獨塔混合梁斜拉橋施工控制技術研究

陳冠華

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350003)

1 概述

橋梁施工控制，是確保橋梁成橋線形和受力與設計成橋狀態相符的關鍵，是銜接設計施工的重要技術環節，其主要內容是在橋梁施工過程中，控制橋梁的索力線形應力及溫度等，到成橋時，橋梁的線形和結構內力與理論值的誤差最小，符合設計要求。

斜拉橋的施工控制方法，有索力-高程控制法幾何控制法和雙目標控制法。索力-高程控制法，主要用于剛度較大主梁線性受溫度變化較小的混凝土斜拉橋和跨度較小的鋼斜拉橋中。幾何控制法，是指在制造階段對結構的無應力尺寸和形狀進行控制，在安裝階段對結構幾何形態進行精確控制，最終達到設計成橋線形和內力。而雙目標控制法，則為這兩種方法的綜合。

混合梁斜拉橋由于其受力需要，邊跨采用混凝土，主跨采用鋼箱梁?；旌狭盒崩瓨蚴┕た刂频姆椒?，應采用雙目標幾何控制法，即主要控制結構的無應力幾何參數，包括鋼梁的幾何參數和斜拉索無應力長度；混凝土梁部分的基本控制指標為力學參數，整個過程的控制方法是基于索力和索長的雙重控制。

2 橋梁概況

福鼎八尺門大橋主橋，采用(33+67+200) m獨塔單索面混合梁斜拉，橋塔梁墩固結體系，如圖1所示。橋梁設計荷載等級為城-A級，橋面寬33m，雙向六車道。為改善結構的抗風性能，主梁采用流線型箱梁斷面。主跨部分主梁采用鋼箱梁，邊跨主梁采用混凝土梁，外形與鋼箱梁保持一致，梁高3.5m。鋼混結合面位于主塔中心線向主跨方向偏移17.0m處。全橋鋼箱梁總長183m，混凝土梁總長117m。獨柱式混凝土主塔在橋面以上高84.41m，塔柱側面有裝飾性結構“風帆”。斜拉索采用扇形索面布置，梁上主跨索間距為12m，梁上邊跨索間距為7m，塔上索間距為2m。全橋共設置15對索，主跨由塔往外側編號分別為S1～S15，邊跨由塔往外側編號分別為M1～M15[1]。該橋于2012年10月完成設計，2014年3月開始施工，已于2018年6月竣工。

圖1 八尺門大橋總體布置圖

3 主要施工過程

八尺門大橋主橋的施工過程如下：①橋塔下塔柱完成后，安裝墩旁兩側支架，澆筑混凝土箱梁CS3段；②安裝邊跨側混凝土箱梁段滿堂支架，分兩次支架現澆混凝土箱梁CS2和CS1段；③安裝主跨側CS鋼混結合段，對稱張拉混凝土梁段和鋼箱梁段第一對斜拉索S1和M1；④安裝主跨側架梁吊機；⑤通過架梁吊機依次安裝主跨側標準鋼箱梁段S1～S13，并對稱張拉對應的斜拉索S2～S14和M2～M14；⑥在主跨與引橋交接墩處安裝支架，在支架上安裝鋼箱梁S15；⑦施工合龍段(標準梁段S14)，掛設并張拉斜拉索S15和M15；⑧拆除所有支架并調索，完成全橋施工[2]。大橋合龍現場如圖2所示。

圖2 八尺門大橋現場合龍圖

4 施工控制關鍵技術

八尺門大橋主橋空間受力特征明顯，尤其是塔墩梁固結節點部位受力復雜。為保證在施工過程中的結構安全以及成橋階段的線性滿足要求，需考慮溫度收縮徐變以及在施工過程中的各種荷載，對各施工階段的橋塔主梁和斜拉索進行施工控制[3]。

在八尺門大橋主橋的施工控制中，基于無應力狀態法，采用正裝法計算，考慮混凝土的收縮徐變對成橋線性和內力的影響，根據目標狀態(成橋狀態)推算主梁橋塔和斜拉索對應的無應力長度和無應力曲率，并以此無應力狀態為控制目標。

八尺門斜拉橋的施工控制，關鍵技術包括主橋結構施工全過程的監控計算(合理成橋狀態計算合理施工狀態計算成橋運營階段驗算，橋塔結構施工監控計算，鋼箱梁制造線形計算斜拉索無應力索長計算)，施工監測數據測量與測試(應力測試線形測試索力測試)。

