吳斌暄

（上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司，上海市 200110）

0 引言

斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，施工中誤差出現(xiàn)有其必然性，由于各種因素（如構(gòu)件剛度、結(jié)構(gòu)自重偏差、斜拉索張拉索力等）的影響，以及在測(cè)量等方面存在誤差，特別是某些偏差具有累積的特性，施工過(guò)程中實(shí)測(cè)值會(huì)不同程度地偏離理想狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種誤差在斜拉橋施工過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了大量研究。但以往的研究還存在以下問(wèn)題，大多數(shù)僅是針對(duì)施工過(guò)程中的某些特定狀態(tài)來(lái)進(jìn)行的，很少將施工過(guò)程與誤差分析緊密結(jié)合起來(lái)研究。而誤差對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響實(shí)際上與整個(gè)施工過(guò)程是高度相關(guān)的，僅僅針對(duì)特定狀態(tài)的研究往往得到了一些不恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。

本文結(jié)合某混凝土斜拉橋的施工監(jiān)控，考慮施工過(guò)程，對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，通過(guò)進(jìn)行各參數(shù)的變異對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感性分析來(lái)分辨主要影響參數(shù)與次要影響參數(shù)，在施工中做到把握現(xiàn)在、預(yù)估未來(lái)，進(jìn)一步對(duì)主要影響參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和控制，為大橋施工過(guò)程中的參數(shù)調(diào)整提供理論依據(jù)，為該項(xiàng)目橋梁的順利投入運(yùn)營(yíng)和長(zhǎng)期健康監(jiān)控提供可靠的依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某主橋采用獨(dú)塔單索面斜拉橋，塔梁墩固結(jié)體系。引橋采用預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支T梁，橋面連續(xù)。主橋跨度為105 m+140 m=245 m，北引橋?yàn)?×30 m+4×40 m=250 m，南引橋?yàn)?×40 m=160 m，橋梁全長(zhǎng)655 m，見圖 1。

主橋橋塔采用混凝土橋塔，塔全高130 m，橋面以上塔高82 m主塔采用C50混凝土，兩塔在橋面以下交叉。橋塔整體為一個(gè)梯形斷面，通過(guò)對(duì)梯形斷面挖槽及倒角來(lái)實(shí)現(xiàn)橋塔線條的變化，通過(guò)設(shè)置橫梁增強(qiáng)橋塔的穩(wěn)定性（見圖2）。主梁采用單箱五室截面形式，梁高3.8 m，采用縱向、橋面板橫向及豎向三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板橫向按A類構(gòu)件設(shè)計(jì)（見圖3）。

拉索采用高強(qiáng)度、低松弛平行鋼絲拉索，規(guī)格為 PES（C）7-127～211。，斜拉索塔上錨固于混凝土索塔內(nèi)置的鋼錨箱上，主梁上錨固在箱室中室的頂板上，其中塔端為固定端，梁端為張拉端。索塔處無(wú)索區(qū)左右各15 m，中跨拉索的標(biāo)準(zhǔn)間距6 m，為了平衡懸臂澆筑時(shí)的重量，邊跨1#至9#拉索的間距取6 m，10#至19#拉索的間距取3 m，橋塔錨固區(qū)的間距根據(jù)拉索錨固的空間要求從1.8 m變化到3.1 m。主橋基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，端承樁，樁徑2.0 m，24根樁。

1.2 施工步驟

主橋主梁采用懸臂澆筑施工、引橋T梁采用先預(yù)制后架橋機(jī)架設(shè)的施工方案。主要施工步驟如下：

（1）橋梁樁基、承臺(tái)、橋墩臺(tái)施工。

（2）搭設(shè)索塔支架及勁性骨架，澆筑主塔下塔柱混凝土；分段吊裝上塔柱鋼錨箱，同時(shí)分段澆筑上塔柱混凝土，上塔柱拉桿外側(cè)混凝土與塔柱混凝土一同澆筑。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

圖2 橋塔底部斷面圖（單位：mm）

（3）搭設(shè)主梁0#塊支架，支架現(xiàn)澆主梁0#塊混凝土，張拉相應(yīng)預(yù)應(yīng)力束。

（4）掛籃懸臂澆筑主梁1#～9#節(jié)段，達(dá)到要求的強(qiáng)度及齡期后張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋；每澆筑一節(jié)段，安裝并張拉一對(duì)斜拉索。

（5）支架現(xiàn)澆邊跨合龍段，張拉邊跨合龍預(yù)應(yīng)力束。

（6）懸臂澆筑主梁主跨10#～19#節(jié)段，每澆筑一節(jié)段，安裝并張拉主跨、邊跨斜拉索。

（7）支架現(xiàn)澆主跨合龍段，張拉主跨合龍預(yù)應(yīng)力束。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制

