晏 銘，胡 雨

(1.珠海交通集團(tuán)路橋開發(fā)建設(shè)有限公司，廣東 珠海 519070；2.珠海洪鶴大橋有限公司，廣東 珠海 519070)

0 引言

斜拉橋是一種應(yīng)用廣泛且設(shè)計(jì)和施工技術(shù)較為成熟的橋型，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)其施工控制理論和方法進(jìn)行了研究[1-3]。懸拼斜拉橋的預(yù)制構(gòu)件在工廠進(jìn)行無(wú)應(yīng)力制造后運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)裝配施工，會(huì)涉及三種線形：制造線形、安裝線形和成橋線形[4]。唯有選擇合適的制造線形和安裝線形，才能使橋梁結(jié)構(gòu)最終盡可能地接近設(shè)計(jì)的成橋狀態(tài)，因此必須明確三種線形之間的關(guān)系及其計(jì)算方法。

橋梁線形在制造階段已經(jīng)基本確定，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的范圍有限，如現(xiàn)場(chǎng)控制不好會(huì)造成整體線形偏離設(shè)計(jì)線形，甚至導(dǎo)致無(wú)法順利合龍。對(duì)懸拼大跨度斜拉橋而言，進(jìn)行施工全過(guò)程控制是確保最終成橋狀態(tài)的重要措施[5-6]。本文以珠海市洪鶴大橋主橋磨刀門水道主航道橋?yàn)槔?，介紹該大跨度疊合梁斜拉橋懸臂散拼施工的全過(guò)程控制，驗(yàn)證了在塔墩處采用無(wú)支架施工的可行性，為其他同類型橋梁的施工控制提供參考。

1 工程概況

珠海市洪鶴大橋路線長(zhǎng)9.654km，全線為橋梁工程，其主橋(跨越洪灣水道和磨刀門水道主航道)為兩座橋跨布置為73m+162m+500m+162m+73m的雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，全長(zhǎng)970m，采用半漂浮體系，如圖1所示。磨刀門水道主航道橋橋塔設(shè)計(jì)為166.484m和162.600m高的鉆石形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土；疊合梁總長(zhǎng)970m，其混凝土橋面板全寬為34.9m，采用C60混凝土，支撐在由鋼主梁的邊主梁、小縱梁及橫梁組成的梁格系上，鋼梁采用Q370qD鋼。疊合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面橫向設(shè)置有2%的橫坡，高3.5m，如圖2所示。

圖1 磨刀門水道主航道橋總體布置

圖2 磨刀門水道主航道橋疊合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面

2 計(jì)算模型

磨刀門水道主航道橋?yàn)橹骺?00m的大跨度疊合梁斜拉橋，為保證斜拉橋成橋后達(dá)到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，需對(duì)斜拉橋的各個(gè)部件預(yù)制及施工環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。使用Midas Civil 2015有限元計(jì)算軟件建立了整個(gè)施工過(guò)程的有限元模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正，以保證計(jì)算模型與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)吻合。

全橋有限元模型共分為947個(gè)節(jié)點(diǎn)、746個(gè)單元，其中主梁335個(gè)節(jié)點(diǎn)、334個(gè)單元，按照設(shè)計(jì)截面變化以及施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，輔助墩和邊墩以邊界模擬。

圖3 磨刀門水道主航道橋有限元模型

3 制造階段線形控制

成橋線形是設(shè)計(jì)成橋階段主梁的線形，此時(shí)全橋各主梁節(jié)段均處于受力狀態(tài)；制造線形是工廠預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁時(shí)放樣、制造的線形，為無(wú)應(yīng)力線形；而安裝線形為按照制造線形和制造夾角，在現(xiàn)場(chǎng)懸臂施工時(shí)，懸臂端新增節(jié)段自由節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)連線。與設(shè)計(jì)線形和制造線形不同，安裝線形的這些自由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并不發(fā)生在同一施工階段，僅當(dāng)采用滿堂支架施工時(shí)，安裝線形與制造線形一致[4]。

目前求解制造線形的方法主要有單元解體法、單元CR位移法、結(jié)構(gòu)解體法和初始位移法[7-8]。單元解體法和單元CR位移法從局部出發(fā)得到各單元的無(wú)應(yīng)力構(gòu)形，比較適用于短線法預(yù)制；而結(jié)構(gòu)解體法和初始位移法從整體出發(fā)獲得結(jié)構(gòu)的無(wú)應(yīng)力構(gòu)形，較多應(yīng)用于長(zhǎng)線法預(yù)制。