4.1 合理成橋狀態計算

斜拉橋在確定成橋狀態時，起控制作用的往往是主梁的應力，索塔內力一般可通過限制塔身控制截面的彎矩較容易得到滿足。因此，成橋狀態的確定，應以主梁受力合理為目標，以主梁各截面的上下緣的最大最小正應力作為控制條件，確定恒載彎矩。如果允許恒載彎矩有一個“合理”的取值范圍，則在該范圍內的合理恒載彎矩所確定的成橋狀態，即是合理成橋狀態。

合理成橋狀態計算，不考慮施工過程，而是以成橋狀態的結構體系為分析對象，通過對成橋索力的調整，來獲得一個合理的成橋狀態。

4.2 合理施工狀態計算

合理施工狀態必須滿足兩方面的要求：其一是施工過程中受力安全，其二是成橋后滿足合理成橋狀態要求。因此，合理施工狀態計算，就是施工過程跟蹤計算，計算施工各階段主要受力部位，如主梁斜拉索索塔等的應力及位移，是否滿足規范要求。

其中，懸臂拼裝階段初始索力的確定，是斜拉橋施工控制的關鍵。依據無應力狀態法原理：在保證一定的恒荷載結構體系支承邊界條件單元的無應力狀態量組成的結構的前提下，結構的最終內力和位移是唯一的，與結構的形成過程無關。

依據上述原理，實質是要通過合理的施工過程，使斜拉橋在成橋時，達到合理成橋狀態[4]。該原理的前3個條件，在施工過程中均能逐步滿足，而單元的無應力狀態安裝，則是合理施工階段要解決的核心問題。合理施工階段的核心問題，實際上是控制懸臂階段每根斜拉索的初始索力值的大小。當拼裝至最大懸臂端時，在該組索力作用下，最大懸臂端位移和轉角近似為零。

4.3 成橋運營階段驗算

依據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)中4.1.1的規定，就可能的最不利荷載組合情況進行驗算。

4.4 橋塔結構監控計算

主塔為單柱式鋼筋混凝土塔，與梁體相固結，橋面以上塔高84.41m，塔柱側面有裝飾性鋼結構“風帆”。裝飾性“風帆”與塔身的底部與頂部分別固結，采用矩形空心斷面。由于該橋主梁在邊跨和主跨側不對稱，且邊跨側為混凝土箱梁，混凝土的收縮徐變會使主塔向邊跨側產生偏位。因此，需計算橋塔施工過程中的縱向預偏值，確保成塔線形及內力滿足規范要求。

4.5 鋼箱梁制造線形計算

制造線形，是指主梁在制造過程中無應力狀態下的線形，鋼箱梁斜拉橋的線形控制取決于其制造線形。嚴格按照梁段間制造線形的夾角進行拼裝，則最終成橋狀態的內力和線形一定會達到合理成橋狀態。八尺門斜拉橋的制造線形，采用切線初始位移法計算。

4.6 斜拉索無應力索長計算

無應力索長，不僅與斜拉索的下料長度有關，而且對合龍后全橋大范圍調索工作至關重要。根據合理成橋狀態，并考慮橋塔邊跨主梁收縮徐變，二期恒載等效應，計算確定斜拉索加工階段調索階段和最終成橋階段的無應力索長[5]。

4.7 合龍溫度效應分析

該橋合龍，只在主跨鋼箱梁側設置合龍段，合龍段為S14段鋼箱梁，其長度為12m。鋼箱梁的變形對溫度的變化很敏感，因此，溫度效應對合龍口的影響進行了分析。

5 有限元模型

為進行八尺門大橋主橋施工計算分析，采用MIDAS Civil建立了全橋桿系有限元模型，如圖3所示。模型中，全橋被離散為261個單元，有201個梁單元，60個索單元；橋塔及主梁采用梁單元，斜拉索采用只受拉索單元，考慮索的非線性作用；橋塔承臺底固端約束，塔梁固結，邊墩及輔助墩頂支座順橋向滑動，橫橋向約束。

