公軌兩用鋼桁梁斜拉橋合龍監測方案分析

蔡送寶， 耿文賓， 韋永斌， 林金地， 張 偉， 強偉亮

（1.中國建筑第六工程局有限公司，天津300451；2.中國建筑股份有限公司技術中心，北京101300；3.中建工程產業技術研究院有限公司，北京101300）

跨中合龍是斜拉橋施工過程中的重要工序。合龍時鋼梁結構為多次超靜定結構，由于結構特點，合龍時溫度、日照、濕度、位移、外力、邊界條件等因素均對施工產生影響[1～2]。本文以紅巖村嘉陵江大橋為工程背景，采用有限元軟件建立全橋空間模型，對該橋成橋階段進行靜力分析并根據計算結果對橋塔以及鋼桁梁關鍵構件施工監測點位進行布置，作為該橋合龍施工的依據。

1 工程概況

紅巖村嘉陵江大橋為高低塔雙索面公軌兩用鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為91.4 m+138.6 m+375 m+120 m，見圖1。

圖1 橋梁總體布置

主塔是由上中下塔柱和上中下三道橫梁組成的門式框架結構。塔柱為C50 多邊形空心薄壁普通鋼筋混凝土結構，橫梁為帶有造型的階梯式變截面結構。P3主塔為高塔，總高202 m，P4主塔為低塔，總高150.75 m。

主梁采用雙主桁等高度連續鋼桁梁。主桁為三角桁架，桁寬28.2 m，桁高11.163 m，全橋鋼桁梁共分為49 個節段，P1 交接墩至P3 塔范圍內節間長度為15.4 m，P3塔至A5橋臺范圍內節間長度為15 m；標準節段鋼梁包括上弦桿、下弦桿、上橋面板、下橋面板、斜腹桿5種構件，上層橋面板和下層橋面板均為正交異性鋼橋面板。見圖2。

圖2 標準節段鋼桁梁三維構造

鋼桁梁在P1交接墩和A5橋臺處的主桁下弦節點處分別設置雙向活動球形鋼支座，在P2 輔助墩和P4橋塔中橫梁的主桁下弦節點處設置雙向活動速度鎖定球形鋼支座，在P3橋塔中橫梁的主桁下弦節點處設置可沿橫橋向滑動的單向活動速度鎖定球形鋼支座。

2 監測測點布置原則及計算方法

2.1 布置原則

由于合龍段以前施工工序均已完成，故本文僅研究主梁合龍成橋后、橋面附屬設施等二期荷載施工前工況下施工監測布點。監測點位的布置應能準確反映合龍后橋梁結構實際受力情況、主梁線形等信息，確保合龍后橋梁狀態達到設計要求。

2.2 計算方法

采用Midas Civil建模，橋塔、主梁上下弦桿、腹桿、橫梁等均采用梁單元模擬，拉索采用索單元模擬，見圖3。

圖3 全橋有限元計算模型

仿真分析為合龍成橋階段、附屬設施等二期荷載施工之前階段的成橋索力、變形、主梁應力等。

3 監測方案及點位布置

3.1 溫度監測

溫度對合龍口寬度、主梁標高、斜拉索索力等關鍵參數均有影響，因此合龍時的溫度測量是合龍工作的基礎[3]。合龍時環境的實際溫度與設計基準溫度之間的差異會導致鋼桁梁及斜拉索產生溫度應力和形變，從而使合龍口寬度、兩側橋面的標高、角度發生變化；同時由于本橋為雙層公軌兩用橋，上下層橋面之間的溫度差異同樣會使上下弦桿產生差異。因此溫度監測不僅應監測系統溫度，還應監測上下層橋面間的溫差，為施工提供更好地保障。

根據監測要求，沿縱向共設置8 個斷面進行溫度監測，每個斷面處上下層橋面均布置無線溫度儀進行測量，共計16個測點，見圖4。

圖4 溫度測點布置

3.2 主塔塔頂位移監測

塔頂的水平位移是不對稱荷載、索力、溫度等因素的綜合反映[4～5]。橋塔為鋼筋混凝土結構，塔身高度較大，在鋼梁架設過程中，塔頂位移一直處于變化狀態。為保證塔頂位移處于監控要求范圍內，在塔頂設置位移監控設施，隨時監測塔頂位移。

分別在每個主塔塔頂用反光模做觀測點，采用全站儀極坐標法進行多個測回測量。合龍后主塔塔頂位移計算結果見圖5。

圖5 合龍后主塔塔頂位移

由圖5 可知，合龍后高塔塔頂位移為106 mm，矮塔塔頂位移為89 mm。

3.3 索力監測

斜拉索是斜拉橋的主要受力構件，索力不僅影響主梁的受力狀態，還會影響成橋后主梁的線形[4～5]，為準確掌握斜拉索在合龍過程中的索力變化，在每根拉索錨區內均安裝壓力傳感器進行索力監控。施工過程中需多次對索力進行監測，校核實際索力與監控計算索力是否吻合。見圖6。

圖6 合龍后索力

由圖6 可知，合龍后最外側拉索HA14、HJ14、LA7及LJ7索力最大，拉索索力隨著靠近主塔而呈減小趨勢，與設計所給成橋索力趨勢相符，但數值小于設計所給索力。這是因為設計所給成橋索力為施加兩側壓重以及橋面二期荷載以后最終的成橋索力，后期施工壓重并適當調索后即可達到設計要求。

3.4 主梁應力監測

主梁合龍前后結構體系發生改變，引起主梁內力重新分布，合龍后主梁主要受力構件的內力是否與計算吻合意味著橋梁施工質量的好壞，根據計算結果在主梁受力構件關鍵節點布置應變傳感器。掌握主梁合龍前后關鍵節點的應力變化對合龍施工具有重要作用[4～5]。合龍后主梁上下弦桿應力計算結果見圖7。

圖7 合龍后主梁應力

由圖7 可知，合龍后主梁上弦桿最大應力為204 MPa，下弦桿最大應力為162 MPa，兩個主塔位置弦桿位置應力較大。

根據計算結果，分別在主桁上下弦桿以及斜腹桿布置測點，監測合龍后主梁應力變化。見圖8。

圖8 主梁應力監測點位布置

3.5 主梁撓度及線形監測

合龍后主梁線形是橋梁受力狀態的響應[4～5]。本工程鋼桁梁共分為49個節段，在每一個施工節段端頭上弦桿位置均設置一個標高監測點，監測各節段豎向撓度及合龍成功后主梁整體線形，作為施工指導依據。合龍后主梁撓度計算結果見圖9。

圖9 合龍后主梁線形

4 結語

在紅巖村嘉陵江大橋跨中合龍施工監控過程中，通過確定主塔塔頂位移、斜拉索索力、主梁線形、主梁應力等監控目標，制定合理的監控方案，實現合龍施工過程的精確控制，保證合龍的精度與質量，為成橋目標狀態的實現奠定基礎。

合龍過程中的監控數據以及合龍后主梁線形、塔頂位移等監控數據與理論計算結果吻合良好，表明該橋施工過程規范，施工質量控制良好。□■