郭 鋒

（太原市城市建設(shè)管理中心，山西 太原 030009）

1 概述

太原市攝樂大橋位于山西省太原市攝樂街與汾河交點處。攝樂大橋為獨塔空間扭索面全漂浮體系形式斜拉橋，橋跨組成（30+150+150+30）m全長為360 m，鋼箱梁橋面標(biāo)準橫斷面寬度為51.5 m，鋼橋塔橫橋向為“A”形，無橫梁，總高113 m，其中，下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高20.5 m；上塔柱和中塔柱均為鋼結(jié)構(gòu)，分別高33.18 m、59.32 m，斜拉索采用多股平行鋼絲成品索，各跨索距均為10 m。攝樂大橋總體布置詳見圖1。

圖1 攝樂橋立面布置圖（單位：m）

2 有限元仿真計算分析

采用有限元仿真軟件MIDAS Civil 2012，主橋幾何尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)和實際施工順序按照攝樂大橋主橋?qū)嶋H情況進行有限元建模分析，攝樂大橋主橋仿真模型共劃分358個節(jié)點、298個單元、138個彈性連接以及22個施工工況等。其中混凝土主墩柱、鋼混結(jié)合段、鋼箱梁橋塔以及鋼主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬以無應(yīng)力長度進行模擬，主梁以及鋼橋塔按照實際狀態(tài)進行荷載模擬，其中橫隔板采用集中荷載的方式施加在實際位置。主梁全梁段位于滿堂滑移支架上，其施工方法按照實際施工順序進行模擬，主墩墩底進行固結(jié)，主梁與墩連接為鉸接，根據(jù)實際彎矩方向進行約束[1]。全橋模型見圖2所示。

本文主要研究橋塔的線形以及應(yīng)力的施工控制，所以以該橋獨塔為計算對象進行單獨模擬。獨塔局部模型如圖3所示。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 橋塔模型圖

3 橋塔線形施工控制

本橋塔為“A”形橋塔，截面為扇形，截面高度從橋塔底部至頂部基本保持不變，截面寬度從橋塔底部至頂部按照緩和曲線進行變化。成橋狀態(tài)下，橋塔受到截面法向壓力、切面剪力以及彎矩。在這幾個不同受力下，需要嚴格控制鋼箱梁橋塔實際制造誤差、安裝偏差以及預(yù)判橋塔施工節(jié)段變形，在施工工程中通過實際監(jiān)控手段，對應(yīng)力以及位移分階段進行采集，通過實際采集數(shù)據(jù)[2]進行綜合分析，預(yù)測橋塔相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢，嚴格控制鋼橋塔施工誤差[3]，確保主橋施工完成后，橋塔結(jié)構(gòu)的線形以及受力符合設(shè)計要求。

3.1 線形及變形測點布置

橋塔拼裝施工時，理論數(shù)據(jù)結(jié)合實際采集數(shù)據(jù)，以監(jiān)控指令的方式，向施工單位提供下一步施工數(shù)據(jù)，主要包含鋼箱梁梁段的立模標(biāo)高、鋼橋塔預(yù)偏與預(yù)抬以及斜拉索的張拉等。按照監(jiān)控方案，對應(yīng)不同實際施工工況，及時捕捉主橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的應(yīng)力與變形，并與理論數(shù)據(jù)進行對比，對需要調(diào)整的參數(shù)進行及時調(diào)整，使得成橋狀態(tài)下的橋塔達到設(shè)計要求。

橋塔監(jiān)測通過全站儀進行，在橋塔頂部與橋塔1/2位置附近分別布置測點，在測點上表貼小棱鏡。測點縱向布置如圖4。

圖4 橋塔變形觀測點布置示意圖（單位：m）

3.2 橋塔拼裝預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)有限元軟件計算分析，橋塔水平最大偏移量達到15 cm，在橋塔塔身設(shè)置3個臨時橫撐后，第一道橫撐與第三道橫撐橫橋向水平位移均在4 mm以內(nèi)，第二道橫撐橫橋向最大水平位移3 cm，根據(jù)模擬結(jié)果，需對橋塔第一道橫撐與第二道橫撐之間的鋼塔節(jié)段進行預(yù)偏以及預(yù)抬設(shè)置，考慮結(jié)構(gòu)恒載和靜活載一半的影響，給出了橋塔第一道橫撐與第二道橫撐之間的鋼塔各節(jié)段拼裝A、B主控制點預(yù)偏與預(yù)抬值以及理論安裝坐標(biāo)，如表1（見51頁）所示。（節(jié)段含義：鋼塔沿著高度方向劃分成35個區(qū)間，每個區(qū)間稱為一個節(jié)段如T9下指9號鋼塔節(jié)段的下端面。）

