波形鋼腹板矮塔斜拉橋的施工線形監控

楊福生 黃 鑫 張 坤 苗戰濤

(1.中建交通建設集團有限公司，北京 100142； 2.河南省公路工程試驗檢測中心有限公司，河南 鄭州 450000)

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波形鋼腹板矮塔斜拉橋的施工線形監控

楊福生1黃 鑫1張 坤1苗戰濤2

(1.中建交通建設集團有限公司，北京 100142； 2.河南省公路工程試驗檢測中心有限公司，河南 鄭州 450000)

介紹了波形鋼腹板矮塔斜拉橋施工監控的內容和方法，以朝陽溝特大橋為例，通過Midas Civil有限元軟件，對全橋進行了施工全過程仿真計算，并闡述了該橋梁的線形監控措施，使成橋后的線形滿足了規范要求。

斜拉橋，波形鋼腹板，線形監控，仿真計算

1 概述

波形鋼腹板斜拉橋成橋狀態線形的影響因素復雜，為確保橋梁施工成橋后的線形符合預期要求，需對斜拉橋的每一個施工階段進行詳盡分析、驗算。在求得主梁撓度、塔柱位移等施工控制參數的理論計算值后，對施工順序做出明確規定，在施工中加以有效的管理和控制，確保斜拉橋在施工過程中的變形始終處于安全的范圍內，成橋后主梁的線形符合預先的期望。本文以朝陽溝特大橋為例，結合仿真分析進行施工監控，使成橋后的線形滿足設計及規范要求。

2 監控內容及監控方法

2.1 監控內容

本文僅進行主梁標高和塔柱變位觀測，考慮混凝土收縮、徐變、溫度變化等引起的標高變化，保證竣工成橋時結構的線形與設計成橋狀態保持一致。

2.2 監控方法

施工監控采用自適應控制方法來指導施工監控工作，通過施工過程的反饋測量數據不斷更正用于施工控制的跟蹤分析程序的相關參數，使計算分析程序適應實際施工過程。

1)結構施工前期分析。對每一工況進行有限元理論分析，精確模擬施工全過程，獲得結構各施工階段的期望狀態，給出各施工過程中變形的期望值，在此基礎上進行施工誤差靈敏度分析，確定各施工步驟的允許誤差及誤差出現后的位移調整方案。

2)變形跟蹤測量。根據前期分析結果和主橋實際的施工情況，對每一個節段的變形控制點進行變形測量。

3)現場測試與現場計算分析調整。根據施工過程中位移控制點的現場跟蹤測量，對測量結果與模型計算結果進行對比分析，對出現超過規范規定的誤差，分析誤差出現的原因，確定調整誤差的措施，調整后續的施工要求。施工監控工作流程圖如圖1所示。

3 施工控制仿真分析

3.1 仿真計算分析方法

采用橋梁結構分析軟件Midas Civil對全橋施工階段全過程進行仿真計算，得出各種荷載作用下橋梁各構件的變形，結合實際監測數據和其他施工測試參數進行參數識別與調整。經多次迭代予以修正后，獲得每個階段的控制高程。

3.2 建立計算模型

計算模型是仿真分析計算和校核的基礎。對全橋結構進行離散，對各離散單元賦予計算參數，進行全橋的施工過程分析，得到整個施工過程的計算模型。

3.2.1 桿系單元基本假定

1)波形鋼腹板與箱梁頂、底板混凝土共同工作，不發生相對滑移或剪切連接破壞；箱梁整體受力，縱向彎曲受力時，斷面的平截面假定成立；2)由于波形鋼腹板的褶皺效應，縱向彎曲時波形鋼腹板不承受縱向力(拉、壓力)；3)縱向彎矩由混凝土頂、底板承受，剪切由波形鋼腹板承受，且剪應力沿梁高方向均勻分布。

