吳凱軍

（中交二公局第一工程有限公司，湖北 武漢　430056）

異型獨(dú)塔斜拉橋施工控制與監(jiān)測分析

吳凱軍

（中交二公局第一工程有限公司，湖北 武漢430056）

以某異型獨(dú)塔斜拉橋工程為背景，結(jié)合理論預(yù)測，以及現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測與反饋分析，重點(diǎn)探討了獨(dú)塔斜拉橋施工健康的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明：斜拉索索力、橋面線形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制較好，成橋后斜拉索實(shí)測索力與理論索力相對差在±5.0%以內(nèi)，實(shí)測線形與理論結(jié)果相對差在±3.0 cm以內(nèi)，主梁及塔身實(shí)測應(yīng)力與理論預(yù)測結(jié)果一致。

獨(dú)塔斜拉橋；施工監(jiān)控；斜拉索索力；橋面線形；內(nèi)力

0　引言

異型獨(dú)塔斜拉橋施工過程較為復(fù)雜，影響因素較多，監(jiān)控過程需實(shí)時對相關(guān)因素進(jìn)行討論和修正。一般而言，斜拉索索力的張拉與精確調(diào)整是斜拉橋施工成功與否的關(guān)鍵，但拉索索力計算參數(shù)的確定往往較為復(fù)雜，需結(jié)合千斤頂標(biāo)定值和施工階段實(shí)際張力值逐根進(jìn)行修正，才能作為拉索索力監(jiān)測的依據(jù)和基礎(chǔ)。同時，在梁段施工過程中，掛籃變形的離散性較大，在設(shè)置各梁段立模高程時，必須結(jié)合理論計算與實(shí)橋監(jiān)測結(jié)果方能合理確定掛籃變形的大小，一旦掛籃變形與理論預(yù)測值相差過大，則極易導(dǎo)致橋梁無法順利合龍。此外，運(yùn)營階段在混凝土徐變、汽車荷載效應(yīng)下，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋主梁易出現(xiàn)長期下?lián)犀F(xiàn)象，實(shí)橋控制時需根據(jù)類似橋梁經(jīng)驗(yàn)，在主梁預(yù)拱度設(shè)置中考慮成橋預(yù)拱度以減小此類情況的影響。因此，獨(dú)塔斜拉橋施工監(jiān)控的目的便是把斜拉橋施工控制的理論和方法應(yīng)用于該橋?qū)嶋H施工過程，對該橋施工期間的結(jié)構(gòu)內(nèi)力（索力）和變形狀態(tài)進(jìn)行有力的控制和調(diào)整，即根據(jù)施工過程中實(shí)際發(fā)生的各項影響橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力（索力）和線形的參數(shù)，結(jié)合施工過程中監(jiān)測的斜拉索索力、塔梁變形和內(nèi)力，跟蹤分析各施工階段中拉索索力、塔梁變形和內(nèi)力與設(shè)計預(yù)測值的差異并找出原因，提出修正對策，以協(xié)助施工單位安全、優(yōu)質(zhì)、高效地進(jìn)行施工，并確保在橋梁建成以后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)（索力）及線形與設(shè)計相符、且滿足相關(guān)規(guī)范要求［1-4］。

本文結(jié)合異型獨(dú)塔斜拉橋的構(gòu)造特點(diǎn)和受力特性，重點(diǎn)研究和探討此類橋梁施工過程中內(nèi)力（索力）與線形監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，為此類橋梁的施工提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1　工程概況

某異型獨(dú)塔斜拉橋?yàn)?×110 m的預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面獨(dú)塔斜拉橋。主塔為魚形雙柱式塔柱，橫向設(shè)置2個塔柱，軸線距離28.0 m；塔柱高度方向分三個區(qū)段，承臺以上0 m～39.5 m為混凝土塔柱，承臺以上39.5 m～44.2 m為鋼混結(jié)合段塔柱，承臺以上44.2 m～90 m為鋼結(jié)構(gòu)塔柱。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心雙縱梁截面，縱梁中心橫向距離28.0 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)寬36.0 m，縱梁中心處梁高2.765 m。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，塔上標(biāo)準(zhǔn)索距2.0 m，梁上索距5.5m，全橋共設(shè)2×17對斜拉索，合計68根。設(shè)計荷載：公路-I級。主塔混凝土段采用爬模施工法，主梁采用前支點(diǎn)掛籃懸澆施工。

2　理論分析結(jié)果

采用Midas Civil有限元分析軟件建立全橋施工階段模型，如圖1所示。主梁和主塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土，主塔采用鋼混組合體系。主梁為肋板截面，其中B1至B7節(jié)段縱肋寬度為2 m，B8至現(xiàn)澆段縱肋寬度為3 m，B7至B8段縱肋寬度線性變化（編號與施工圖設(shè)計一致）。主梁橫隔板作為施工階段的永久荷載加入，邊墩對整體結(jié)構(gòu)受力影響不大，建模時不予考慮。全橋采用3 698個節(jié)點(diǎn)，8 654個單元。依據(jù)設(shè)計圖紙及設(shè)計、施工單位確定的施工工序，進(jìn)行了前期分析，主要內(nèi)容包括：（1）施工階段計算模型；（2）斜拉索最優(yōu)索力的確定；（3）關(guān)鍵施工工況的確定；（4）關(guān)鍵施工工況的內(nèi)力（應(yīng)力）分析；（5）計算結(jié)果與設(shè)計比對；（6）斜拉索初始張拉力確定與預(yù)拱度梁段預(yù)拱度設(shè)置。

