異型獨塔斜拉橋施工控制與監測分析

吳凱軍

（中交二公局第一工程有限公司，湖北 武漢　430056）

異型獨塔斜拉橋施工控制與監測分析

吳凱軍

（中交二公局第一工程有限公司，湖北 武漢430056）

以某異型獨塔斜拉橋工程為背景，結合理論預測，以及現場實時監測與反饋分析，重點探討了獨塔斜拉橋施工健康的關鍵技術。結果表明：斜拉索索力、橋面線形及結構內力控制較好，成橋后斜拉索實測索力與理論索力相對差在±5.0%以內，實測線形與理論結果相對差在±3.0 cm以內，主梁及塔身實測應力與理論預測結果一致。

獨塔斜拉橋；施工監控；斜拉索索力；橋面線形；內力

0　引言

異型獨塔斜拉橋施工過程較為復雜，影響因素較多，監控過程需實時對相關因素進行討論和修正。一般而言，斜拉索索力的張拉與精確調整是斜拉橋施工成功與否的關鍵，但拉索索力計算參數的確定往往較為復雜，需結合千斤頂標定值和施工階段實際張力值逐根進行修正，才能作為拉索索力監測的依據和基礎。同時，在梁段施工過程中，掛籃變形的離散性較大，在設置各梁段立模高程時，必須結合理論計算與實橋監測結果方能合理確定掛籃變形的大小，一旦掛籃變形與理論預測值相差過大，則極易導致橋梁無法順利合龍。此外，運營階段在混凝土徐變、汽車荷載效應下，預應力混凝土斜拉橋主梁易出現長期下撓現象，實橋控制時需根據類似橋梁經驗，在主梁預拱度設置中考慮成橋預拱度以減小此類情況的影響。因此，獨塔斜拉橋施工監控的目的便是把斜拉橋施工控制的理論和方法應用于該橋實際施工過程，對該橋施工期間的結構內力（索力）和變形狀態進行有力的控制和調整，即根據施工過程中實際發生的各項影響橋梁結構內力（索力）和線形的參數，結合施工過程中監測的斜拉索索力、塔梁變形和內力，跟蹤分析各施工階段中拉索索力、塔梁變形和內力與設計預測值的差異并找出原因，提出修正對策，以協助施工單位安全、優質、高效地進行施工，并確保在橋梁建成以后的結構內力狀態（索力）及線形與設計相符、且滿足相關規范要求［1-4］。

本文結合異型獨塔斜拉橋的構造特點和受力特性，重點研究和探討此類橋梁施工過程中內力（索力）與線形監控的關鍵技術，為此類橋梁的施工提供一定的科學依據。

1　工程概況

某異型獨塔斜拉橋為2×110 m的預應力混凝土雙索面獨塔斜拉橋。主塔為魚形雙柱式塔柱，橫向設置2個塔柱，軸線距離28.0 m；塔柱高度方向分三個區段，承臺以上0 m～39.5 m為混凝土塔柱，承臺以上39.5 m～44.2 m為鋼混結合段塔柱，承臺以上44.2 m～90 m為鋼結構塔柱。主梁采用預應力混凝土實心雙縱梁截面，縱梁中心橫向距離28.0 m，主梁標準寬36.0 m，縱梁中心處梁高2.765 m。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，塔上標準索距2.0 m，梁上索距5.5m，全橋共設2×17對斜拉索，合計68根。設計荷載：公路-I級。主塔混凝土段采用爬模施工法，主梁采用前支點掛籃懸澆施工。

2　理論分析結果

采用Midas Civil有限元分析軟件建立全橋施工階段模型，如圖1所示。主梁和主塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。主梁采用預應力混凝土，主塔采用鋼混組合體系。主梁為肋板截面，其中B1至B7節段縱肋寬度為2 m，B8至現澆段縱肋寬度為3 m，B7至B8段縱肋寬度線性變化（編號與施工圖設計一致）。主梁橫隔板作為施工階段的永久荷載加入，邊墩對整體結構受力影響不大，建模時不予考慮。全橋采用3 698個節點，8 654個單元。依據設計圖紙及設計、施工單位確定的施工工序，進行了前期分析，主要內容包括：（1）施工階段計算模型；（2）斜拉索最優索力的確定；（3）關鍵施工工況的確定；（4）關鍵施工工況的內力（應力）分析；（5）計算結果與設計比對；（6）斜拉索初始張拉力確定與預拱度梁段預拱度設置。