3.2.2 波形鋼腹板截面等效

1)截面承彎只考慮頂、底板混凝土的作用，忽略波形鋼腹板對截面的貢獻；2)頂、底板混凝土不承受剪力，剪力完全由波形鋼腹板承擔；波形鋼腹板根據剪切彈性模量等效為混凝土腹板；3)內襯混凝土段波形鋼腹板等效為混凝土腹板。

3.2.3 計算參數選取

仿真分析計算模型中，主梁頂、底板混凝土均采用C55，主塔采用C50；鋼材采用Q345D鋼材；預應力鋼筋采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線。

3.2.4 計算荷載

本橋施工階段荷載主要為恒荷載，包括結構自重、混凝土收縮徐變效應、二期恒載及預應力。

3.2.5 結構模型

桿系模型采用Midas Civil進行建模，主梁采用梁單元進行模擬，波形鋼腹板等效為混凝土腹板，主梁380個單元，斜拉索104個單元。階段按結構特點及懸臂施工流程進行劃分，共66個施工階段。橋梁按曲線橋模擬，曲線半徑3 900 m，有限元模型如圖2所示。

3.2.6 施工流程及施工階段劃分

根據施工總體步驟以及現場施工情況，全橋劃分484個單元，劃分為65個施工階段和1個運營階段。每個塊段的懸澆過程分為：掛籃就位與立模→混凝土澆筑→張拉預應力筋與拆模→掛籃前移4個受力階段。

3.3 仿真分析計算結果

通過對模型進行仿真計算，得到箱梁累計位移和索塔偏位計算結果。

4 線形監控

4.1 線形監控流程

對實測狀態與原定理想狀態進行對比分析，濾除隨機誤差并進行參數識別和調整，對結構計算模型相關數據進行修正，重新進行模型計算，從而對原定理想狀態進行修正得到新的理想狀態，據此預告下階段位移控制值和立模標高。

4.2 測點布置

每個梁段前端設一個測試斷面，每個斷面的高程設置點如圖3～圖5所示。各測點距離箱梁中心的間距見表1。

表1 高程測點距離箱梁中心距離

m

4.3 線形監控成果分析

4.3.1 懸臂澆筑階段線形成果分析

懸臂澆筑階段主梁階段劃分示意圖如圖6所示。本橋主梁劃分為18個梁段進行施工。

1)P2墩高程監測數據分析。a.混凝土澆筑前后變形實測值與理論值最大偏差為1.7 cm，其中偏差±1 cm內梁段數為28個，占總數82.5%。b.鋼束張拉前后變形實測值與理論值最大偏差1 cm，斜拉索張拉前后變形實測值與理論值最大偏差1 cm，變形符合線形監控要求。c.P2墩各梁段梁底實測標高與理論標高最大偏差為1.8 cm，其中偏差±1 cm內梁段數為28個，占總數73.8%。總體梁底線形基本平順，滿足監控要求。

2)P3墩高程監測數據分析。a.混凝土澆筑前后變形實測值與理論值最大偏差為1.7 cm，其中偏差±1 cm內梁段數為27個，占總數79.4%。b.梁段鋼束張拉前后變形實測值與理論值最大偏差1 cm，梁段斜拉索張拉前后變形實測值與理論值最大偏差1.1 cm，變形滿足監控要求。c.P3墩各段梁底實測標高與理論標高最大偏差為1.8 cm，其中偏差±1 cm內梁段數為29個，占總數76.3%。總體梁底線形基本平順，滿足監控要求。

4.3.2 頂推階段合龍口頂板位移結果分析

頂推過程中對合龍口兩側箱梁頂板進行實時監測，得到合龍口的軸向和豎向位移。在每個合龍口兩側的箱梁頂板上各布置3個測釘，其中1個測釘在箱梁中心，另外2個測釘分別在1號和4號箱室中間，如圖7所示。