圖1　某異型獨(dú)塔斜拉橋理論分析模型示意圖

2.1斜拉索最優(yōu)索力的確定

根據(jù)設(shè)計文件確定的總體施工方法進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化分析，確定每一階段的最優(yōu)索力使得結(jié)構(gòu)在施工過程，以及成橋之后均有較好的受力狀態(tài)和線形。由于索力較小的變化就會在主梁中引起較大的內(nèi)力（或應(yīng)力）的變化，而索力本身又有一定的變化寬容度（即最大最小索力確定的索力允許變化范圍），因此，索力可作為成橋目標(biāo)中受力的調(diào)控手段。斜拉索最優(yōu)索力的確定采用前進(jìn)和倒退分析交互迭代法進(jìn)行。依據(jù)施工階段計算模型的分析結(jié)果，確定斜拉索各次張拉的張拉力、張拉次數(shù)和張拉次序。全橋采用分次到位法實(shí)施斜拉索的張拉與調(diào)整，以期與設(shè)計成橋索力一致，并使施工各節(jié)段的內(nèi)力較為合理，梁、塔的受力處于大致平衡的狀態(tài)。主梁呈雙懸臂狀態(tài)，各斜拉索均采用三次分期分批對稱張拉，此過程以主梁高程控制為準(zhǔn)；合龍后，即對S1、S2、S16、S17拉索索力進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整次序?yàn)镾17、S16、S1、S2；二期恒載施工完畢后，對全橋斜拉索索力依次進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整次序?yàn)镾1至S17順序張拉。最終，確保成橋后的預(yù)測索力與設(shè)計索力偏差在容許范圍內(nèi)。據(jù)此，表1給出了計算模型中各斜拉索最優(yōu)索力及與成橋索力的誤差比較結(jié)果。

2.2梁段預(yù)拱度設(shè)置

在斜拉橋主梁的澆筑過程中，梁段立模高程的合理確定，是關(guān)系到主梁線形是否平順、是否符合設(shè)計的一個重要問題。表2為異型獨(dú)塔斜拉橋主梁各控制點(diǎn)預(yù)拱度設(shè)置表。

表1　各斜拉索的張拉力及與成橋索力的誤差表　kN

3　施工監(jiān)控結(jié)果

3.1斜拉索索力

圖2為二期恒載施工完畢斜拉索實(shí)測索力分布及與理論索力、設(shè)計索力比較柱狀圖。由圖2可知：（1）二期恒載施工完畢后，全橋斜拉索索力分布規(guī)律與理論索力非常吻合，實(shí)測索力與理論索力相對差均在±5.0%以內(nèi)。（2）索力測試階段盡管橋面鋪裝施工完畢，但管線、照明等設(shè)施未施工（荷載約15 kN/m），實(shí)橋二期恒載重量與設(shè)計相比偏小，但其對斜拉索索力影響不太顯著，全橋斜拉索實(shí)測索力與設(shè)計索力較吻合，相對差基本在± 5.0%以內(nèi)。（3）同一索號拉索索力對稱、均衡，除個別拉索外，實(shí)測索力相對差基本在±3.0%以內(nèi)。

表2　主梁預(yù)拱度設(shè)置值表

圖2　二期恒載施工完畢斜拉索實(shí)測索力分布及與理論索力、設(shè)計索力比較柱狀圖

3.2橋面線形

全橋二期恒載施工完畢后，對主梁橋面高程進(jìn)行復(fù)測，測點(diǎn)布設(shè)于主橋頂面橋面中線距中央分隔帶10 cm處，每個截面設(shè)1點(diǎn)，共18點(diǎn)，測點(diǎn)布置參見圖3所示。運(yùn)營階段在混凝土徐變、汽車荷載效應(yīng)下，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋主梁易出現(xiàn)長期下?lián)犀F(xiàn)象；根據(jù)類似橋梁監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)，可在主梁預(yù)拱度設(shè)置中考慮成橋預(yù)拱度以減小此類情況的影響。圖4為二期鋪裝完畢后橋面高程實(shí)測結(jié)果與理論值比較圖。結(jié)果表明：二期鋪裝完畢后橋面高程實(shí)測值較理論值較接近，各截面橋面高程實(shí)測與理論值的誤差基本小于2.0 cm，在相關(guān)規(guī)范的容許范圍之內(nèi)。

