混凝土斜拉橋的施工控制參數敏感性分析

吳斌暄

（上海城投公路投資（集團）有限公司，上海市 200110）

0 引言

斜拉橋屬于高次超靜定結構，施工中誤差出現有其必然性，由于各種因素（如構件剛度、結構自重偏差、斜拉索張拉索力等）的影響，以及在測量等方面存在誤差，特別是某些偏差具有累積的特性，施工過程中實測值會不同程度地偏離理想狀態。國內外學者對各種誤差在斜拉橋施工過程中對結構的影響進行了大量研究。但以往的研究還存在以下問題，大多數僅是針對施工過程中的某些特定狀態來進行的，很少將施工過程與誤差分析緊密結合起來研究。而誤差對于結構的影響實際上與整個施工過程是高度相關的，僅僅針對特定狀態的研究往往得到了一些不恰當的結論。

本文結合某混凝土斜拉橋的施工監控，考慮施工過程，對有關參數進行靈敏度分析，通過進行各參數的變異對結構響應的敏感性分析來分辨主要影響參數與次要影響參數，在施工中做到把握現在、預估未來，進一步對主要影響參數進行重點的監測、識別和控制，為大橋施工過程中的參數調整提供理論依據，為該項目橋梁的順利投入運營和長期健康監控提供可靠的依據。

1 工程背景

1.1 工程概況

某主橋采用獨塔單索面斜拉橋，塔梁墩固結體系。引橋采用預應力簡支T梁，橋面連續。主橋跨度為105 m+140 m=245 m，北引橋為3×30 m+4×40 m=250 m，南引橋為4×40 m=160 m，橋梁全長655 m，見圖 1。

主橋橋塔采用混凝土橋塔，塔全高130 m，橋面以上塔高82 m主塔采用C50混凝土，兩塔在橋面以下交叉。橋塔整體為一個梯形斷面，通過對梯形斷面挖槽及倒角來實現橋塔線條的變化，通過設置橫梁增強橋塔的穩定性（見圖2）。主梁采用單箱五室截面形式，梁高3.8 m，采用縱向、橋面板橫向及豎向三向預應力體系，縱向按全預應力構件設計，橋面板橫向按A類構件設計（見圖3）。

拉索采用高強度、低松弛平行鋼絲拉索，規格為 PES（C）7-127～211。，斜拉索塔上錨固于混凝土索塔內置的鋼錨箱上，主梁上錨固在箱室中室的頂板上，其中塔端為固定端，梁端為張拉端。索塔處無索區左右各15 m，中跨拉索的標準間距6 m，為了平衡懸臂澆筑時的重量，邊跨1#至9#拉索的間距取6 m，10#至19#拉索的間距取3 m，橋塔錨固區的間距根據拉索錨固的空間要求從1.8 m變化到3.1 m。主橋基礎采用樁基礎，端承樁，樁徑2.0 m，24根樁。

1.2 施工步驟

主橋主梁采用懸臂澆筑施工、引橋T梁采用先預制后架橋機架設的施工方案。主要施工步驟如下：

（1）橋梁樁基、承臺、橋墩臺施工。

（2）搭設索塔支架及勁性骨架，澆筑主塔下塔柱混凝土；分段吊裝上塔柱鋼錨箱，同時分段澆筑上塔柱混凝土，上塔柱拉桿外側混凝土與塔柱混凝土一同澆筑。

圖1 主橋結構布置圖（單位：m）

圖2 橋塔底部斷面圖（單位：mm）

（3）搭設主梁0#塊支架，支架現澆主梁0#塊混凝土，張拉相應預應力束。

（4）掛籃懸臂澆筑主梁1#～9#節段，達到要求的強度及齡期后張拉預應力鋼筋；每澆筑一節段，安裝并張拉一對斜拉索。

（5）支架現澆邊跨合龍段，張拉邊跨合龍預應力束。

（6）懸臂澆筑主梁主跨10#～19#節段，每澆筑一節段，安裝并張拉主跨、邊跨斜拉索。

（7）支架現澆主跨合龍段，張拉主跨合龍預應力束。

1.3 現場監測與控制

施工控制是以全面的理論計算為指導，而實際的施工狀態與理論計算之間由于各種原因將出現不一致性，因此，現場監控流程是一個施工—量測—判斷—修正—預告—施工的循環過程。本橋的現場測試主要內容包括：主梁各施工工況的標高、斜拉索的全橋索力、主梁和塔的控制斷面的應力、主塔位移、溫度監測等。在每一工況返回量測數據后，進行綜合分析和判斷，以了解已存在的誤差并進行誤差原因分析，盡量予以消除產生誤差的原因，給出下一工況的監控指令，在施工中形成良性循環。

當主梁線形出現偏差時，可以通過以后混凝土節段安裝時立模標高進行修正；當結構受力狀態出現偏差時，則須通過索力的調整進行修正。施工控制中通過對主梁立模標高和斜拉索索力的調整既要實現全橋的成橋目標狀態，也要實現中間施工階段目標狀態，以保證每一施工階段結構的內力和線形都處于預測和控制之中，并使本橋最終達到設計要求。

