異型橋塔斜拉橋施工過程仿真與監測

羅 雷,李 凱

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040)

斜拉橋的建設施工監控是以設計建成后的狀態為主要目標，通過實時監控建設施工過程中的設計參數變化，并及時反饋，然后運用現代控制理論，對誤差進行預測、識別及調整，使斜拉橋的建設施工狀態接近設計狀態[1]。

斜拉橋主要監控內容包括線形、應力和索力，只有以上內容同時滿足規范要求才能保證結構施工過程的安全[2,3]。然而空間結構異型橋塔由于結構形式所致，全橋受力復雜，特別是在塔梁結合部。現有研究對斜拉橋施工監控較多，但多屬于平面索面和對稱結構[4]。對空間索面和不對稱斜拉橋的監控研究較少，但由于兩者在受力和結構靜力響應上有較大的差別，因此對不對稱空間索面斜拉橋監控技術的研究對同類橋梁的施工具有較大的指導意義[5,6]。

1 項目背景

某城市公路斜拉橋,跨度為70 m+ 90 m、48 m寬單一多室鋼箱梁橋。頂、底板采用U型加勁肋。道路中線梁高2.5 m，雙向交叉坡橋面高1.5 m，梁底橋水平，鋼箱內布置有高度約8.0 m的腹板，沿橋每隔3～4 m設置一個水平隔板，并在主塔及斜拉索吊點等重要位置采取加強措施。此座斜拉橋主塔的高度為70 m，其中塔頂離橋面的高度為56.55 m。左右主塔柱的結構形式為變截面，且以橋面中心線為中心對稱軸的空間弧形。塔頂在沿橋方向的寬為3.3 m，垂直于橋面方向的寬度為1.8 m；在斜拉橋橋底部沿橋方向的寬度為7.8 m,垂直橋的寬度為5.5 m,塔內設置有橫向和縱向的加勁肋。斜拉橋主體結構空間總體布置如圖1所示。

2 有限元模型

利用橋梁結構專業分析軟件Midas Civil建立實際空間有限元結構模型，如圖2所示。

整個斜拉橋模型一共有2 638個節點和4 088個結構單元。斜拉橋的主梁及左右主塔柱為板結構單元，斜拉索為桁架結構單元。斜拉橋鋼箱梁均使用型號為Q345qD的鋼板,橋面和背面的斜拉索都是使用鍍鋅鋼絲，采用公稱直徑為5 mm的鋼絲,且鋼絲的抗拉強度必須滿足1 670 MPa。斜拉橋主要材料參數見表1。

表1 主要材料參數

斜拉橋在建設控制中的工作內容有很多，其中最主要包含有前進分析法。前進分析方法是使用數值模擬的形式,根據已確定的施工方案及施工順序,計算出斜拉橋組成構件在各個建設階段以及建成后的線性及應力情況，主要內容包括結構的穩定性等。此方法分析結果可作為一種理論依據，在建設過程控制中進行應用，并可以有效地指導建設施工。此方法在計算時充分考慮了建設施工的進展、節點、截面應力、外界溫度、結構形式變化以及臨界條件改變等諸多因素，它不僅能模擬斜拉索的張拉，還可以模擬橋面鋪裝等其他實際的施工過程。

根據計算獲取的施工張拉方案與實際的建設施工過程對比，模擬橋梁建設施工過程獲取的橋梁有關截面應力變化、變形以及斜拉索索力變化等，來檢查建設施工的合理性與安全性。

2.1 關鍵階段施工方案

1)主塔施工控制目標。該橋左右兩鋼主塔建設施工中的位移偏差控制目標是完成各組件的安裝后，主塔塔頂在垂直橋方向偏向鋼箱梁為267 mm、沿橋方向偏向90 m跨方向為28 mm、垂直向下的位移為71 mm，必須保證誤差在25 mm以內；鋼塔各截面的坐標應與設計各截面坐標相同，且誤差應在5 mm以內；主塔斜拉索錨固點的高程偏差應控制在10 mm以內；鋼橋塔各個階段組裝應平順銜接，且沒有錯臺現象。

2)施工控制的計算方法。該斜拉橋在結構形式上比較別致，橋的寬度為48 m，在同類橋梁中屬于較寬橋梁，空間效應十分顯著。采用Midas Civil橋梁結構分析軟件，使用前進分析法模擬斜拉橋塔組裝分6個階段進行建設施工過程。并把主橋塔分為1 036個板單元，以此來模擬現實中橋塔的單元結構，并在單元板厚特性計算中，考慮了現實塔段變厚度的部分；在鋼塔箱體內橫隔板的計算中，建立了基于施工單位提供的塔截面實際重量的模型，通過調整結構的重量系數，確定自重調整系數為1.14，模型中兩橋塔的約束條件為塔底固結。

