羅 雷,李 凱

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040)

斜拉橋的建設(shè)施工監(jiān)控是以設(shè)計(jì)建成后的狀態(tài)為主要目標(biāo)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控建設(shè)施工過程中的設(shè)計(jì)參數(shù)變化，并及時(shí)反饋，然后運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，對(duì)誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)、識(shí)別及調(diào)整，使斜拉橋的建設(shè)施工狀態(tài)接近設(shè)計(jì)狀態(tài)[1]。

斜拉橋主要監(jiān)控內(nèi)容包括線形、應(yīng)力和索力，只有以上內(nèi)容同時(shí)滿足規(guī)范要求才能保證結(jié)構(gòu)施工過程的安全[2,3]。然而空間結(jié)構(gòu)異型橋塔由于結(jié)構(gòu)形式所致，全橋受力復(fù)雜，特別是在塔梁結(jié)合部?，F(xiàn)有研究對(duì)斜拉橋施工監(jiān)控較多，但多屬于平面索面和對(duì)稱結(jié)構(gòu)[4]。對(duì)空間索面和不對(duì)稱斜拉橋的監(jiān)控研究較少，但由于兩者在受力和結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)上有較大的差別，因此對(duì)不對(duì)稱空間索面斜拉橋監(jiān)控技術(shù)的研究對(duì)同類橋梁的施工具有較大的指導(dǎo)意義[5,6]。

1 項(xiàng)目背景

某城市公路斜拉橋,跨度為70 m+ 90 m、48 m寬單一多室鋼箱梁橋。頂、底板采用U型加勁肋。道路中線梁高2.5 m，雙向交叉坡橋面高1.5 m，梁底橋水平，鋼箱內(nèi)布置有高度約8.0 m的腹板，沿橋每隔3～4 m設(shè)置一個(gè)水平隔板，并在主塔及斜拉索吊點(diǎn)等重要位置采取加強(qiáng)措施。此座斜拉橋主塔的高度為70 m，其中塔頂離橋面的高度為56.55 m。左右主塔柱的結(jié)構(gòu)形式為變截面，且以橋面中心線為中心對(duì)稱軸的空間弧形。塔頂在沿橋方向的寬為3.3 m，垂直于橋面方向的寬度為1.8 m；在斜拉橋橋底部沿橋方向的寬度為7.8 m,垂直橋的寬度為5.5 m,塔內(nèi)設(shè)置有橫向和縱向的加勁肋。斜拉橋主體結(jié)構(gòu)空間總體布置如圖1所示。

2 有限元模型

利用橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件Midas Civil建立實(shí)際空間有限元結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

整個(gè)斜拉橋模型一共有2 638個(gè)節(jié)點(diǎn)和4 088個(gè)結(jié)構(gòu)單元。斜拉橋的主梁及左右主塔柱為板結(jié)構(gòu)單元，斜拉索為桁架結(jié)構(gòu)單元。斜拉橋鋼箱梁均使用型號(hào)為Q345qD的鋼板,橋面和背面的斜拉索都是使用鍍鋅鋼絲，采用公稱直徑為5 mm的鋼絲,且鋼絲的抗拉強(qiáng)度必須滿足1 670 MPa。斜拉橋主要材料參數(shù)見表1。

表1 主要材料參數(shù)

斜拉橋在建設(shè)控制中的工作內(nèi)容有很多，其中最主要包含有前進(jìn)分析法。前進(jìn)分析方法是使用數(shù)值模擬的形式,根據(jù)已確定的施工方案及施工順序,計(jì)算出斜拉橋組成構(gòu)件在各個(gè)建設(shè)階段以及建成后的線性及應(yīng)力情況，主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等。此方法分析結(jié)果可作為一種理論依據(jù)，在建設(shè)過程控制中進(jìn)行應(yīng)用，并可以有效地指導(dǎo)建設(shè)施工。此方法在計(jì)算時(shí)充分考慮了建設(shè)施工的進(jìn)展、節(jié)點(diǎn)、截面應(yīng)力、外界溫度、結(jié)構(gòu)形式變化以及臨界條件改變等諸多因素，它不僅能模擬斜拉索的張拉，還可以模擬橋面鋪裝等其他實(shí)際的施工過程。

