結合施工控制進行大跨度斜拉橋設計優化

陳 湛 榮

(佛山市城市規劃勘測設計研究院，廣東 佛山 528000)

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結合施工控制進行大跨度斜拉橋設計優化

陳 湛 榮

(佛山市城市規劃勘測設計研究院，廣東 佛山 528000)

以佛山石灣特大橋主橋為例，介紹了矮塔單索面混凝土斜拉橋的施工控制措施，并對該橋進行了全過程設計跟蹤，探討了此類橋型在設計中的注意事項，為以后同類橋型設計優化提供依據。

斜拉橋，箱形梁，有限元法，彈性模量

1 工程背景

該工程是325國道改線段的重要組成部分。采用一級公路兼城市快速路功能設計，石灣特大橋主橋跨徑布置為90.5 m+150 m+90.5 m，全長331 m。橫向布置為0.5 m(防撞護欄)+14.25 m(行車道)+4 m(中央分隔帶)+14.25 m(行車道)+0.5 m(防撞護欄)，全寬33.5 m，雙向八車道，設計車速：80 km/h，橋梁設計荷載：公路—Ⅰ級，抗震設防烈度：7度，截面為單箱三室變高度預應力混凝土箱梁。主橋采用懸臂澆筑法施工，采用墩梁臨時固結措施。主橋橋型布置見圖1。

2 施工控制方法

該橋采用自適應控制方法進行施工控制，當現場施工的橋梁結構與仿真計算模型的理論結果有差異時，先通過參數識別理論，識別出誤差數據，根據此數據調節計算模型的參數，使模型的理論結果與現場測量結果一致，以此模型重新計算各施工階段節段的理想狀態。經過反復識別后的仿真模型就是用于指導施工的有效計算模型，從而對施工過程進行有效的指導。

3 有限元計算模型

施工控制初期，必須對石灣特大橋各施工階段進行內力、應力和變形的計算，施工控制的初始數據就是從初始仿真計算模型中整理所得。該橋分別用MIDAS/CIVIL、橋梁博士兩套梁單元計算程序、MIDAS/FEA實體單元計算程序進行仿真分析，并對三向預應鋼筋的作用進行了局部計算。計算模型見圖2。

4 立模標高的計算

混凝土懸澆梁橋施工控制數據中，立模標高的確定是主要的環節。從仿真模型中提取出施工預拱度，經過參數識別后，得出與實際吻合的施工預拱度，此施工預拱度就構成了理論預拱度的重要組成部分。理論預拱度由施工預拱度和成橋預拱度兩部分組成。其中施工預拱度主要是懸澆梁節段累計位移的反拱；成橋預拱度包括活載及運營階段收縮徐變等引起位移的反拱。

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其中，向下變形取正值，向上變形取負值。f立為立模標高；f設為設計標高；f累計為梁段自身及后續梁段施工對該節段高程引起的累計位移；f掛為掛籃引起的位移，包括掛籃自重和掛籃彈性變形引起的位移量，若支架施工，則為支架變形量；f二為二期恒載引起的位移；f收徐10為混凝土收縮徐變引起的位移，按10年計算；f收徐為施工節段收縮徐變引起的位移；f活為活載引起的位移；f預為張拉預應力引起的位移；f斜為張拉斜拉索引起的位移。除此以外，若日照溫差較大，且需要在烈日下進行立模操作，則必須計入日照溫差的影響。

5 索力張拉控制

在施工階段，索力張拉以控制標高、線形為主，兼顧應力。佛山石灣特大橋斜拉索采用預應力鋼絞線，采取獨根張拉鋼絞線的方式，給施工、監控及索力的采集帶來了不少困難。對此，除配合施工單位控制單根鋼絞線的錨下應力外，同時通過索力動測儀測試斜拉索的頻率，以雙控的方法盡可能達到設計所期望的索力值。石灣特大橋主橋施工控制過程中，斜拉索索力均能控制在5%以內。

6 溫度變化對標高的影響

施工監控前期，將根據以往橋梁監控的經驗預估溫差對標高的影響值，后期將對石灣特大橋進行連續的標高監測，捕獲到日照溫差對石灣特大橋的影響量值，以指導石灣特大橋后續的施工以及為日后其他類似橋梁的設計提供參考數據。表1及圖3為標高隨著一天的時間、溫度的變化情況。

