jì)要求的重要手段.

1 工程背景

吳家營大橋橋址橫跨安家河，橋梁全寬18.8m，主橋采用獨(dú)塔無背索斜拉橋橋型，跨徑為64.0m，塔梁固結(jié)，為單索面斜拉橋.采用滿堂支架施工方法，主橋主梁采用滿堂支架現(xiàn)澆施工；主塔采用滿堂支架分段施工，并且伴隨主塔的分段施工進(jìn)行斜拉索的掛索、張拉施工.

主塔設(shè)置在綠化帶中央，形狀為“鑰匙”狀，采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，塔豎直高度為47.915m.主塔橫橋向?qū)挾炔蛔?，?.8m.上部橫斷面尺寸為2.8m×2.337m，下部橫斷面尺寸為2.8m×9.14 m，軸線與地面成53°夾角.塔頂端沿塔軸線方向7.958m為鋼結(jié)構(gòu)，以下部分采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).

圖1 橋梁總體布置圖

主梁為64.0m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁橫橋向采用單箱雙室斷面，梁高為1.8m.箱梁頂板厚度為25cm；底板厚度為25m；邊腹板厚度為60cm；中腹板厚度為140cm，接近塔根部時(shí)逐漸變?yōu)?80 cm.箱梁挑臂長(zhǎng)度為3.0m，底板寬度為12.8m.箱梁在斜拉索錨固處設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)橫梁，間距為6m，厚度為30cm，端橫梁厚度為64cm.

斜拉索采用豎琴型布置，全橋共7根.梁上基本索距為6m，塔上索距為5.682～5.831m.拉索傾角為27°.斜拉索采用φ7鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1670MPa），每根拉索由163根平行鋼絲組成.橋型結(jié)構(gòu)布如圖1所示.

2 施工控制的內(nèi)容及方法

無背索斜拉橋施工的主要內(nèi)容有主塔立模及偏位監(jiān)測(cè)、施工時(shí)支架定位標(biāo)高監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和斜拉索索力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)過程采用變形和應(yīng)力進(jìn)行雙控.施工監(jiān)測(cè)前需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用有限元程序，通過確定的理想成橋狀態(tài)，分析每個(gè)施工階段結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和內(nèi)力，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析［2］.

當(dāng)施工監(jiān)測(cè)出的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和模型計(jì)算出的結(jié)果不相符時(shí)，應(yīng)比較出兩者的偏差.采用施工控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方式，不斷修正系數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)際相一致，然后重新調(diào)整各施工階段的理想狀態(tài).以自適應(yīng)控制方式，使得重新計(jì)算調(diào)整后的模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)果相符，是一個(gè)施工、量測(cè)、識(shí)別、修正、預(yù)告、施工的循環(huán)自適應(yīng)調(diào)整過程［3－4］.

2.1 實(shí)施主塔控制方法

吳家營大橋主塔軸線與水平方向成傾斜狀，主塔施工搭設(shè)碗扣支架，支架上鋪沙包施以荷載，以消除支架非彈性變形，荷載總重為主塔混凝土總重量1.2倍，主塔支架預(yù)壓根據(jù)施工情況分為八個(gè)階段分次預(yù)壓.

考慮到混凝土的軸向壓縮、收縮、徐變和主塔支架彈性變形，塔柱要在豎向設(shè)置一定的預(yù)拋高值，以保證塔柱在施工完成后處在設(shè)計(jì)的標(biāo)高位置.塔柱立模采用鋼模板，其節(jié)段頂端坐標(biāo)定位應(yīng)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)基礎(chǔ)上考慮成橋時(shí)主塔縱橫橋向的位移；標(biāo)高應(yīng)為設(shè)計(jì)標(biāo)高加上預(yù)拋高值.

2.2 實(shí)施主梁控制方法

每根橫隔梁處設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)稱布置在兩側(cè)腹板的中央，這樣不僅可以測(cè)量結(jié)構(gòu)的撓度，同時(shí)可以觀察結(jié)構(gòu)是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形.測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示.

圖2 截面測(cè)點(diǎn)布置

2.3 實(shí)施應(yīng)力控制方法

施工控制應(yīng)力監(jiān)測(cè)包括主塔應(yīng)力測(cè)試和主梁應(yīng)力測(cè)試，確保塔梁內(nèi)力在設(shè)計(jì)容許范圍內(nèi)以及結(jié)構(gòu)的安全.

吳家營大橋選用埋入式智能混凝土鋼弦式應(yīng)變計(jì)和配套的頻率接收儀作為應(yīng)力觀測(cè)儀器.箱梁總共布置2個(gè)應(yīng)力測(cè)試斷面，塔上布置2個(gè)應(yīng)力測(cè)試斷面，位置如圖3所示.對(duì)于主梁測(cè)試斷面，每個(gè)斷面均布置8個(gè)測(cè)點(diǎn).其中頂板中間底面及懸臂梗腋端部頂面各布置1個(gè)橫橋向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，即（7）、（8）號(hào)，其余6個(gè)測(cè)點(diǎn)均為順橋向布置，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示.對(duì)于主塔測(cè)試斷面，每個(gè)斷面均布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)方向與測(cè)試斷面垂直，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示.主梁兩個(gè)應(yīng)力測(cè)試斷面均在2號(hào)點(diǎn)布置一個(gè)溫度傳感器；主塔兩個(gè)應(yīng)力測(cè)試斷面均在1號(hào)點(diǎn)布置一個(gè)溫度傳感器，以作應(yīng)變的溫度修正.