施工控制是以全面的理論計(jì)算為指導(dǎo)，而實(shí)際的施工狀態(tài)與理論計(jì)算之間由于各種原因?qū)⒊霈F(xiàn)不一致性，因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控流程是一個(gè)施工—量測(cè)—判斷—修正—預(yù)告—施工的循環(huán)過(guò)程。本橋的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要內(nèi)容包括：主梁各施工工況的標(biāo)高、斜拉索的全橋索力、主梁和塔的控制斷面的應(yīng)力、主塔位移、溫度監(jiān)測(cè)等。在每一工況返回量測(cè)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行綜合分析和判斷，以了解已存在的誤差并進(jìn)行誤差原因分析，盡量予以消除產(chǎn)生誤差的原因，給出下一工況的監(jiān)控指令，在施工中形成良性循環(huán)。

當(dāng)主梁線形出現(xiàn)偏差時(shí)，可以通過(guò)以后混凝土節(jié)段安裝時(shí)立模標(biāo)高進(jìn)行修正；當(dāng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí)，則須通過(guò)索力的調(diào)整進(jìn)行修正。施工控制中通過(guò)對(duì)主梁立模標(biāo)高和斜拉索索力的調(diào)整既要實(shí)現(xiàn)全橋的成橋目標(biāo)狀態(tài)，也要實(shí)現(xiàn)中間施工階段目標(biāo)狀態(tài)，以保證每一施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形都處于預(yù)測(cè)和控制之中，并使本橋最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.4 施工監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)

監(jiān)控的預(yù)期目標(biāo)是主梁線形和索力“雙控”在合理范圍內(nèi)。需滿足以下要求：

（1）主梁線形平順，滿足設(shè)計(jì)要求；

（2）邊、中跨的高精度合龍，合龍時(shí)主梁環(huán)口各控制點(diǎn)標(biāo)高誤差±2 cm之內(nèi)，避免采用壓重等措施強(qiáng)迫合龍，而采用溫度可控范圍內(nèi)的自然合龍；

（3）斜拉索索力誤差±5%之內(nèi)；結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)滿足安全要求。

圖3 主梁橫斷面圖（單位：mm）

2 施工參數(shù)誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

2.1 斜拉橋考慮施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析的影響

斜拉橋作為高次超靜定結(jié)構(gòu)體系，施工過(guò)程中體系轉(zhuǎn)換多，以一次成橋計(jì)算方法和考慮施工過(guò)程計(jì)算方法分別對(duì)索力誤差+5%的情況進(jìn)行敏感性分析，見圖4。

圖4 主橋有限元計(jì)算模型圖

圖5結(jié)果顯示，考慮施工過(guò)程，合龍后：除個(gè)別張拉拉索外，其余拉索的索力變異系數(shù)均處于-5%～5%范圍內(nèi)；中跨拉索總索力為12 635.2 t，中跨總索力誤差為0.97%；邊跨總索力為12 036.5 t，邊跨總索力誤差為0.64%。故對(duì)于主梁剛度較大的混凝土斜拉橋而言，由于拉索的被動(dòng)受力，會(huì)使得誤差積累效應(yīng)減小。故以下計(jì)算均考慮施工過(guò)程，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

圖5 考慮施工過(guò)程，索力變異系數(shù)圖

2.2 施工參數(shù)誤差對(duì)主梁的影響

在斜拉橋施工監(jiān)控過(guò)程中，為保證橋梁的順利合龍，合龍前最大懸臂節(jié)段的主梁線形是首要控制目標(biāo)。主梁最大懸臂階段時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度較小，施工參數(shù)誤差對(duì)主梁的線形和應(yīng)力影響顯著，本文選取主跨最大懸臂工況對(duì)施工參數(shù)誤差對(duì)主梁的影響進(jìn)行研究。

在對(duì)其進(jìn)行靜力分析時(shí)，取拉索索力、施工梁段自重、拉索的剛度、主梁剛度為參數(shù)變量，比較各種誤差對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，各個(gè)變量的變異系數(shù)見表1，圖6所示主梁截面為典型截面，圖7顯示了在各種因素作用下的，主梁上、下緣的最不利正應(yīng)力包絡(luò)計(jì)算結(jié)果，圖8顯示了各種因素作用下，主梁的變形位移計(jì)算結(jié)果。

變量 變異系數(shù)拉索張拉力 ±0.05梁節(jié)段自重 ±0.05主梁剛度 ±0.05拉索剛度 ±0.05

從圖7～圖8的計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）對(duì)主梁正應(yīng)力影響的因素是主梁自重誤差，特別是主梁自重的正誤差；次要影響因素為斜拉索索力誤差。