1.4 施工監控技術指標

監控的預期目標是主梁線形和索力“雙控”在合理范圍內。需滿足以下要求：

（1）主梁線形平順，滿足設計要求；

（2）邊、中跨的高精度合龍，合龍時主梁環口各控制點標高誤差±2 cm之內，避免采用壓重等措施強迫合龍，而采用溫度可控范圍內的自然合龍；

（3）斜拉索索力誤差±5%之內；結構受力狀態滿足安全要求。

圖3 主梁橫斷面圖（單位：mm）

2 施工參數誤差對結構的影響分析

2.1 斜拉橋考慮施工過程對結構力學性能分析的影響

斜拉橋作為高次超靜定結構體系，施工過程中體系轉換多，以一次成橋計算方法和考慮施工過程計算方法分別對索力誤差+5%的情況進行敏感性分析，見圖4。

圖4 主橋有限元計算模型圖

圖5結果顯示，考慮施工過程，合龍后：除個別張拉拉索外，其余拉索的索力變異系數均處于-5%～5%范圍內；中跨拉索總索力為12 635.2 t，中跨總索力誤差為0.97%；邊跨總索力為12 036.5 t，邊跨總索力誤差為0.64%。故對于主梁剛度較大的混凝土斜拉橋而言，由于拉索的被動受力，會使得誤差積累效應減小。故以下計算均考慮施工過程，對結構進行參數敏感性分析。

圖5 考慮施工過程，索力變異系數圖

2.2 施工參數誤差對主梁的影響

在斜拉橋施工監控過程中，為保證橋梁的順利合龍，合龍前最大懸臂節段的主梁線形是首要控制目標。主梁最大懸臂階段時，結構剛度較小，施工參數誤差對主梁的線形和應力影響顯著，本文選取主跨最大懸臂工況對施工參數誤差對主梁的影響進行研究。

在對其進行靜力分析時，取拉索索力、施工梁段自重、拉索的剛度、主梁剛度為參數變量，比較各種誤差對于結構的影響，各個變量的變異系數見表1，圖6所示主梁截面為典型截面，圖7顯示了在各種因素作用下的，主梁上、下緣的最不利正應力包絡計算結果，圖8顯示了各種因素作用下，主梁的變形位移計算結果。

變量 變異系數拉索張拉力 ±0.05梁節段自重 ±0.05主梁剛度 ±0.05拉索剛度 ±0.05

從圖7～圖8的計算結果可以看出：

（1）對主梁正應力影響的因素是主梁自重誤差，特別是主梁自重的正誤差；次要影響因素為斜拉索索力誤差。

（2）主梁梁段自重是影響主梁線形的關鍵因素，在斜拉橋主梁線形測量前，應尤其注意清除主梁上的大型施工機具及重量較大堆載物，以確保測量的準確性。

（3）由于斜拉索索力對主梁線形——特別主跨懸臂端較大的狀態下——有較大的影響，在懸臂施工過程中，應適當地調整斜拉索索力以調整主梁線形，以助于主梁順利合龍。

（4）由于該橋梁是剛梁剛塔體系，主梁剛度和拉索剛度的變異對結構受力影響極小，在±5%剛度的誤差內，對主梁應力的誤差在±1%以內，對主梁線形的誤差在±8%以內。故在混凝土斜拉橋施工中可以適當放寬對混凝土彈模的要求，但要著重控制斜拉索張拉力和主梁自重等施工關鍵參數。

2.2 索力誤差對主塔的影響

對于主塔，拉索索力誤差、結構自重誤差等各種類型的誤差在全橋范圍內以主塔為中性軸沿邊、中跨對稱出現時，將不會導致主塔結構響應的顯著惡化。故本節重點對索力誤差反對稱出現時的主塔力學性能進行探討，見表2。

表2結果顯示：

（1）當出現最不利的邊、中跨索力誤差時，索力不對稱誤差在5%時，主塔最大壓應力由14.8 MPa變為16.6 MPa；塔頂水平位移也發生了較大的波動，最大水平位移達到264.5 mm。

圖7 主梁截面應力及應力變異系數圖

圖8 主梁節點位移及位移變異系數圖

（2）經對本文所列出的兩種荷載工況下主塔計算結果的對比可知，塔頂水平位移和主塔最大應力對邊跨拉索索力正變異的敏感性大于中跨拉索索力正變異的敏感性；不對稱的索力誤差，所造成的主塔的受力的不均勻性會導致主塔壓應力和塔頂水平位移超過規范限值，施工中要著重控制主梁節段對稱施工，特別是拉索張拉，應重點控制為同向誤差，減少異向誤差發生。

表2 索力誤差對主塔響應的影響

（3）由于主塔水平位移對施工過程中的邊、中跨施工荷載不平衡力較敏感，應加強對主塔水平位移的監控量測。

3 結語

通過對混凝土斜拉橋的施工誤差進行敏感性分析，可以得到以下結論：

（1）在本文中考慮到的各種誤差中，對主梁正應力影響最大的是主梁節段自重誤差，其次是斜拉索索力誤差，結構剛度誤差對主梁的受力狀態影響較小。

（2）結構剛度誤差對主梁的位移狀態影響較小，主梁梁段自重和斜拉索索力是影響主梁線形的兩大關鍵因素，在施工監控量測過程中應在測量前及時清除橋上的大型施工機具和重量較大堆載物，以確保主梁線形測量及立模的準確性。

（3）在施工過程中，主塔結構的壓應力偏差，與主塔順橋向偏位緊密相關，在主梁懸臂施工過程中需加強塔頂水平位移的監控量測。

（4）由于塔頂位移及主塔最大應力對拉索索力的不均勻變異較敏感，故應在施工監控過程中要重視索力張拉的對稱性。

（5）隨著施工過程的發展，線形誤差會產生一定的積累，由于全橋結構受力和主梁線形對斜拉索索力的變化較敏感，可以通過及時修正計算模型，調整部分斜拉索索力，消除施工誤差對全橋結構線形的影響。

（6）研究各種誤差對結構的影響時必須計入施工過程，否則會得到錯誤的結論。隨著施工過程的發展，誤差會產生一定的積累，但對于斜拉橋而言，由于拉索的被動受力，會使得誤差積累效應減小。