王偉濤， 楊成龍， 楊永清

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu)，其成橋狀態(tài)與施工方法息息相關(guān)，為確保施工過(guò)程中斜拉橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形狀態(tài)始終處在安全、合理的范圍內(nèi)，且成橋后主梁線(xiàn)形逼近設(shè)計(jì)預(yù)期的理想線(xiàn)形，結(jié)構(gòu)本身處于最優(yōu)的受力狀態(tài)，必須在施工過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制[1]。

本文通過(guò)對(duì)西南大橋施工過(guò)程的線(xiàn)形、應(yīng)力、索力進(jìn)行控制，使得施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力狀態(tài)始終處在安全、合理的范圍內(nèi)，且成橋后主梁線(xiàn)形逼近設(shè)計(jì)的理想線(xiàn)形。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西貴港市西南大橋?yàn)殡p塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土梁邊主梁斜拉橋，橋梁總長(zhǎng)為548 m，橋面寬為36.5 m，橋跨組成為：(46+88+280+88+46) m(圖1)。主塔采用弧線(xiàn)形門(mén)式框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用等高度帶懸臂的矩形邊主梁結(jié)構(gòu)，斜拉索采用現(xiàn)場(chǎng)組裝的鍍鋅鋼絞線(xiàn)體系，全橋共136根斜拉索，塔根處35 m范圍及邊跨45.88 m壓重范圍內(nèi)主梁采用支架澆注法施工，其余部分采用牽索掛籃懸臂澆注，主梁施工中先合龍邊跨，后合龍主跨。

圖1 西南大橋主橋結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

1.2 監(jiān)控內(nèi)容

本次橋梁監(jiān)控的主要任務(wù)是對(duì)斜拉橋施工全過(guò)程實(shí)施控制，根據(jù)實(shí)際的施工工序以及現(xiàn)場(chǎng)獲取的參數(shù)和數(shù)據(jù)，對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)理論分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，以主梁線(xiàn)形控制、主梁應(yīng)力控制和索力控制為重點(diǎn)[2-3]，同時(shí)做好橋塔應(yīng)力和線(xiàn)形的監(jiān)測(cè)與控制。

主梁線(xiàn)形(標(biāo)高和撓度)的控制：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和施控實(shí)時(shí)計(jì)算及誤差調(diào)整，確定合理的施工預(yù)拱度和主梁立模標(biāo)高，確保大橋順利合龍及成橋線(xiàn)形順暢準(zhǔn)確。

全橋結(jié)構(gòu)各部應(yīng)力的控制：根據(jù)本橋特點(diǎn)通過(guò)結(jié)構(gòu)先期計(jì)算確定合理的測(cè)點(diǎn)布置方案，能充分反映全橋施工各階段的內(nèi)力變形狀態(tài)和最不利控制斷面的應(yīng)力水平。

全橋索力的控制：主要分為兩個(gè)部分，第一步是在懸臂澆筑施工過(guò)程中，控制索力的大小并且測(cè)量結(jié)構(gòu)變形；第二步是在全橋合龍并在二期恒載鋪設(shè)之后，對(duì)索力進(jìn)行調(diào)整張拉到設(shè)計(jì)值，通過(guò)對(duì)索力的張拉，調(diào)整橋面的線(xiàn)性與結(jié)構(gòu)受力。

2 施工控制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

施工控制的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是在施工的每一階段或工序?qū)Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化和撓度變化情況等進(jìn)行同步觀測(cè)，以給施工控制實(shí)時(shí)計(jì)算提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而與計(jì)算預(yù)測(cè)值作比較，并為狀態(tài)修正提供依據(jù)。

2.1 線(xiàn)形控制

主梁梁段的高程測(cè)點(diǎn)在梁段的鋼筋綁扎階段進(jìn)行預(yù)埋(圖2)。測(cè)點(diǎn)為φ16鋼筋，牢固定位于頂板鋼筋骨架上。結(jié)合西南大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工控制要求，其主梁每個(gè)懸澆節(jié)段梁頂對(duì)稱(chēng)布置三個(gè)標(biāo)高測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)零號(hào)塊件頂面布置高程觀測(cè)點(diǎn)，布置0#號(hào)塊高程觀測(cè)點(diǎn)是為了控制頂板的設(shè)計(jì)標(biāo)高，同時(shí)也作為以后各懸澆節(jié)段高程觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置示意

主梁的線(xiàn)形監(jiān)測(cè)以線(xiàn)形通測(cè)和局部梁段標(biāo)高測(cè)量相結(jié)合。局部梁段測(cè)量范圍為當(dāng)前施工梁段及該梁段前已完工的3～5個(gè)梁段。主梁線(xiàn)形通測(cè)每間隔大約5個(gè)梁段進(jìn)行一次，以及在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵施工階段進(jìn)行。

2.2 應(yīng)力檢測(cè)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)通過(guò)在主梁、主墩的控制斷面處布設(shè)應(yīng)力測(cè)試元件，以觀測(cè)在施工過(guò)程中這些截面的應(yīng)力變化和應(yīng)力分布情況。