3.1 安裝線形計(jì)算

磨刀門水道主航道橋的安裝線形采用零初始位移法計(jì)算，計(jì)算公式為：

Ha=Hc-D

式中：Ha為安裝線形；Hc為成橋線形；D為安裝開始至成橋階段對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移量。

若在安裝過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)存在臨時(shí)荷載，則應(yīng)對(duì)安裝標(biāo)高進(jìn)行修正。修正后的安裝標(biāo)高理論值：

Ha=Hc-D+Dl

式中:Dl為因臨時(shí)荷載而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移值。

3.2 制造線形計(jì)算

制造線形為無(wú)應(yīng)力線形。在施工過(guò)程中，已架設(shè)梁段處于受力狀態(tài)，新拼梁段則近似處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，制造線形與安裝線形的關(guān)系可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9-12]。若用安裝線形代替制造線形，新裝梁段端頭標(biāo)高和與已裝梁段之間的轉(zhuǎn)角兩者無(wú)法同時(shí)滿足[4]，產(chǎn)生的誤差若完全通過(guò)索力進(jìn)行調(diào)整，則必然產(chǎn)生較大的索力和內(nèi)力誤差，甚至對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。

磨刀門水道主航道橋主梁為鋼-混凝土疊合梁，鋼梁間采用高強(qiáng)螺栓連接，在拼裝過(guò)程中拼接處角度和懸臂端標(biāo)高的調(diào)整量十分有限[13]。因此，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工流程計(jì)算出制造線形，通過(guò)拼接板寬度調(diào)整拼接角度和懸臂端頭高程。

采用切線初始位移法求解洪鶴大橋的制造線形：

Hz=Hc-Dc+Dy

式中：Hz為制造線形；Hc為設(shè)計(jì)成橋線形；Dc為成橋階段的切線位移；Dy為考慮運(yùn)營(yíng)階段活載影響的預(yù)拱值。

3.3 橫梁變形計(jì)算

由于橋面寬度達(dá)到34.9m，橋面的橫向變形同樣需要注意。根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果，鋼橫梁的最大變形量達(dá)到16mm，因此必須設(shè)置橫向預(yù)拱度。磨刀門水道主航道橋設(shè)置的橫向預(yù)拱值見(jiàn)表1。

表1 橫梁預(yù)拱度

3.4 壓縮補(bǔ)償量計(jì)算

主梁在斜拉索水平分力等荷載作用下，各節(jié)段均會(huì)產(chǎn)生軸向壓縮，制造時(shí)需對(duì)各節(jié)段長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)的長(zhǎng)度補(bǔ)償。由于各節(jié)段制造補(bǔ)償量量值較小，為保證支座安裝時(shí)能滿足設(shè)計(jì)要求，可采用多節(jié)段一次性補(bǔ)償?shù)姆椒?。針?duì)磨刀門水道主航道橋，要求制造保證的部分鋼縱梁累計(jì)壓縮補(bǔ)償量見(jiàn)表2。

表2 邊跨側(cè)鋼梁制造補(bǔ)償量

4 安裝階段線形控制

4.1 安裝工藝

洪鶴大橋主橋磨刀門水道主航道橋兩個(gè)主塔在墩頂節(jié)段采用不同的施工工藝，其中8#主塔采用筑島施工，外部灘地面積大，無(wú)法采用浮吊架設(shè)，采用320t履帶吊架設(shè)塔處節(jié)間(ZL21～ZL23)，利用100t全旋轉(zhuǎn)橋面吊機(jī)進(jìn)行對(duì)稱懸臂拼裝直至邊墩處，輔墩和邊墩處均采用懸臂散拼。

9#主塔根據(jù)橋位環(huán)境，塔處節(jié)間(ZL63～ZL65)主梁采用浮吊整體吊裝鋼結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行橋面板安裝疊合、整體吊裝，利用80t全旋轉(zhuǎn)橋面吊機(jī)進(jìn)行對(duì)稱懸臂拼裝直至邊墩處，過(guò)輔墩采用懸臂散拼，邊跨合龍采取頂推端橫梁調(diào)位合龍。

塔墩外其他節(jié)間采用對(duì)稱懸臂施工，以兩節(jié)段為一標(biāo)準(zhǔn)施工循環(huán)，施工流程如圖4所示。

圖4 磨刀門水道主航道橋標(biāo)準(zhǔn)施工循環(huán)流程

4.2 鋼梁安裝控制

根據(jù)有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，索塔區(qū)域進(jìn)行無(wú)支架安裝或有支架安裝，結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)且安裝誤差控制在合理范圍，8#主塔和9#主塔塔區(qū)施工實(shí)測(cè)最大誤差見(jiàn)表3。