圖3　二期鋪裝完畢后橋面高程測點(diǎn)布置示意圖

圖4　二期鋪裝完畢后橋面高程實(shí)測結(jié)果與理論值對比曲線圖

3.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力

從主梁懸臂澆筑到合龍后第四次調(diào)索完畢等施工階段，均對應(yīng)力傳感器進(jìn)行了跟蹤測試，測試應(yīng)力與計算應(yīng)力的結(jié)果比較如圖5所示。結(jié)果表明：（1）梁體應(yīng)力狀態(tài)良好，與理論計算值基本接近。（2）整個施工過程基本安全，未出現(xiàn)異常狀況。

圖5　二期鋪裝完畢后主梁頂板應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與理論值對比曲線圖

4　對影響結(jié)構(gòu)線形因素的討論

4.1掛籃變形

精確確定掛籃變形的大小對主梁立模高程的確定至關(guān)重要，掛籃變形的偏差越大，成橋后主梁線形的偏差也越顯著。主梁懸臂澆筑的前幾個節(jié)段，監(jiān)控單位協(xié)同施工單位對拉索張拉后、混凝土澆筑后的掛籃變形均進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明：各梁段在施工過程中掛籃變形的離散性較大，除少數(shù)節(jié)段外，斜拉索第1次張拉后掛籃變形平均值大致在2.6～6.3 cm，混凝土澆筑前后（含拉索第2次張拉）掛籃變形平均值大致在-2.0～-5.5 cm。相對而言，每個節(jié)段從斜拉索第1次張拉至混凝土澆筑完畢掛籃監(jiān)測點(diǎn)高程變化大致在-1.0～1.3 cm。因此，在給定每個梁段的立模高程時，可重點(diǎn)參考上述監(jiān)測結(jié)果設(shè)置掛籃變形值。

4.2溫度

由于斜拉橋跨度不大，當(dāng)梁段懸臂長度較短時，溫差對梁段立模高程的影響也較小。但為更好地指導(dǎo)施工，監(jiān)控組對溫差與線形關(guān)系進(jìn)行實(shí)測，并對主梁的立模高程予以適當(dāng)?shù)男拚?，同時，盡量選取溫度較恒定的時段進(jìn)行測量，以減少日照溫差的影響。

4.3計算模型

斜拉橋計算分析的關(guān)鍵是懸臂澆筑時拉索第三次索力，以及各梁段坐標(biāo)的準(zhǔn)確確定。由于拉索索力、梁段定位坐標(biāo)受諸多因素的影響，因此必須采用現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)對計算模型進(jìn)行反復(fù)修正，最終得出準(zhǔn)確的索力張拉值和梁段立模坐標(biāo)，使成橋狀態(tài)下的斜拉橋內(nèi)力（索力）、線形滿足設(shè)計要求。

4.4施工過程的影響

在施工過程中，影響拉索索力、梁體線形的因素很多，主要包括掛籃變形理論預(yù)測與實(shí)際偏差、臨時荷載偏差、混凝土澆筑方量偏差、施工單位工作基點(diǎn)沉降等。在實(shí)際施工過程中，監(jiān)控組根據(jù)現(xiàn)場情況，和施工單位一起對掛籃變形進(jìn)行了監(jiān)測確定，并通過對混凝土澆筑方量的統(tǒng)計分析，對拉索索力、立模高程進(jìn)行了調(diào)整，最大限度地消除了施工過程對梁體內(nèi)力（索力）和線形的影響。

4.5混凝土徐變的影響

由于贛江二橋主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，大橋結(jié)構(gòu)及施工過程基本對稱，因此，在施工階段，由于施工齡期差引起的混凝土徐變變形理論預(yù)測與實(shí)際結(jié)果偏差很小，基本可以忽略。但成橋后，在長期運(yùn)營階段，梁段會產(chǎn)生長期下?lián)犀F(xiàn)象，可能導(dǎo)致拉索索力變化顯著、混凝土梁段底緣開裂等情況，為盡可能地消除此種不利影響，在主梁立模高程的確立時通過設(shè)置成橋預(yù)拱度予以相應(yīng)考慮。

5　結(jié)　論

（1）二期恒載施工完畢后，全橋斜拉索索力分布規(guī)律與理論索力非常吻合，實(shí)測索力與理論索力相對差均在±5.0%以內(nèi)。

（2）二期鋪裝完畢后橋面高程實(shí)測值與理論值較接近，各截面橋面高程實(shí)測與理論值的誤差基本小于2.0 cm，在相關(guān)規(guī)范的容許范圍之內(nèi)。

（3）梁體應(yīng)力狀態(tài)良好，與理論計算值基本接近。

（4）在各梁段施工過程中，掛籃變形的離散性較大，在給定每個梁段的立模高程時，可重點(diǎn)參考上述監(jiān)測結(jié)果設(shè)置掛籃變形值。

（5）在主梁立模高程的確立時，可通過設(shè)置成橋預(yù)拱度予以相應(yīng)考慮。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

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U445

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1009-7716（2016）07-0212-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.061

2016-04-21

吳凱軍（1979-），男，湖北武漢人，工程師.從事公路、橋梁工程施工、管理工作。