某斜拉橋施工監控技術

王偉濤， 楊成龍， 楊永清

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

斜拉橋屬高次超靜定結構，其成橋狀態與施工方法息息相關，為確保施工過程中斜拉橋的結構內力和變形狀態始終處在安全、合理的范圍內，且成橋后主梁線形逼近設計預期的理想線形，結構本身處于最優的受力狀態，必須在施工過程中進行嚴格的施工控制[1]。

本文通過對西南大橋施工過程的線形、應力、索力進行控制，使得施工過程中的結構變形和內力狀態始終處在安全、合理的范圍內，且成橋后主梁線形逼近設計的理想線形。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西貴港市西南大橋為雙塔雙索面預應力混凝土梁邊主梁斜拉橋，橋梁總長為548 m，橋面寬為36.5 m，橋跨組成為：(46+88+280+88+46) m(圖1)。主塔采用弧線形門式框架鋼筋混凝土結構，主梁采用等高度帶懸臂的矩形邊主梁結構，斜拉索采用現場組裝的鍍鋅鋼絞線體系，全橋共136根斜拉索，塔根處35 m范圍及邊跨45.88 m壓重范圍內主梁采用支架澆注法施工，其余部分采用牽索掛籃懸臂澆注，主梁施工中先合龍邊跨，后合龍主跨。

圖1 西南大橋主橋結構布置(單位：m)

1.2 監控內容

本次橋梁監控的主要任務是對斜拉橋施工全過程實施控制，根據實際的施工工序以及現場獲取的參數和數據，對橋跨結構進行實時理論分析和結構驗算，以主梁線形控制、主梁應力控制和索力控制為重點[2-3]，同時做好橋塔應力和線形的監測與控制。

主梁線形(標高和撓度)的控制：通過現場實時監測和施控實時計算及誤差調整，確定合理的施工預拱度和主梁立模標高，確保大橋順利合龍及成橋線形順暢準確。

全橋結構各部應力的控制：根據本橋特點通過結構先期計算確定合理的測點布置方案，能充分反映全橋施工各階段的內力變形狀態和最不利控制斷面的應力水平。

全橋索力的控制：主要分為兩個部分，第一步是在懸臂澆筑施工過程中，控制索力的大小并且測量結構變形；第二步是在全橋合龍并在二期恒載鋪設之后，對索力進行調整張拉到設計值，通過對索力的張拉，調整橋面的線性與結構受力。

2 施工控制實時監測

施工控制的實時監測是在施工的每一階段或工序對結構的應力變化和撓度變化情況等進行同步觀測，以給施工控制實時計算提供實測數據，進而與計算預測值作比較，并為狀態修正提供依據。

2.1 線形控制

主梁梁段的高程測點在梁段的鋼筋綁扎階段進行預埋(圖2)。測點為φ16鋼筋，牢固定位于頂板鋼筋骨架上。結合西南大橋的結構特點及施工控制要求，其主梁每個懸澆節段梁頂對稱布置三個標高測點。在每個零號塊件頂面布置高程觀測點，布置0#號塊高程觀測點是為了控制頂板的設計標高，同時也作為以后各懸澆節段高程觀測的基準點。

圖2 標高測點布置示意

主梁的線形監測以線形通測和局部梁段標高測量相結合。局部梁段測量范圍為當前施工梁段及該梁段前已完工的3～5個梁段。主梁線形通測每間隔大約5個梁段進行一次，以及在結構體系轉換等關鍵施工階段進行。

2.2 應力檢測

應力監測通過在主梁、主墩的控制斷面處布設應力測試元件，以觀測在施工過程中這些截面的應力變化和應力分布情況。

2.2.1 主梁應力測點布置

邊跨主梁應力監測截面布置在邊跨跨中、邊跨輔助墩位置及邊跨1#塊根部，兩個邊跨共布置應力監測截面8個，每個截面布置10個測點，頂板6個、底板4個，邊跨共有測點80個；中跨主梁應力監測截面布置在1#塊根部、L/4附近及跨中，中跨共布置應力監測截面5個，每個斷面布置10個測點，頂板6個、底板4個，中跨共有測點50個(圖3)。