表3 主塔區(qū)鋼梁安裝誤差最大值

本橋在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工時(shí)，采用對(duì)稱懸臂吊裝主梁散件并在空中完成拼接的方式進(jìn)行施工。在吊裝、拼接鋼梁時(shí)，新施工鋼梁懸臂端的標(biāo)高控制尤其重要。當(dāng)懸臂吊裝單側(cè)鋼主縱梁時(shí)，吊機(jī)旋轉(zhuǎn)且荷載不對(duì)稱，吊機(jī)各支點(diǎn)反力不同，此時(shí)懸臂端主梁左右側(cè)產(chǎn)生高差，若采用絕對(duì)高程指導(dǎo)安裝控制，施工完成后左右側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，該橋采用高差法控制，控制高差為：

Δh=Hx-Hq

式中：Δh為吊裝鋼縱梁時(shí)，吊機(jī)松勾前新拼鋼梁端頭與前一節(jié)段端頭的高差值；Hx為懸臂新拼鋼梁端頭高程；Hq為上一施工節(jié)段的端頭高程；Hx與Hq均為吊裝鋼縱梁、未松勾階段的測(cè)量值，即兩者為同一施工工況下的測(cè)量值。

主縱梁、橫梁以及小縱梁、穩(wěn)流板等全部安裝完成后，需要對(duì)主梁姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此作為模型參數(shù)修正、拉索和下一節(jié)段拼梁的誤差調(diào)整的依據(jù)。

4.3 拉索階段線形控制

疊合梁斜拉橋主梁剛度小，長(zhǎng)懸臂狀態(tài)安裝鋼梁后直接安裝橋面板，懸臂端豎向位移大，前面已施工的主梁橋面板產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力增量，可能造成混凝土開裂，因此在安裝鋼梁后進(jìn)行斜拉索掛設(shè)及第一次張拉。

根據(jù)有限元計(jì)算分析，此階段張拉索力不應(yīng)過(guò)大，否則在后續(xù)施工時(shí)索力被動(dòng)增大，在鋼梁與橋面板還未疊合時(shí)，索力的水平分量產(chǎn)生的軸向應(yīng)力全部由鋼梁承擔(dān)，濕接縫澆筑后此部分軸向應(yīng)力無(wú)法釋放，最終導(dǎo)致鋼梁應(yīng)力較大，材料安全儲(chǔ)備降低，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)容許值。

對(duì)于鋼梁安裝完成后累積的誤差，可以通過(guò)調(diào)整一張索力的大小消除一部分，原理是此時(shí)新拼鋼梁尚未疊合，主梁剛度較疊合后小，索力對(duì)懸臂端位移較疊合后大。但掛索索力應(yīng)控制在合理的范圍，索力太小會(huì)導(dǎo)致掛索時(shí)單根鋼絞線索力過(guò)小，斜拉索垂度大，鋼絞線與套管貼合而影響穿索，同時(shí)可能導(dǎo)致夾片不緊，存在安全隱患；索力太大則如前所述，會(huì)導(dǎo)致鋼梁應(yīng)力偏大。因此，利用掛索索力進(jìn)行標(biāo)高誤差調(diào)整的幅度有限。

標(biāo)準(zhǔn)施工循環(huán)中，第二個(gè)節(jié)段完成斜拉索掛索、吊裝預(yù)制橋面板、濕接縫等強(qiáng)后進(jìn)行二次張拉。二張斜拉索是標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)誤差控制的最后一道工序，其誤差控制結(jié)果直接影響下一循環(huán)拼裝和拉索誤差，此階段宜采用索力和標(biāo)高雙控的方式進(jìn)行控制。此前產(chǎn)生的施工誤差可以在此階段通過(guò)增大或者減小索力進(jìn)行調(diào)整，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下減小或者消除累計(jì)誤差，為后續(xù)階段有效控制施工誤差和順利合龍奠定基礎(chǔ)。