2.2.1 主梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

邊跨主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面布置在邊跨跨中、邊跨輔助墩位置及邊跨1#塊根部，兩個(gè)邊跨共布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面8個(gè)，每個(gè)截面布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，頂板6個(gè)、底板4個(gè)，邊跨共有測(cè)點(diǎn)80個(gè)；中跨主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面布置在1#塊根部、L/4附近及跨中，中跨共布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面5個(gè)，每個(gè)斷面布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，頂板6個(gè)、底板4個(gè)，中跨共有測(cè)點(diǎn)50個(gè)(圖3)。

圖3 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面縱向布置示意

2.2.2 索塔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

索塔應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面布置在下塔柱底部和中塔柱底部，全橋共4個(gè)索塔應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)監(jiān)測(cè)截面布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，共32個(gè)測(cè)點(diǎn)。索塔應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置，現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

橋塔變形監(jiān)測(cè)采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在索塔施工封頂完成后，索塔左右塔柱頂各設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖4)。測(cè)點(diǎn)位置選在塔頂便于觀測(cè)的可靠位置處。塔偏位在每根斜拉索按施工張拉索力張拉完成后測(cè)量。

圖4 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：cm)

2.3 索力控制

斜拉索力的監(jiān)控內(nèi)容主要有斜拉索施工張拉時(shí)張拉力的控制，各斜拉索張拉前后各已施工斜拉索索力的測(cè)量以及成橋時(shí)各斜拉索索力的測(cè)量與控制。斜拉索施工張拉時(shí)張拉力的控制主要用張拉斜拉索的千斤頂?shù)挠蛪罕淼臄?shù)值進(jìn)行控制，已有斜拉索力的采用頻率法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的斜拉索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的偏差及時(shí)分析原因，采取必要的調(diào)整措施[4]。

3 施工進(jìn)程中施工模擬的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)分析

橋梁施工控制的目的就是使施工與設(shè)計(jì)盡可能一致。在橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算中通常會(huì)采用一些預(yù)設(shè)或假定的參數(shù)用于計(jì)算，并不一定完全真實(shí)地反映當(dāng)前橋的實(shí)際施工情況。

西南大橋施工控制計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)隨著施工進(jìn)程進(jìn)行了多次調(diào)整，以反映和指導(dǎo)新的施工狀況。最終結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式(圖5)，最大懸臂階段結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式(圖6)。

圖5 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型示意

圖6 單T構(gòu)最大懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)模型示意

西南大橋主梁預(yù)拱度通過(guò)各懸臂施工梁段的立模標(biāo)高而得到實(shí)施，設(shè)置值按施工期主梁撓度、竣工后一段時(shí)間(考慮10 a)的混凝土收縮徐變撓度及1/2活荷載靜撓度，相加取反號(hào)而得。施工期主梁撓度主要包括懸臂施工主梁自重?fù)隙取㈩A(yù)加力主梁撓度、體系轉(zhuǎn)換和二期恒載撓度及施工期混凝土收縮徐變撓度等[5]，主梁整體預(yù)抬高值情況如圖7所示。

圖7 主梁整體預(yù)抬高值 (單位：m)

3.1 橋跨合龍控制的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

3.1.1 合龍精度控制成果

全橋各個(gè)合龍段施工作業(yè)前均對(duì)合龍口兩懸臂端的標(biāo)高值進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，圖8、圖9給出各合龍段施工時(shí)的標(biāo)高實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖中所示誤差數(shù)據(jù)看出，橋跨合龍精度得到了很好的控制，3個(gè)合龍段中合龍段的合龍誤差均在15 mm以?xún)?nèi)，合龍誤差最大的合龍段的合龍誤差為13 mm，達(dá)到了控制目標(biāo)結(jié)果，滿(mǎn)足控制目標(biāo)要求(±15 mm以?xún)?nèi))。主梁軸線(xiàn)基本無(wú)偏差。合龍后主梁線(xiàn)形順暢。

圖8 3#、4#橋塔邊跨合龍口合龍誤差(單位：m)

圖9 中跨合龍口標(biāo)高及合龍誤差 (單位：m)

3.1.2 橋面高程階段性控制成果

為了掌握已完成主梁施工梁段頂面的實(shí)際線(xiàn)型狀況，在節(jié)段施工至9#節(jié)段完成時(shí)，施工單位的配合下對(duì)橋面標(biāo)高情況進(jìn)行了通測(cè)，且將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯總并與理論標(biāo)高值進(jìn)行了對(duì)比，各節(jié)段誤差比較結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。分析可以看出，大部分控制斷面主梁上下游高程測(cè)點(diǎn)平均值偏差都在-3.0～ 3.0 cm范圍內(nèi)，滿(mǎn)足控制目標(biāo)要求(±S/2500=±3.5cm，S為懸臂長(zhǎng)度)。但其中3#墩8#節(jié)段偏差較大(最大偏差可達(dá)3.8 cm)，分析其原因是因?yàn)橹髁毫喉敳黄皆斐伞ａ槍?duì)這一情況，監(jiān)控方提出建議是，在二期恒載施工過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)上所缺厚度。