圖3 主梁應力監測斷面縱向布置示意

2.2.2 索塔應力測點布置

索塔應力監測截面布置在下塔柱底部和中塔柱底部，全橋共4個索塔應力監測截面，每個監測截面布置8個測點，共32個測點。索塔應力測點布置，現場埋設根據實際情況進行相應的調整。

橋塔變形監測采用全站儀進行監測，在索塔施工封頂完成后，索塔左右塔柱頂各設4個測點(圖4)。測點位置選在塔頂便于觀測的可靠位置處。塔偏位在每根斜拉索按施工張拉索力張拉完成后測量。

圖4 監測斷面測點布置示意(單位：cm)

2.3 索力控制

斜拉索力的監控內容主要有斜拉索施工張拉時張拉力的控制，各斜拉索張拉前后各已施工斜拉索索力的測量以及成橋時各斜拉索索力的測量與控制。斜拉索施工張拉時張拉力的控制主要用張拉斜拉索的千斤頂的油壓表的數值進行控制，已有斜拉索力的采用頻率法進行測量，對施工過程中出現的斜拉索力實測值與計算值的偏差及時分析原因，采取必要的調整措施[4]。

3 施工進程中施工模擬的結構實時分析

橋梁施工控制的目的就是使施工與設計盡可能一致。在橋梁的設計計算中通常會采用一些預設或假定的參數用于計算，并不一定完全真實地反映當前橋的實際施工情況。

西南大橋施工控制計算模型和計算參數隨著施工進程進行了多次調整，以反映和指導新的施工狀況。最終結構計算圖式(圖5)，最大懸臂階段結構計算圖式(圖6)。

圖5 結構整體計算模型示意

圖6 單T構最大懸臂狀態結構模型示意

西南大橋主梁預拱度通過各懸臂施工梁段的立模標高而得到實施，設置值按施工期主梁撓度、竣工后一段時間(考慮10 a)的混凝土收縮徐變撓度及1/2活荷載靜撓度，相加取反號而得。施工期主梁撓度主要包括懸臂施工主梁自重撓度、預加力主梁撓度、體系轉換和二期恒載撓度及施工期混凝土收縮徐變撓度等[5]，主梁整體預抬高值情況如圖7所示。

圖7 主梁整體預抬高值 (單位：m)

3.1 橋跨合龍控制的實現結果

3.1.1 合龍精度控制成果

全橋各個合龍段施工作業前均對合龍口兩懸臂端的標高值進行了連續觀測，圖8、圖9給出各合龍段施工時的標高實測結果。從圖中所示誤差數據看出，橋跨合龍精度得到了很好的控制，3個合龍段中合龍段的合龍誤差均在15 mm以內，合龍誤差最大的合龍段的合龍誤差為13 mm，達到了控制目標結果，滿足控制目標要求(±15 mm以內)。主梁軸線基本無偏差。合龍后主梁線形順暢。

圖8 3#、4#橋塔邊跨合龍口合龍誤差(單位：m)

圖9 中跨合龍口標高及合龍誤差 (單位：m)

3.1.2 橋面高程階段性控制成果

為了掌握已完成主梁施工梁段頂面的實際線型狀況，在節段施工至9#節段完成時，施工單位的配合下對橋面標高情況進行了通測，且將實測數據匯總并與理論標高值進行了對比，各節段誤差比較結果見圖10、圖11。分析可以看出，大部分控制斷面主梁上下游高程測點平均值偏差都在-3.0～ 3.0 cm范圍內，滿足控制目標要求(±S/2500=±3.5cm，S為懸臂長度)。但其中3#墩8#節段偏差較大(最大偏差可達3.8 cm)，分析其原因是因為主梁梁頂不平造成。針對這一情況，監控方提出建議是，在二期恒載施工過程中及時補上所缺厚度。