根據(jù)計(jì)算獲取的施工張拉方案與實(shí)際的建設(shè)施工過程對(duì)比，模擬橋梁建設(shè)施工過程獲取的橋梁有關(guān)截面應(yīng)力變化、變形以及斜拉索索力變化等，來檢查建設(shè)施工的合理性與安全性。

2.1 關(guān)鍵階段施工方案

1)主塔施工控制目標(biāo)。該橋左右兩鋼主塔建設(shè)施工中的位移偏差控制目標(biāo)是完成各組件的安裝后，主塔塔頂在垂直橋方向偏向鋼箱梁為267 mm、沿橋方向偏向90 m跨方向?yàn)?8 mm、垂直向下的位移為71 mm，必須保證誤差在25 mm以內(nèi)；鋼塔各截面的坐標(biāo)應(yīng)與設(shè)計(jì)各截面坐標(biāo)相同，且誤差應(yīng)在5 mm以內(nèi)；主塔斜拉索錨固點(diǎn)的高程偏差應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)；鋼橋塔各個(gè)階段組裝應(yīng)平順銜接，且沒有錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

2)施工控制的計(jì)算方法。該斜拉橋在結(jié)構(gòu)形式上比較別致，橋的寬度為48 m，在同類橋梁中屬于較寬橋梁，空間效應(yīng)十分顯著。采用Midas Civil橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件，使用前進(jìn)分析法模擬斜拉橋塔組裝分6個(gè)階段進(jìn)行建設(shè)施工過程。并把主橋塔分為1 036個(gè)板單元，以此來模擬現(xiàn)實(shí)中橋塔的單元結(jié)構(gòu)，并在單元板厚特性計(jì)算中，考慮了現(xiàn)實(shí)塔段變厚度的部分；在鋼塔箱體內(nèi)橫隔板的計(jì)算中，建立了基于施工單位提供的塔截面實(shí)際重量的模型，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的重量系數(shù)，確定自重調(diào)整系數(shù)為1.14，模型中兩橋塔的約束條件為塔底固結(jié)。

2.2 關(guān)鍵階段施工控制計(jì)算結(jié)果

橋塔主要受力部位在橋塔的根部，其塔根的最大應(yīng)力變化如表2所示。

表2 塔根的最大應(yīng)力發(fā)展表 /MPa

3 施工過程監(jiān)測(cè)

3.1 斜拉橋橋面高程分析

建設(shè)施工過程中，橋面高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向分布如圖3所示，從每個(gè)結(jié)構(gòu)斷面中取其中的3個(gè)點(diǎn)；沿著橋方向共抽取9個(gè)斷面進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量。監(jiān)控結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4分析可得，全橋斜拉索經(jīng)過二次張拉后，橋面高程左右側(cè)張拉數(shù)值相差不大，與中間數(shù)據(jù)差值為橫坡。全橋采用同一橫坡，在圖4中橫坡變化不大，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值相符。整體上斜拉橋縱軸線平滑，高程值合理。

3.2 斜拉橋塔頂位移

主塔變位監(jiān)測(cè)斷面的位置在塔頂處，共計(jì)有4個(gè)三維坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)。斜拉橋塔塔頂位移在建設(shè)施工過程中的變化如表3所示。在表3中，垂直橋方向的位移以Y軸方向上為正，沿橋向位移是以X軸(90 m跨)方向?yàn)檎?，豎向位移以Z軸向上方向?yàn)檎?/p>

通過對(duì)表3的分析可知，橋塔塔頂?shù)臄_度是隨著建設(shè)施工階段的進(jìn)行而逐步增大的，左右兩個(gè)塔柱的擾度基本上是關(guān)于中軸線對(duì)稱的，但兩橋塔塔柱的位移偏差均在控制范圍內(nèi)，特別是垂直橋向的擾度，與建設(shè)施工仿真模擬相吻合。在斜拉橋建成狀態(tài)下，塔頂擾度也滿足相關(guān)要求。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)

在斜拉橋建設(shè)施工過程中，隨著施工進(jìn)展，對(duì)斜拉橋采取全面應(yīng)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的方法是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量。