表1 最大懸臂狀態下主梁溫度—高程測量數據表

從表1，圖3可以看出，當懸臂階段較大時，日照溫差對主梁變形較大，以石灣特大橋主橋為例，最大懸臂階段，日照溫差引起主梁梁端變形量達2 cm。

7 參數識別

施工過程中，較多設計參數與理論值存在差異，此種差異是引起施工誤差的主要因素之一。因此，施工控制中，通過測量數據的收集，以此作為參數識別的數據支撐，識別出來較真實的參數后，對初始仿真計算模型進行修正，使實際結構狀態與理論仿真計算相吻合，以此指導施工。通過現場試驗數據可知，石灣特大橋上所用混凝土7 d彈性模量已經超過理論彈性模量3.6×104MPa的水平，28 d彈性模量超過理論彈模約31%。由于彈模的增大，導致主梁實際剛度比理論剛度偏大，必然導致實際發生的主梁變形比理論值小。為了更好的控制主梁線形，根據主梁變形的測量數據及實驗彈性模量值進行參數識別，修改模型的計算參數。下面針對石灣特大橋施工至8號塊節段澆筑完畢，進行的參數識別進行舉例論述。將彈性模量增加1%，節段端部中軸線底板處的變形變化量見表2，表3。

表2 節段端部中軸線底板處的變形變化量 m

表3 節段實測標高與理論標高的差值 m

θ=(φTρφ)-1φTρY=

所以經過參數識別可知，石灣特大橋在8號塊澆筑完成前后一段時間內，計算模型中采用彈性模量為3.618×104MPa，可使得施工控制達到良好的效果。在后續懸澆梁的施工中，及時對仿真計算模型進行參數識別、修正，使得全橋控制效果良好。經過參數識別及數據分析，石灣特大橋全橋施工過程，在計算型中采用彈性模量為3.618×104MPa，達到了很好的線形控制效果。

8 結語

石灣特大橋合龍效果非常好，邊跨合龍段和中跨合龍段的變形結果實測值與理論值基本一致，中跨合龍段合龍前高差僅9 mm，合龍精度較高，完全滿足規范的要求。各個節段控制點的梁底實際標高值與預計的標高基本一致，最大相差都在2 cm以內。邊跨合龍段和中跨合龍段的應力結果實測值跟理論值基本一致。合龍后通測橋底標高誤差控制在2 cm以內。各階段施工中斜拉索索力張拉比較到位，都控制在5%以內，且全橋合龍后通過二次調索，使斜拉索索力滿足全橋合龍后斜拉索索力的設計要求。經過對石灣特大橋主橋施工控制數據采集以及全過程設計模型優化，取得了同類型矮塔單索面混凝土斜拉橋的大量數據，并結合以往相關橋梁的數據采集，得出以下一些對同類型橋梁的相關設計指導思想：

1)荷載、材料參數、截面尺寸等對斜拉橋的內力效應影響較明顯，在施工前盡可能的與施工單位落實實際荷載大小、模板型號、掛籃尺寸、混凝土容重、鋼材容重等參數，并對設計進行優化；

2)在設計階段需考慮截面日照溫差對主梁變形的影響，提出對施工單位的要求；

3)對于某些較復雜的設計參數，例如彈性模量，需要根據施工階段的實測數據，利用參數識別理論進行參數識別，并對原設計模型中采用的理論參數進行優化，以達到優化設計的目的。

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The design optimization of long span cable-stayed bridge combining with construction control

Chen Zhanrong

(FoshanUrbanPlanningSurvey&DesignInstitute,Foshan528000,China)

Taking the Foshan Shiwan bridge as an example, this paper introduced the construction control measures of low tower single cable plane concrete cable-stayed bridge, and made whole process design tracking, discussed the precautions in this kind of bridge design, provided basis for future same type bridge design optimization.

cable-stayed bridge, box girder, finite element method, elastic modulus

1009-6825(2016)20-0187-02

2016-05-08

陳湛榮(1980- )，男，工程師

U448.27

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