由合龍口軸向位移結果可知：1)加配重后，懸臂端理論變形3.2 cm。實測P2墩小里程18號塊各測點最大下撓3.9 cm，平均下撓3.6 cm；P2墩大里程18號塊各測點最大下撓4.7 cm，平均下撓4.6 cm；P3墩小里程18號塊各測點最大下撓5.3 cm，平均下撓5.1 cm；P3墩大里程18號塊各測點最大下撓4.7 cm，平均下撓4.6 cm。2)頂推完成后P2墩小里程18號塊各測點最大下撓0.8 cm，平均下撓0.5 cm；P2墩大里程18號塊各測點最大上拱4.4 cm，平均上拱4.2 cm；P3墩小里程18號塊各測點最大上拱5.6 cm，平均上拱5.4 cm；P3墩大里程18號塊各測點最大下撓2.6 cm，平均下撓2.5 cm。3)頂推完成后，P1-P2合龍口各測點軸向間距最大減小1.9 cm，平均減小1.8 cm；P2-P3合龍口各測點軸向間距最大增大6.4 cm，平均增大6.4 cm；P3-A4合龍口各測點軸向間距減小3.6 cm，平均減小3.5 cm。

由此可見，在頂推過程中，合龍口頂板各測點位移變化量與理論值基本相當，且變化趨勢與理論值一致。

4.3.3 頂推完成后合龍口底板標高結果分析

合龍口底板標高是檢驗合龍線形的重要參考依據，合龍口的每個斷面底板分別測量4個數據，測點的位置為12號～15號測點，取各個測點的平均值作為合龍口底板的實測高程。

由監測結果可知：3個合龍口底板實測高差與理論高差最大相差-1.4 cm，位于大里程邊跨合龍口，合龍誤差滿足監控要求。

4.3.4 成橋橋面高程結果分析

對全橋合龍完成后的體內束張拉、體外束張拉和斜拉索調索等關鍵工況下的全橋箱梁頂面高程進行測量。成橋橋面高程測點沿主梁縱向布置；測點在橫斷面上布置在護欄和箱梁中心線附近。1)體內束張拉完成后橋面高程結果分析。體內束張拉完成后橋面實測高程與預計高程平均相差0.4 cm，符合橋梁線形施工監控精度要求的測點占總測點的80%，滿足線形要求。2)體外束張拉完成后橋面高程結果分析。根據體外束張拉完成后橋面高程測量數據，符合橋梁線形施工監控精度要求的測點占總測點的84.2%，滿足線形要求。3)斜拉索調索完成后橋面高程結果分析。

根據斜拉索調索完成后橋面高程測量結果，斜拉索調整完成后關鍵截面橋面實測高程與預計高程平均相差0.4 cm，符合橋梁線形施工監控精度要求(±20 mm)的測點占總測點的83.3%，說明斜拉索調整完成后關鍵截面處的橋面線形良好。

5 施工監控結論

本橋施工通過數據采集和計算機處理，實現了施工期間的全過程監控。在懸臂澆筑階段，懸臂梁段變形和箱梁高程基本符合橋梁線形施工監控要求；頂推階段合龍口底板標高符合橋梁線形施工監控精度要求；體內束、體外束張拉完成后，橋梁線形滿足規范要求。

該橋施工監控實踐表明，大跨度橋梁進行施工期間的全過程監控是十分必要的。該橋施工監控的成功經驗也為今后類似橋梁的施工監控提供了良好的借鑒。

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On linear monitoring of corrugated steel web plate of short tower cable-stayed bridges

Yang Fusheng1Huang Xin1Zhang Kun1Miao Zhantao2

(1.ChinaConstructionCommunicationsENGRGGroupCorp,Ltd,Beijing100142,China; 2.HenanRoadEngineeringTestDetectionCenterCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper introduces the content and method for the monitoring corrugated steel web plate of short tower cable-stayed bridges, undertakes the whole-process simulation calculation with Midas Civil finite element software by taking Chaoyanggou Super-large Bridge as the example, and illustrates the linear detection measures of the bridge, so as to ensure the linear of the bridge to meet the regulations.

cable-stayed bridge, corrugated steel web plate, linear detection, simulation calculation

1009-6825(2017)02-0160-03

2016-11-03

楊福生(1978- )，男，高級工程師

U448.27

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