圖3 八尺門大橋主橋有限元模型

6 施工控制結果與分析

6.1 橋塔控制結果與分析

橋塔施工過程中，分別對橋塔根部應力和塔頂位移進行了監控。從橋塔混凝土應力測試結果來看，實測值與計算值較為吻合，最大差值為1.94MPa。橋塔爬模施工過程中，橋塔全截面均為受壓狀態，無拉應力，壓應力儲備較大。從圖4可以看出，橋塔偏位實測值與理論值曲線趨勢一致；鋼梁懸拼過程中，塔偏實測值與理論值最大差值為7.8mm；調索完畢后，兩者差值僅為3.9mm，滿足規范及設計要求。因加上二期恒載鋪裝以后，鋼箱梁側重量有較大的增加，故主跨側索力將會增加，所以，從張拉9號索開始，邊跨側斜拉索索力逐漸加大，使主塔向邊跨側有一定的預留偏位；二期恒載完畢后，塔頂最大偏位僅為12mm左右，小于《公路橋涵施工技術規范》(JTJ/T F50-2011)中H/3000=106.3/3000=0.035m的限值。

圖4 塔頂位移值

6.2 主梁控制結果與分析

在主梁施工階段，嚴格控制梁段兩端上下游側的標高，同時監控混凝土段鋼混結合段和鋼箱梁段的應力，使主梁保持在較好的受力狀態。

由于鋼箱梁的剛度較柔，索力的微小變化會對鋼箱梁產生較大的影響。圖5為二恒前(調索后)橋面標高圖。從圖中可以看出，在索力調整到位后，鋼箱梁二恒鋪裝前的成橋線形比較平順，與理論值的差值最大也僅有17mm，滿足規范及設計要求。

圖5 二恒前(調索后)橋面標高圖

混凝土箱梁測點實測應力和理論計算應力最大差值均小于3.0MPa，實測拉應力最大值為1.86MPa，實測壓應力最大值為-8.19MPa。鋼箱梁測點實測應力和理論計算應力最大差值均小于6.0MPa，實測拉應力最大值為25.76MPa，實測壓應力最大值為-50.47MPa，均滿足設計規范要求。圖6為鋼箱梁E截面上下緣測點隨施工過程應力變化曲線圖。

圖6 鋼箱梁E截面上下緣測點隨施工過程應力變化曲線圖

6.3 斜拉索控制結果與分析

八尺門大橋主橋斜拉索分兩次張拉。第一次張拉值為鋼箱梁懸拼時掛索初始索力值，目的是為了拼裝時鋼箱梁變形最小，合龍時合龍口平順。第二次張拉為最終張拉，即在二期恒載鋪裝前，將索的無應力長度調整到成橋狀態下的無應力長度，在二期恒載鋪裝上去后，索力值自動達到成橋索力值。

根據監控結果，二期恒載鋪裝前調索，單束鋼絞線斜拉索的索力偏差絕大部分在5%以內，個別偏差大于5%，最大差值不超過5.8%；二期恒載鋪裝后，全橋索力與設計成橋索力偏差均在5%以內，滿足《公路斜拉橋設計細則》8.3.3條款中索力偏差小于5%的要求，無需再進行調索。圖7為實測二期恒載鋪裝前索力與理論索力對比圖。

圖7 實測二恒鋪裝前調索索力與理論索力對比圖

7 結語

八尺門大橋主橋為一座大跨混合梁斜拉橋，主橋采用了鋼箱梁懸臂拼裝邊跨混凝土箱梁支架現澆的不對稱工藝施工。施工控制采用以無應力狀態為基礎的雙目標控制法，綜合考慮了混凝土梁的收縮徐變和鋼箱梁的幾何非線性因素的影響。在該橋的施工控制中，通過計算鋼箱梁節段無應力制造長度控制鋼箱梁線性，通過計算斜拉索無應力下料長度控制斜拉橋索力；通過合龍后索力調整來調節橋塔偏位及主梁線性等關鍵技術完成控制。

監控計算結果表明：施工階段鋼箱梁最大拉應力35.6MPa，最大壓應力-88.5MPa，混凝土梁最大拉應力1.55MPa，最大壓應力-9.30MPa，絕對值均小于規范規定的限值，因此，施工階段內力，滿足規范及設計要求；成橋主梁線性最大偏差17mm，橋塔最大偏差12mm，滿足規范及設計要求；二期恒載鋪裝后，全橋索力與設計成橋索力偏差均在5%以內，說明該橋總體控制良好。

混合梁斜拉橋在國內外的應用越來越廣泛，其設計和制造經驗也不斷地累積，八尺門大橋的施工控制結果與設計吻合較好，可為同類橋梁的施工控制提供參考和借鑒。