2.2 關鍵階段施工控制計算結果

橋塔主要受力部位在橋塔的根部，其塔根的最大應力變化如表2所示。

表2 塔根的最大應力發展表 /MPa

3 施工過程監測

3.1 斜拉橋橋面高程分析

建設施工過程中，橋面高程監測點橫向分布如圖3所示，從每個結構斷面中取其中的3個點；沿著橋方向共抽取9個斷面進行標高測量。監控結果如圖4所示。

根據圖4分析可得，全橋斜拉索經過二次張拉后，橋面高程左右側張拉數值相差不大，與中間數據差值為橫坡。全橋采用同一橫坡，在圖4中橫坡變化不大，與結構設計值相符。整體上斜拉橋縱軸線平滑，高程值合理。

3.2 斜拉橋塔頂位移

主塔變位監測斷面的位置在塔頂處，共計有4個三維坐標測點。斜拉橋塔塔頂位移在建設施工過程中的變化如表3所示。在表3中，垂直橋方向的位移以Y軸方向上為正，沿橋向位移是以X軸(90 m跨)方向為正，豎向位移以Z軸向上方向為正。

通過對表3的分析可知，橋塔塔頂的擾度是隨著建設施工階段的進行而逐步增大的，左右兩個塔柱的擾度基本上是關于中軸線對稱的，但兩橋塔塔柱的位移偏差均在控制范圍內，特別是垂直橋向的擾度，與建設施工仿真模擬相吻合。在斜拉橋建成狀態下，塔頂擾度也滿足相關要求。

3.3 結構應變的監測

在斜拉橋建設施工過程中，隨著施工進展，對斜拉橋采取全面應力監測，監測的方法是現場實際測量。

從圖5中,可以看到主塔兩個部分的應力實際測量值和理論值截然不同,這是由于斜拉索在張拉過程對主塔的受力產生了影響，此外，實際施工時需要不停地調整斜拉索，這勢必會導致主塔的應力狀態在相應的截面變得復雜。在理論計算模型中，這些因素的影響不能夠準確地一一體現，從而導致計算結果的數值出現偏差。在主塔兩個截面上的實測應力值與理論值基本一樣，表明主塔的應力變化狀態是比較合理的，符合相關要求。

3.4 施工監測誤差分析

通過上述監測數據可以看出，理想狀態下建成后的斜拉橋和現實運行的斜拉橋，在結構工作狀態上，依然有一定的偏差。造成這一偏差的因素是多方面的，以實際測量數據為基礎，并參照建設施工過程中的理論分析和判斷，對參數的準確性進行了分析。結果表明，斜拉橋建成后出現偏差的主要因素是以下三方面誤差所致，即：1)設計參數；2)測量；3)環境溫度。

1)設計參數。該建設項目斜拉橋結構為全鋼結構，在建設施工過程中，鋼材的容重和混凝土的配重可能有誤差。鋼材在下料及加工成鋼結構的過程中會有誤差，致使結構的總重量不能跟計算模型完全一樣；澆注混凝土完成后，實際混凝土自重產生的荷載與模型有某些偏差。然而在現實的計算與理論分析中，沒有準確地考慮這兩個因素影響。

2)測量。斜拉索索力測量過程中產生的誤差是該施工項目的主要誤差。在張拉斜拉索以及調索過程中，在溫度的作用下，鋼結構的索力受到較大影響，臨時車輛行駛過程中產生的荷載也會對橋面產生影響，即使斜拉索的索力一直隨施工進展在進行測量，實測數據依然存在偏差。在實際測量時，為了降低這些因素所產生的影響，選擇一個溫度變化較均勻和橋面行車較少的時間內進行連續多次的測量。通過測量對比，降低測量產生的誤差。

3)環境溫度。施工環境溫度的變化受到很多因素的影響,如：隨著時間的推移，陽光在一天中光照強度不同，環境溫度也就不同；斜拉橋某些部位會直接暴露在太陽光下，溫度上升會比其他沒有直接暴露在太陽光的部位更快些。隨著季節的變化，環境溫度也會發生變化，選用應變計作為測量儀器在測量時，雖然已經糾正了溫度產生的影響,但其結果并不能排除其他溫度因素產生的影響。

4 結 語

對比關鍵工序的監測數據和橋梁建成后的數據，能看出橋面標高和塔頂偏移范圍是比較合理的，符合規范要求；在整個建設施工過程中，主梁關鍵截面和主塔的應力變化范圍均在規范要求內，說明該施工工程能安全的進行；根據斜拉橋建成后狀態的應變結果顯示,應力結構合理,預期的要求能夠實現。因此整個斜拉橋在建設施工過程中安全合理，建成后的狀態滿足預期的要求。