圖5 主控點布置圖

4 橋塔應(yīng)力施工控制

橋塔應(yīng)力施工控制的主要內(nèi)容，即通過有限元分析軟件模擬實際施工工況，考慮結(jié)構(gòu)恒荷載以及施工臨時荷載最不利組合情況下，判斷出橋塔結(jié)構(gòu)最不利截面（即應(yīng)力值較大處），通過最不利截面的位移與應(yīng)力來評定該施工方案的可行性，并在這些截面位置處，安裝相應(yīng)類型的應(yīng)力傳感器，監(jiān)測各個施工階段下該截面的實際應(yīng)力，通過實際應(yīng)力與理論應(yīng)力的對比，來評價該施工質(zhì)量[4]。

攝樂橋塔分為下塔柱、中塔柱以及上塔柱，下塔柱為空心混凝土墩，中塔柱與上塔柱均為鋼塔節(jié)段，根據(jù)最不利位置監(jiān)測原則，在下塔柱空心混凝土截面布置預(yù)埋式混凝土應(yīng)變傳感器監(jiān)測混凝土應(yīng)力（截面位置如圖6所示A-A、B-B所示），在整個全橋施工過程中，監(jiān)測混凝土拉應(yīng)力變化，對施工過程中混凝土開裂進行預(yù)警；由于鋼混結(jié)合段向空心鋼塔過渡存在截面突變，需在鋼混結(jié)合段頂部處鋼塔節(jié)段表面安裝表貼式傳感器，監(jiān)測鋼塔節(jié)段應(yīng)力（截面位置如圖6所示C-C、D-D所示）,橋塔測試截面布置見圖7，每個截面安裝4個傳感器，如圖7所示。其監(jiān)測結(jié)果見表2所示。

表1 橋塔拼裝預(yù)拱度及安裝理論坐標(biāo) m

圖6 橋塔應(yīng)變測試截面布置示意圖

圖7 橋塔應(yīng)變監(jiān)測截面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽鈭D（單位：mm）

由于橋塔橫撐的作用，在整個橋塔施工中，橋塔混凝土截面外側(cè)傳感器沒有監(jiān)測出明顯的拉應(yīng)力，與實際混凝土沒出現(xiàn)裂紋相吻合，由于混凝土理論計算應(yīng)力值過小，實測值又誤差較大，使得實測值與理論值存在較大偏差，鋼塔截面所監(jiān)測的應(yīng)力與理論應(yīng)力基本吻合，應(yīng)力均在可控范圍以內(nèi)。

表2 橋塔施工過程應(yīng)力變化 MPa

5 拉索索力與主梁線形施工控制

太原市攝樂橋主梁梁高均為3.2 m左右，全橋為全漂浮體系，主跨300 m梁段荷載均由斜拉索承擔(dān)荷載，全橋由64根斜拉索形成空間扭索面；該主橋結(jié)構(gòu)決定了該橋剛度偏柔性，導(dǎo)致索力與主梁線形極難控制；同時在施工過程中，由于氣候的影響，使得原來在調(diào)完索力再進行橋面鋪裝的工序變更為先進行橋面鋪裝后，再進行拉索與索力調(diào)整，該施工順序的改變，使得實際主梁截面受力與理論存在差別，原有的索力張拉將會與成橋索力形成較大誤差；這些因素使得攝樂橋的索力調(diào)整與主梁線形控制成為重難點。

為使攝樂橋的成橋索力與主梁線形與設(shè)計達到一致，擬決定以無應(yīng)力索長的方式進行施工控制，即：以設(shè)計成橋索力和成橋線形為主要目標(biāo)，計算出斜拉索無應(yīng)力長度，并將無應(yīng)力長度代入有限元施工模型，由此得到斜拉索的初張拉力，無應(yīng)力索長計算公式為：

表3 拉索初張拉力及成橋索力控制

索力變量百分比=（實際索力-理論索力）/理論索力；斜拉索索力控制效果[6]由斜拉索索力變量大小決定。（拉索編號：拉索由橋塔塔身向邊跨方向依次稱為M1、M2…M16，拉索關(guān)于獨橋塔身對稱雙索面分布，共計64根拉索。）

通過無應(yīng)力索長控制可得：由于預(yù)拱度原因，斜拉索初始張拉較小，其主梁荷載仍然以滿堂支架承擔(dān)為主，待滿堂滑移支架拆除后，斜拉索索力由于承擔(dān)主梁荷載而迅速增加，最終成橋狀態(tài)下索力與理論成橋索力相差值均控制在±4%以內(nèi)，目標(biāo)線形與成橋線形控制在3 cm以內(nèi)。

圖8 主梁線形對比圖

6 結(jié)論

由于太原市攝樂大橋主橋結(jié)構(gòu)新穎、受力形式復(fù)雜，且主梁以及主塔剛度較小，易導(dǎo)致主梁最終成橋線型與設(shè)計狀態(tài)出現(xiàn)偏差。為全面監(jiān)控橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值與變形量，需對主梁以及鋼塔的各個關(guān)鍵部位，進行應(yīng)力應(yīng)變觀測點以及變形位移觀測點布置，并對斜拉索進行索力測試，及時了解攝樂大橋主橋結(jié)構(gòu)實際受力與變形狀態(tài)，并對實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比分析，修改模型參數(shù)，為主橋施工提供相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)；該類型的監(jiān)控方法能為同種類型的橋梁施工控制提供一定的參考價值。