圖1　某異型獨塔斜拉橋理論分析模型示意圖

2.1斜拉索最優索力的確定

根據設計文件確定的總體施工方法進行詳細優化分析，確定每一階段的最優索力使得結構在施工過程，以及成橋之后均有較好的受力狀態和線形。由于索力較小的變化就會在主梁中引起較大的內力（或應力）的變化，而索力本身又有一定的變化寬容度（即最大最小索力確定的索力允許變化范圍），因此，索力可作為成橋目標中受力的調控手段。斜拉索最優索力的確定采用前進和倒退分析交互迭代法進行。依據施工階段計算模型的分析結果，確定斜拉索各次張拉的張拉力、張拉次數和張拉次序。全橋采用分次到位法實施斜拉索的張拉與調整，以期與設計成橋索力一致，并使施工各節段的內力較為合理，梁、塔的受力處于大致平衡的狀態。主梁呈雙懸臂狀態，各斜拉索均采用三次分期分批對稱張拉，此過程以主梁高程控制為準；合龍后，即對S1、S2、S16、S17拉索索力進行調整，調整次序為S17、S16、S1、S2；二期恒載施工完畢后，對全橋斜拉索索力依次進行調整，調整次序為S1至S17順序張拉。最終，確保成橋后的預測索力與設計索力偏差在容許范圍內。據此，表1給出了計算模型中各斜拉索最優索力及與成橋索力的誤差比較結果。

2.2梁段預拱度設置

在斜拉橋主梁的澆筑過程中，梁段立模高程的合理確定，是關系到主梁線形是否平順、是否符合設計的一個重要問題。表2為異型獨塔斜拉橋主梁各控制點預拱度設置表。

表1　各斜拉索的張拉力及與成橋索力的誤差表　kN

3　施工監控結果

3.1斜拉索索力

圖2為二期恒載施工完畢斜拉索實測索力分布及與理論索力、設計索力比較柱狀圖。由圖2可知：（1）二期恒載施工完畢后，全橋斜拉索索力分布規律與理論索力非常吻合，實測索力與理論索力相對差均在±5.0%以內。（2）索力測試階段盡管橋面鋪裝施工完畢，但管線、照明等設施未施工（荷載約15 kN/m），實橋二期恒載重量與設計相比偏小，但其對斜拉索索力影響不太顯著，全橋斜拉索實測索力與設計索力較吻合，相對差基本在± 5.0%以內。（3）同一索號拉索索力對稱、均衡，除個別拉索外，實測索力相對差基本在±3.0%以內。

表2　主梁預拱度設置值表

圖2　二期恒載施工完畢斜拉索實測索力分布及與理論索力、設計索力比較柱狀圖

3.2橋面線形

全橋二期恒載施工完畢后，對主梁橋面高程進行復測，測點布設于主橋頂面橋面中線距中央分隔帶10 cm處，每個截面設1點，共18點，測點布置參見圖3所示。運營階段在混凝土徐變、汽車荷載效應下，預應力混凝土斜拉橋主梁易出現長期下撓現象；根據類似橋梁監控經驗，可在主梁預拱度設置中考慮成橋預拱度以減小此類情況的影響。圖4為二期鋪裝完畢后橋面高程實測結果與理論值比較圖。結果表明：二期鋪裝完畢后橋面高程實測值較理論值較接近，各截面橋面高程實測與理論值的誤差基本小于2.0 cm，在相關規范的容許范圍之內。

圖3　二期鋪裝完畢后橋面高程測點布置示意圖

圖4　二期鋪裝完畢后橋面高程實測結果與理論值對比曲線圖

3.3結構內力

從主梁懸臂澆筑到合龍后第四次調索完畢等施工階段，均對應力傳感器進行了跟蹤測試，測試應力與計算應力的結果比較如圖5所示。結果表明：（1）梁體應力狀態良好，與理論計算值基本接近。（2）整個施工過程基本安全，未出現異常狀況。