圖10 3#橋塔橋面實(shí)測(cè)與理論值比較(11#節(jié)段張拉后) (單位：m)

圖11 4#橋塔橋面實(shí)測(cè)與理論值均值差比較(9#節(jié)段張拉后) (單位：m)

3.2 施工過(guò)程沿程應(yīng)力監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在對(duì)西南大橋2個(gè)主梁根部(0#塊端部)斷面、邊跨5#塊根部斷面及中跨9#塊端部斷面的沿程應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比分析，全橋的實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果與監(jiān)控計(jì)算結(jié)果基本吻合，結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況較理想，處于安全狀態(tài)。0#塊監(jiān)測(cè)斷面、邊跨5#塊監(jiān)測(cè)斷面及中跨9#塊監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)最大應(yīng)力分布情況如圖12、圖13所示。

圖12 0#塊監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)底板最大拉應(yīng)力(及頂板最大壓應(yīng)力)值 (單位：MPa)

圖13 邊跨5#及中跨9#監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)底板最大拉應(yīng)力(及頂板最大壓應(yīng)力)值 (單位：MPa)

整個(gè)施工過(guò)程中主梁根部0#塊監(jiān)控?cái)嗝骓敯宸ㄏ蜃畲髩簯?yīng)力為-12.53 MPa，小于規(guī)范限值[6]=0.70×(-32.4) =22.68MPa；底板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

整個(gè)施工過(guò)程中主梁邊跨5#塊監(jiān)控?cái)嗝婕爸锌?#塊監(jiān)測(cè)斷面頂板法向最大壓應(yīng)力為-12.75 MPa，小于規(guī)范限值=0.70×(-32.4)=22.68MPa；底板未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.3 索力監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

全橋合龍以后，跟蹤控制與監(jiān)控了調(diào)索階段的索力變化，調(diào)索完成后，對(duì)成橋索力進(jìn)行了全面測(cè)量，并將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較分析，對(duì)成橋(主梁竣工)索力進(jìn)行誤差評(píng)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：除少數(shù)幾根索索力偏差稍大外(±5 %～±6 %之間)，其余索力偏差均在±5.0 %以?xún)?nèi)，均足設(shè)計(jì)要求[7]，理論值與實(shí)測(cè)值誤差對(duì)比見(jiàn)圖14、圖15。

圖14 3#、4#橋塔S1～S17調(diào)索完成實(shí)測(cè)索力與理論索力誤差對(duì)比

圖15 3#、4#橋塔C1～C17調(diào)索完成實(shí)測(cè)索力與理論索力誤差對(duì)比

4 成橋狀態(tài)的控制實(shí)現(xiàn)結(jié)果

調(diào)索完成后，對(duì)全橋橋面高程進(jìn)行了測(cè)量，平均誤差見(jiàn)圖16所示。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明成橋狀態(tài)橋面標(biāo)高總體控制情況較好，線(xiàn)形較為順暢，誤差在(-2.6～7 cm)之間，滿(mǎn)足控制目標(biāo)要求(±L/4 000=±7 cm，L為跨度)。

圖16 調(diào)索完成后實(shí)測(cè)線(xiàn)形與理論值誤差對(duì)比(單位：m)

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)西南大橋的設(shè)計(jì)、施工和控制是成功的，其成橋狀態(tài)可滿(mǎn)足全橋在運(yùn)營(yíng)階段的各項(xiàng)要求，結(jié)構(gòu)安全，線(xiàn)形順暢，造型美觀。

(2)整個(gè)施工過(guò)程中，該橋的預(yù)拱度計(jì)算及掛籃變形值的預(yù)測(cè)是精確的；實(shí)測(cè)橋梁變形值與理論值吻合良好，主梁控制斷面上下游高程測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)平均值與理論計(jì)算值偏差在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。

(3)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，全橋施工過(guò)程中的實(shí)測(cè)應(yīng)力結(jié)果與監(jiān)控計(jì)算結(jié)果基本吻合，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較理想，處于安全狀態(tài)。

(4)調(diào)索完成后，索力總體偏差在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，達(dá)到控制目標(biāo)結(jié)果。

(5)橋跨合龍精度較好，達(dá)到了控制目標(biāo)結(jié)果；主梁軸線(xiàn)基本無(wú)偏差；合龍后主梁線(xiàn)形順暢。

(6)懸臂施斜拉橋的主梁線(xiàn)形的調(diào)控手段相對(duì)有限，必須依靠施工監(jiān)控測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)主梁預(yù)拱度和梁段立模標(biāo)高作出盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，以保證橋跨順利合龍及橋面線(xiàn)形順暢。

(7)通過(guò)西南大橋的施工控制工作，為實(shí)際了解大跨度斜拉橋的結(jié)構(gòu)行為提供了施工全過(guò)程信息，對(duì)該類(lèi)橋型今后的設(shè)計(jì)、施工及進(jìn)一步發(fā)展提供了有益經(jīng)驗(yàn)。