4.4 支座預(yù)偏

受溫度影響，主梁會(huì)隨溫度升高而伸長(zhǎng)，此變化屬于可逆變化；同時(shí)由于計(jì)算制造線形和制造壓縮補(bǔ)償量時(shí)，考慮的是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下成橋階段的累計(jì)變化值。在施工過(guò)程中，部分斜拉索尚未張拉或已張拉斜拉索索力未達(dá)到成橋索力值，索力的水平分力引起的主梁軸向壓縮并未全部發(fā)生，而實(shí)際制造時(shí)已經(jīng)補(bǔ)償，此外由于安裝時(shí)溫度并未處于基準(zhǔn)溫度，因而為保證支座的安裝精度，對(duì)支座進(jìn)行了預(yù)偏操作，確保施工完成后，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度時(shí)各支座上下擺能重新對(duì)中。

4.5 誤差來(lái)源

(1)制造誤差。制造線形中部分節(jié)段相鄰兩節(jié)段間的夾角與成橋線形夾角差異較小，實(shí)際制造時(shí)若采用多節(jié)段調(diào)整(即對(duì)多個(gè)節(jié)段的理論制造曲線以直代曲)，則制造的鋼梁曲線與理論曲線存在誤差，應(yīng)對(duì)理論安裝標(biāo)高進(jìn)行相應(yīng)的修正，在分析誤差時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際制造的頂、底拼接板尺寸與理論值差異的影響。

(2)施工累積誤差。前面節(jié)段施工完成后，其累積的誤差在此階段仍然存在，且其角度誤差引起的標(biāo)高誤差會(huì)隨著懸臂長(zhǎng)度的加長(zhǎng)而增大。

(3)溫度。由于日照原因，橋面板與梁底鋼梁存在較大的溫差，受斜照的影響，全橋溫度場(chǎng)并不均勻，溫度對(duì)主梁線形和塔偏會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此，斜拉索張拉以及標(biāo)高、索力數(shù)據(jù)的采集應(yīng)在晚上溫度穩(wěn)定后進(jìn)行。夜間現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)一般不處于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度的條件下，應(yīng)考慮實(shí)測(cè)溫差對(duì)標(biāo)高和索力的影響。

(4)測(cè)量誤差。受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件(如刮風(fēng)導(dǎo)致懸臂上下擺動(dòng))、儀器精度以及人員操作和讀數(shù)誤差等影響，測(cè)量過(guò)程亦會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，應(yīng)避免在大風(fēng)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行多次采集數(shù)據(jù)求均值的方式減小測(cè)量誤差。

(5)臨時(shí)荷載。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)荷載較大或距離懸臂端頭較近時(shí)，需按照荷載分布圖在計(jì)算模型中將臨時(shí)荷載代入計(jì)算，得到臨時(shí)荷載作用下索力和標(biāo)高的影響量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的理論值進(jìn)行修正。

4.6 工程實(shí)施效果

4.6.1 主梁高程監(jiān)測(cè)

成橋狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)全橋主梁高程進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出全橋合攏后各節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)標(biāo)高和理論標(biāo)高偏差均控制在3cm，滿足規(guī)范要求。

4.6.2 合龍口偏差監(jiān)測(cè)

斜拉橋合龍段的施工是懸臂施工的最后環(huán)節(jié)，非常關(guān)鍵。必須重視合龍段的構(gòu)造措施及施工控制，使合龍段與兩側(cè)梁體保持變形協(xié)調(diào)，施工過(guò)程中能傳遞內(nèi)力，確保施工質(zhì)量。合龍口偏差結(jié)果見(jiàn)表4，從表4可以看出洪鶴大橋主橋合龍階段的控制滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 實(shí)際合攏高差和設(shè)計(jì)合攏高差的對(duì)比

4.6.3 主梁軸線偏位監(jiān)測(cè)

成橋狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)全橋主梁軸線偏位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，橋梁軸線偏位滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.6.4 主梁線形控制結(jié)果

主橋中跨合龍段完成后，主橋的線形就基本確定了。主橋線形控制結(jié)果：

(1)全橋合龍段合龍精度控制較好，合龍精度≤1cm，符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(2)合龍實(shí)際線形與理論線形相符，無(wú)明顯的折線突變。

5 結(jié)語(yǔ)

珠海洪鶴大橋是世界首座大跨度串聯(lián)式疊合梁斜拉橋，其結(jié)構(gòu)體系、施工工序復(fù)雜，給施工線形的控制提出新的挑戰(zhàn)。

本文從洪鶴大橋磨刀門水道主航道橋的施工線形控制及施工期結(jié)構(gòu)行為分析入手，給出了主梁制造線形和安裝線形的控制方法及誤差來(lái)源。洪鶴大橋的施工實(shí)踐表明，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好，線形情況與應(yīng)力情況對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)處于可控狀態(tài)，驗(yàn)證了上述線形控制方法的有效性。