圖10 3#橋塔橋面實測與理論值比較(11#節段張拉后) (單位：m)

圖11 4#橋塔橋面實測與理論值均值差比較(9#節段張拉后) (單位：m)

3.2 施工過程沿程應力監控的實現結果

在對西南大橋2個主梁根部(0#塊端部)斷面、邊跨5#塊根部斷面及中跨9#塊端部斷面的沿程應力實測值與理論值對比分析，全橋的實測應力結果與監控計算結果基本吻合，結構內力情況較理想，處于安全狀態。0#塊監測斷面、邊跨5#塊監測斷面及中跨9#塊監測斷面實測最大應力分布情況如圖12、圖13所示。

圖12 0#塊監測斷面實測底板最大拉應力(及頂板最大壓應力)值 (單位：MPa)

圖13 邊跨5#及中跨9#監測斷面實測底板最大拉應力(及頂板最大壓應力)值 (單位：MPa)

整個施工過程中主梁根部0#塊監控斷面頂板法向最大壓應力為-12.53 MPa，小于規范限值[6]=0.70×(-32.4) =22.68MPa；底板未出現拉應力，結構處于安全狀態。

整個施工過程中主梁邊跨5#塊監控斷面及中跨9#塊監測斷面頂板法向最大壓應力為-12.75 MPa，小于規范限值=0.70×(-32.4)=22.68MPa；底板未出現拉應力，結構處于安全狀態。

3.3 索力監控的實現結果

全橋合龍以后，跟蹤控制與監控了調索階段的索力變化，調索完成后，對成橋索力進行了全面測量，并將實測值與理論值進行比較分析，對成橋(主梁竣工)索力進行誤差評定。監測結果表明：除少數幾根索索力偏差稍大外(±5 %～±6 %之間)，其余索力偏差均在±5.0 %以內，均足設計要求[7]，理論值與實測值誤差對比見圖14、圖15。

圖14 3#、4#橋塔S1～S17調索完成實測索力與理論索力誤差對比

圖15 3#、4#橋塔C1～C17調索完成實測索力與理論索力誤差對比

4 成橋狀態的控制實現結果

調索完成后，對全橋橋面高程進行了測量，平均誤差見圖16所示。實際測量結果表明成橋狀態橋面標高總體控制情況較好，線形較為順暢，誤差在(-2.6～7 cm)之間，滿足控制目標要求(±L/4 000=±7 cm，L為跨度)。

圖16 調索完成后實測線形與理論值誤差對比(單位：m)

5 結束語

(1)西南大橋的設計、施工和控制是成功的，其成橋狀態可滿足全橋在運營階段的各項要求，結構安全，線形順暢，造型美觀。

(2)整個施工過程中，該橋的預拱度計算及掛籃變形值的預測是精確的；實測橋梁變形值與理論值吻合良好，主梁控制斷面上下游高程測點實測平均值與理論計算值偏差在控制目標范圍內。

(3)應力實測數據表明，全橋施工過程中的實測應力結果與監控計算結果基本吻合，結構內力較理想，處于安全狀態。

(4)調索完成后，索力總體偏差在設計允許范圍之內，達到控制目標結果。

(5)橋跨合龍精度較好，達到了控制目標結果；主梁軸線基本無偏差；合龍后主梁線形順暢。

(6)懸臂施斜拉橋的主梁線形的調控手段相對有限，必須依靠施工監控測試數據對主梁預拱度和梁段立模標高作出盡可能準確的預測，以保證橋跨順利合龍及橋面線形順暢。

(7)通過西南大橋的施工控制工作，為實際了解大跨度斜拉橋的結構行為提供了施工全過程信息，對該類橋型今后的設計、施工及進一步發展提供了有益經驗。