2.4 實(shí)施索力控制方法

斜拉索索力的大小直接關(guān)系到梁塔的內(nèi)力狀態(tài)，因此必須監(jiān)測(cè)斜拉索索力變化情況.在張拉過程中，采用頻譜分析法和千斤頂液壓法這兩種方法同時(shí)監(jiān)測(cè).頻譜分析法現(xiàn)場(chǎng)使用索力動(dòng)測(cè)儀，當(dāng)油壓達(dá)到給定壓力值，索力動(dòng)測(cè)儀測(cè)量出吊桿索力，這兩者得出的索力相差不會(huì)太大.如果測(cè)量出來數(shù)據(jù)不一致，可能存在兩種原因：一是千斤頂標(biāo)定誤差或錨下螺母處于松弛狀態(tài)或油泵操作誤差；二是頻率法測(cè)試時(shí)索力系數(shù)取值不正確，影響測(cè)試的精度.

3 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型分析

吳家營大橋施工控制結(jié)構(gòu)分析采用考慮非線性的平面桿系結(jié)構(gòu)分析方法.計(jì)算采用的程序系統(tǒng)為橋梁博士V3.0和 MIDAS／Civil 2006，建模技術(shù)采用的是自行開發(fā)的新概念CAD形式的建模技術(shù)，可以更加提高建模效率.平面計(jì)算結(jié)構(gòu)模型共分105個(gè)節(jié)點(diǎn)，111個(gè)單元.斜拉索索力優(yōu)化以及方案的確定按照平面模型特有的目標(biāo)索力迭代法，計(jì)算出張拉索力和斜拉索張拉的順序.

3.2 主塔監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

主塔施工共分為八個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段立模位置是以支架變形量（經(jīng)觀測(cè)，主塔支架變形量不超過5mm）及節(jié)段成橋后縱橫橋向發(fā)生的位移確定的，現(xiàn)澆每個(gè)節(jié)段混凝土，并監(jiān)測(cè)塔柱混凝土澆筑前后立模節(jié)段位置的變化.通過監(jiān)測(cè)塔柱每個(gè)節(jié)段的施工，在成橋后主塔線形接近理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)幾何形狀.對(duì)主塔測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：縱橋向最大偏差為S3索導(dǎo)管15mm；橫橋向最大偏差為塔底端－9mm；塔柱高程的偏差為S7索導(dǎo)管12mm.主塔豎直距離為47915mm，隨著塔柱高度的增加，測(cè)量誤差也會(huì)增大；另外成橋索力的偏差也會(huì)造成塔柱平面位置的誤差.從監(jiān)測(cè)結(jié)果分析來看，主塔線形的控制較為成功.成橋時(shí)的主塔測(cè)點(diǎn)結(jié)果分析如圖5所示.

圖5 主塔監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.3 主梁線形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

吳家營大橋主梁采用碗扣支架，經(jīng)連續(xù)三次支架變形的穩(wěn)定觀測(cè)，支架彈性變形不超過15mm.主梁施工期間，通過多次測(cè)量梁底立模的標(biāo)高，來實(shí)現(xiàn)主梁線形的控制，該橋主梁的立模標(biāo)高為設(shè)計(jì)標(biāo)高＋支架變形量＋成橋時(shí)主梁豎向變形量.成橋后，主梁各測(cè)點(diǎn)的偏差基本都在設(shè)計(jì)與規(guī)范容許的誤差之內(nèi).監(jiān)測(cè)結(jié)果分析如圖6所示.

圖6 主梁線形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

施工過程中，對(duì)主梁、主塔應(yīng)力進(jìn)行全過程的監(jiān)測(cè)，測(cè)量得到的應(yīng)力值與模型分析得到理想狀態(tài)下的應(yīng)力值基本相差不大.經(jīng)監(jiān)測(cè)得出的應(yīng)力值見表1.從表1中可以看出，實(shí)際測(cè)得的應(yīng)力值較理論值大，誤差是由很多因素造成，如材料的彈性模量、溫度影響等.通過與理論值的比較，成橋后結(jié)構(gòu)的受力在安全范圍內(nèi).

表1 主梁、主塔應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3.5 索力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

吳家營大橋由于主塔各節(jié)段現(xiàn)澆混凝土長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)澆筑節(jié)段長(zhǎng)度的出入，實(shí)際施工順序是在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，為保證施工期間的結(jié)構(gòu)安全以及成橋時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)斜拉索張拉順序調(diào)整進(jìn)行精確的分析，擬定多次張拉的方案.經(jīng)過有限元分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工條件，最終確定了吳家營大橋的拉索張拉方案：斜拉索分兩次張拉，并調(diào)整至目標(biāo)索力.斜拉索張拉嚴(yán)格按照監(jiān)控指令表中的斜拉索張拉順序、張拉力進(jìn)行張拉.

從圖7中可以看出，斜拉索S1～S7第二次張拉完后，索力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)成橋索力比較最大索力偏差為S6，索力誤差均控制在5%以下，拉索實(shí)測(cè)值與理論值吻合較好滿足監(jiān)控要求.從圖8成橋后的斜拉索索力測(cè)量結(jié)果分析，索力值較為接近成橋的索力，索力測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求范圍.

4 結(jié) 論

按照吳家營大橋施工控制提出的方法，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的幾何形狀和受力均接近于理想狀態(tài).在施工過程中建立監(jiān)測(cè)體系，尤其是施工難度較大的橋型，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全和質(zhì)量是完全有必要的.

［1］狄 謹(jǐn)，黃 慶.無背索斜塔鋼混凝土結(jié)合梁斜拉橋施工控制仿真［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（3）：43－47.

［2］徐君蘭.大跨度橋梁施工控制［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］郝 超.大跨度鋼斜拉橋的施工監(jiān)控及其目標(biāo)精度值［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2003（1）.

［4］張 善，盧明康，惠 新.單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋施工控制技術(shù)及關(guān)鍵施工工藝的研究［J］.公路，2004（12）：57－61.