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)計和施工技術(shù)較為成熟的橋型，國內(nèi)有不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對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)行無應(yīng)力制造后運(yùn)送至現(xiàn)場裝配施工，會涉及三種線形：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)系及其計算方法。

橋梁線形在制造階段已經(jīng)基本確定，現(xiàn)場調(diào)整的范圍有限，如現(xiàn)場控制不好會造成整體線形偏離設(shè)計線形，甚至導(dǎo)致無法順利合龍。對懸拼大跨度斜拉橋而言，進(jìn)行施工全過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為例，介紹該大跨度疊合梁斜拉橋懸臂散拼施工的全過程控制，驗證了在塔墩處采用無支架施工的可行性，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 計算模型

磨刀門水道主航道橋為主跨500m的大跨度疊合梁斜拉橋，為保證斜拉橋成橋后達(dá)到設(shè)計成橋狀態(tài)，需對斜拉橋的各個部件預(yù)制及施工環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。使用Midas Civil 2015有限元計算軟件建立了整個施工過程的有限元模型，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和實測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行修正，以保證計算模型與現(xiàn)場結(jié)構(gòu)吻合。

全橋有限元模型共分為947個節(jié)點、746個單元，其中主梁335個節(jié)點、334個單元，按照設(shè)計截面變化以及施工關(guān)鍵節(jié)點進(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)計成橋階段主梁的線形，此時全橋各主梁節(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)段梁時放樣、制造的線形，為無應(yīng)力線形；而安裝線形為按照制造線形和制造夾角，在現(xiàn)場懸臂施工時，懸臂端新增節(jié)段自由節(jié)點的坐標(biāo)連線。與設(shè)計線形和制造線形不同，安裝線形的這些自由節(jié)點坐標(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，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)的無應(yīng)力構(gòu)形，較多應(yīng)用于長線法預(yù)制。

3.1 安裝線形計算

磨刀門水道主航道橋的安裝線形采用零初始位移法計算，計算公式為：

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應(yīng)節(jié)點產(chǎn)生的位移量。

若在安裝過程中現(xiàn)場存在臨時荷載，則應(yīng)對安裝標(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為因臨時荷載而產(chǎn)生的對應(yīng)節(jié)點位移值。

3.2 制造線形計算

制造線形為無應(yīng)力線形。在施工過程中，已架設(shè)梁段處于受力狀態(tài)，新拼梁段則近似處于無應(yīng)力狀態(tài)，制造線形與安裝線形的關(guān)系可參見文獻(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)角兩者無法同時滿足[4]，產(chǎn)生的誤差若完全通過索力進(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)場實際施工流程計算出制造線形，通過拼接板寬度調(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)計成橋線形；Dc為成橋階段的切線位移；Dy為考慮運(yùn)營階段活載影響的預(yù)拱值。

3.3 橫梁變形計算

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)拱值見表1。

表1 橫梁預(yù)拱度

3.4 壓縮補(bǔ)償量計算

主梁在斜拉索水平分力等荷載作用下，各節(jié)段均會產(chǎn)生軸向壓縮，制造時需對各節(jié)段長度進(jìn)行相應(yīng)的長度補(bǔ)償。由于各節(jié)段制造補(bǔ)償量量值較小，為保證支座安裝時能滿足設(shè)計要求，可采用多節(jié)段一次性補(bǔ)償?shù)姆椒āａ槍δサ堕T水道主航道橋，要求制造保證的部分鋼縱梁累計壓縮補(bǔ)償量見表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)行對稱懸臂拼裝直至邊墩處，過輔墩采用懸臂散拼，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)場實測數(shù)據(jù)表明，索塔區(qū)域進(jìn)行無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)施工實測最大誤差見表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，采用對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，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，吊機(jī)旋轉(zhuǎn)且荷載不對稱，吊機(jī)各支點反力不同，此時懸臂端主梁左右側(cè)產(chǎn)生高差，若采用絕對高程指導(dǎo)安裝控制，施工完成后左右側(cè)會產(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，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、未松勾階段的測量值，即兩者為同一施工工況下的測量值。

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)有限元計算分析，此階段張拉索力不應(yīng)過大，否則在后續(xù)施工時索力被動增大，在鋼梁與橋面板還未疊合時，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)力無法釋放，最終導(dǎo)致鋼梁應(yīng)力較大，材料安全儲備降低，甚至超過設(shè)計容許值。

對于鋼梁安裝完成后累積的誤差，可以通過調(diào)整一張索力的大小消除一部分，原理是此時新拼鋼梁尚未疊合，主梁剛度較疊合后小，索力對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，索力太小會導(dǎo)致掛索時單根鋼絞線索力過小，斜拉索垂度大，鋼絞線與套管貼合而影響穿索，同時可能導(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，主梁會隨溫度升高而伸長，此變化屬于可逆變化；同時由于計算制造線形和制造壓縮補(bǔ)償量時，考慮的是在設(shè)計基準(zhǔn)溫度下成橋階段的累計變化值。在施工過程中，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，而實際制造時已經(jīng)補(bǔ)償，此外由于安裝時溫度并未處于基準(zhǔn)溫度，因而為保證支座的安裝精度，對支座進(jìn)行了預(yù)偏操作，確保施工完成后，在設(shè)計基準(zhǔn)溫度時各支座上下擺能重新對中。

4.5 誤差來源

(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，實際制造時若采用多節(jié)段調(diào)整(即對多個節(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)對理論安裝標(biāo)高進(jìn)行相應(yīng)的修正，在分析誤差時應(yīng)考慮實際制造的頂、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)高誤差會隨著懸臂長度的加長而增大。

(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，全橋溫度場并不均勻，溫度對主梁線形和塔偏會產(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)場采集數(shù)據(jù)時一般不處于設(shè)計基準(zhǔn)溫度的條件下，應(yīng)考慮實測溫差對標(biāo)高和索力的影響。

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

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

4.6 工程實施效果

4.6.1 主梁高程監(jiān)測

成橋狀態(tài)下，通過對全橋主梁高程進(jìn)行實測，通過數(shù)據(jù)分析得出全橋合攏后各節(jié)點實測標(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

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)，施工過程中能傳遞內(nèi)力，確保施工質(zhì)量。合龍口偏差結(jié)果見表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)計要求。

表4 實際合攏高差和設(shè)計合攏高差的對比

4.6.3 主梁軸線偏位監(jiān)測

成橋狀態(tài)下，通過對全橋主梁軸線偏位進(jìn)行監(jiān)測，實測結(jié)果表明，橋梁軸線偏位滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

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)計及規(guī)范要求。

(2)合龍實際線形與理論線形相符，無明顯的折線突變。

5 結(jié)語

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源。洪鶴大橋的施工實踐表明，實測結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好，線形情況與應(yīng)力情況對應(yīng)，結(jié)構(gòu)處于可控狀態(tài)，驗證了上述線形控制方法的有效性。