（2）主梁梁段自重是影響主梁線形的關(guān)鍵因素，在斜拉橋主梁線形測(cè)量前，應(yīng)尤其注意清除主梁上的大型施工機(jī)具及重量較大堆載物，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（3）由于斜拉索索力對(duì)主梁線形——特別主跨懸臂端較大的狀態(tài)下——有較大的影響，在懸臂施工過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整斜拉索索力以調(diào)整主梁線形，以助于主梁順利合龍。

（4）由于該橋梁是剛梁剛塔體系，主梁剛度和拉索剛度的變異對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響極小，在±5%剛度的誤差內(nèi)，對(duì)主梁應(yīng)力的誤差在±1%以內(nèi)，對(duì)主梁線形的誤差在±8%以內(nèi)。故在混凝土斜拉橋施工中可以適當(dāng)放寬對(duì)混凝土彈模的要求，但要著重控制斜拉索張拉力和主梁自重等施工關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 索力誤差對(duì)主塔的影響

對(duì)于主塔，拉索索力誤差、結(jié)構(gòu)自重誤差等各種類型的誤差在全橋范圍內(nèi)以主塔為中性軸沿邊、中跨對(duì)稱出現(xiàn)時(shí)，將不會(huì)導(dǎo)致主塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著惡化。故本節(jié)重點(diǎn)對(duì)索力誤差反對(duì)稱出現(xiàn)時(shí)的主塔力學(xué)性能進(jìn)行探討，見表2。

表2結(jié)果顯示：

（1）當(dāng)出現(xiàn)最不利的邊、中跨索力誤差時(shí)，索力不對(duì)稱誤差在5%時(shí)，主塔最大壓應(yīng)力由14.8 MPa變?yōu)?6.6 MPa；塔頂水平位移也發(fā)生了較大的波動(dòng)，最大水平位移達(dá)到264.5 mm。

圖7 主梁截面應(yīng)力及應(yīng)力變異系數(shù)圖

圖8 主梁節(jié)點(diǎn)位移及位移變異系數(shù)圖

（2）經(jīng)對(duì)本文所列出的兩種荷載工況下主塔計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可知，塔頂水平位移和主塔最大應(yīng)力對(duì)邊跨拉索索力正變異的敏感性大于中跨拉索索力正變異的敏感性；不對(duì)稱的索力誤差，所造成的主塔的受力的不均勻性會(huì)導(dǎo)致主塔壓應(yīng)力和塔頂水平位移超過(guò)規(guī)范限值，施工中要著重控制主梁節(jié)段對(duì)稱施工，特別是拉索張拉，應(yīng)重點(diǎn)控制為同向誤差，減少異向誤差發(fā)生。

表2 索力誤差對(duì)主塔響應(yīng)的影響

（3）由于主塔水平位移對(duì)施工過(guò)程中的邊、中跨施工荷載不平衡力較敏感，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主塔水平位移的監(jiān)控量測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)混凝土斜拉橋的施工誤差進(jìn)行敏感性分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）在本文中考慮到的各種誤差中，對(duì)主梁正應(yīng)力影響最大的是主梁節(jié)段自重誤差，其次是斜拉索索力誤差，結(jié)構(gòu)剛度誤差對(duì)主梁的受力狀態(tài)影響較小。

（2）結(jié)構(gòu)剛度誤差對(duì)主梁的位移狀態(tài)影響較小，主梁梁段自重和斜拉索索力是影響主梁線形的兩大關(guān)鍵因素，在施工監(jiān)控量測(cè)過(guò)程中應(yīng)在測(cè)量前及時(shí)清除橋上的大型施工機(jī)具和重量較大堆載物，以確保主梁線形測(cè)量及立模的準(zhǔn)確性。

（3）在施工過(guò)程中，主塔結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力偏差，與主塔順橋向偏位緊密相關(guān)，在主梁懸臂施工過(guò)程中需加強(qiáng)塔頂水平位移的監(jiān)控量測(cè)。

（4）由于塔頂位移及主塔最大應(yīng)力對(duì)拉索索力的不均勻變異較敏感，故應(yīng)在施工監(jiān)控過(guò)程中要重視索力張拉的對(duì)稱性。

（5）隨著施工過(guò)程的發(fā)展，線形誤差會(huì)產(chǎn)生一定的積累，由于全橋結(jié)構(gòu)受力和主梁線形對(duì)斜拉索索力的變化較敏感，可以通過(guò)及時(shí)修正計(jì)算模型，調(diào)整部分斜拉索索力，消除施工誤差對(duì)全橋結(jié)構(gòu)線形的影響。

（6）研究各種誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)必須計(jì)入施工過(guò)程，否則會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)論。隨著施工過(guò)程的發(fā)展，誤差會(huì)產(chǎn)生一定的積累，但對(duì)于斜拉橋而言，由于拉索的被動(dòng)受力，會(huì)使得誤差積累效應(yīng)減小。