圖5　二期鋪裝完畢后主梁頂板應力實測結果與理論值對比曲線圖

4　對影響結構線形因素的討論

4.1掛籃變形

精確確定掛籃變形的大小對主梁立模高程的確定至關重要，掛籃變形的偏差越大，成橋后主梁線形的偏差也越顯著。主梁懸臂澆筑的前幾個節段，監控單位協同施工單位對拉索張拉后、混凝土澆筑后的掛籃變形均進行了監測，結果表明：各梁段在施工過程中掛籃變形的離散性較大，除少數節段外，斜拉索第1次張拉后掛籃變形平均值大致在2.6～6.3 cm，混凝土澆筑前后（含拉索第2次張拉）掛籃變形平均值大致在-2.0～-5.5 cm。相對而言，每個節段從斜拉索第1次張拉至混凝土澆筑完畢掛籃監測點高程變化大致在-1.0～1.3 cm。因此，在給定每個梁段的立模高程時，可重點參考上述監測結果設置掛籃變形值。

4.2溫度

由于斜拉橋跨度不大，當梁段懸臂長度較短時，溫差對梁段立模高程的影響也較小。但為更好地指導施工，監控組對溫差與線形關系進行實測，并對主梁的立模高程予以適當的修正，同時，盡量選取溫度較恒定的時段進行測量，以減少日照溫差的影響。

4.3計算模型

斜拉橋計算分析的關鍵是懸臂澆筑時拉索第三次索力，以及各梁段坐標的準確確定。由于拉索索力、梁段定位坐標受諸多因素的影響，因此必須采用現場實測參數對計算模型進行反復修正，最終得出準確的索力張拉值和梁段立模坐標，使成橋狀態下的斜拉橋內力（索力）、線形滿足設計要求。

4.4施工過程的影響

在施工過程中，影響拉索索力、梁體線形的因素很多，主要包括掛籃變形理論預測與實際偏差、臨時荷載偏差、混凝土澆筑方量偏差、施工單位工作基點沉降等。在實際施工過程中，監控組根據現場情況，和施工單位一起對掛籃變形進行了監測確定，并通過對混凝土澆筑方量的統計分析，對拉索索力、立模高程進行了調整，最大限度地消除了施工過程對梁體內力（索力）和線形的影響。

4.5混凝土徐變的影響

由于贛江二橋主橋為獨塔斜拉橋，大橋結構及施工過程基本對稱，因此，在施工階段，由于施工齡期差引起的混凝土徐變變形理論預測與實際結果偏差很小，基本可以忽略。但成橋后，在長期運營階段，梁段會產生長期下撓現象，可能導致拉索索力變化顯著、混凝土梁段底緣開裂等情況，為盡可能地消除此種不利影響，在主梁立模高程的確立時通過設置成橋預拱度予以相應考慮。

5　結　論

（1）二期恒載施工完畢后，全橋斜拉索索力分布規律與理論索力非常吻合，實測索力與理論索力相對差均在±5.0%以內。

（2）二期鋪裝完畢后橋面高程實測值與理論值較接近，各截面橋面高程實測與理論值的誤差基本小于2.0 cm，在相關規范的容許范圍之內。

（3）梁體應力狀態良好，與理論計算值基本接近。

（4）在各梁段施工過程中，掛籃變形的離散性較大，在給定每個梁段的立模高程時，可重點參考上述監測結果設置掛籃變形值。

（5）在主梁立模高程的確立時，可通過設置成橋預拱度予以相應考慮。

［1］范立礎.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］黃繩武.橋梁施工及組織管理［M］.北京：人民交通出版社，1992.

［3］向中富.橋梁施工控制技術［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］王衛鋒，韓大建.斜拉橋的索力測試及其參數識別［J］.華南理工大學學報，2001，（1）.

U445

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1009-7716（2016）07-0212-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.061

2016-04-21

吳凱軍（1979-），男，湖北武漢人，工程師.從事公路、橋梁工程施工、管理工作。