從圖5中,可以看到主塔兩個(gè)部分的應(yīng)力實(shí)際測(cè)量值和理論值截然不同,這是由于斜拉索在張拉過程對(duì)主塔的受力產(chǎn)生了影響，此外，實(shí)際施工時(shí)需要不停地調(diào)整斜拉索，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致主塔的應(yīng)力狀態(tài)在相應(yīng)的截面變得復(fù)雜。在理論計(jì)算模型中，這些因素的影響不能夠準(zhǔn)確地一一體現(xiàn)，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的數(shù)值出現(xiàn)偏差。在主塔兩個(gè)截面上的實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論值基本一樣，表明主塔的應(yīng)力變化狀態(tài)是比較合理的，符合相關(guān)要求。

3.4 施工監(jiān)測(cè)誤差分析

通過上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，理想狀態(tài)下建成后的斜拉橋和現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的斜拉橋，在結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)上，依然有一定的偏差。造成這一偏差的因素是多方面的，以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并參照建設(shè)施工過程中的理論分析和判斷，對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，斜拉橋建成后出現(xiàn)偏差的主要因素是以下三方面誤差所致，即：1)設(shè)計(jì)參數(shù)；2)測(cè)量；3)環(huán)境溫度。

1)設(shè)計(jì)參數(shù)。該建設(shè)項(xiàng)目斜拉橋結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)，在建設(shè)施工過程中，鋼材的容重和混凝土的配重可能有誤差。鋼材在下料及加工成鋼結(jié)構(gòu)的過程中會(huì)有誤差，致使結(jié)構(gòu)的總重量不能跟計(jì)算模型完全一樣；澆注混凝土完成后，實(shí)際混凝土自重產(chǎn)生的荷載與模型有某些偏差。然而在現(xiàn)實(shí)的計(jì)算與理論分析中，沒有準(zhǔn)確地考慮這兩個(gè)因素影響。

2)測(cè)量。斜拉索索力測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差是該施工項(xiàng)目的主要誤差。在張拉斜拉索以及調(diào)索過程中，在溫度的作用下，鋼結(jié)構(gòu)的索力受到較大影響，臨時(shí)車輛行駛過程中產(chǎn)生的荷載也會(huì)對(duì)橋面產(chǎn)生影響，即使斜拉索的索力一直隨施工進(jìn)展在進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依然存在偏差。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，為了降低這些因素所產(chǎn)生的影響，選擇一個(gè)溫度變化較均勻和橋面行車較少的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)多次的測(cè)量。通過測(cè)量對(duì)比，降低測(cè)量產(chǎn)生的誤差。

3)環(huán)境溫度。施工環(huán)境溫度的變化受到很多因素的影響,如：隨著時(shí)間的推移，陽光在一天中光照強(qiáng)度不同，環(huán)境溫度也就不同；斜拉橋某些部位會(huì)直接暴露在太陽光下，溫度上升會(huì)比其他沒有直接暴露在太陽光的部位更快些。隨著季節(jié)的變化，環(huán)境溫度也會(huì)發(fā)生變化，選用應(yīng)變計(jì)作為測(cè)量儀器在測(cè)量時(shí)，雖然已經(jīng)糾正了溫度產(chǎn)生的影響,但其結(jié)果并不能排除其他溫度因素產(chǎn)生的影響。

4 結(jié) 語

對(duì)比關(guān)鍵工序的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和橋梁建成后的數(shù)據(jù)，能看出橋面標(biāo)高和塔頂偏移范圍是比較合理的，符合規(guī)范要求；在整個(gè)建設(shè)施工過程中，主梁關(guān)鍵截面和主塔的應(yīng)力變化范圍均在規(guī)范要求內(nèi)，說明該施工工程能安全的進(jìn)行；根據(jù)斜拉橋建成后狀態(tài)的應(yīng)變結(jié)果顯示,應(yīng)力結(jié)構(gòu)合理,預(yù)期的要求能夠?qū)崿F(xiàn)。因此整個(gè)斜拉橋在建設(shè)施工過程中安全合理，建成后的狀態(tài)滿足預(yù)期的要求。