海域大跨徑斜拉橋主梁線形控制技術分析

周 兵 彭永超

（中交路橋華東工程有限公司）

1 工程概況

3 線形控制參數的誤差敏感性分析

寧波舟山港主通道（魚山石化疏港公路）公路工程主橋為三塔整幅鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為（78m+187m+550m+550m+187m+78m）=1630m，邊 中 跨 比0.482，邊跨設輔助墩。斜拉索采用雙索面空間索布置，梁端標準索間距為16.0m，邊跨靠近尾索區間距為12m。鋼箱梁采用帶風嘴的扁平流線型截面，頂板設2%橫坡，全斷面寬度為34.0m，梁頂寬26.8m（不計風嘴），底板寬18.4m，梁高3.5m，風嘴長度為3.6m，箱梁內設置兩道實腹式縱隔板，間距12m，斜拉索錨固于邊腹板外側。

2 斜拉橋主梁線形控制的難點分析

本工程主梁線形控制的難點為：

⑴三塔斜拉本身的技術難度以及施工海域氣候的特殊性與復雜性。

⑵施工過程中的線形對重量、索力敏感，對制造精度和施工精度要求較高。

⑶對于橋面吊機吊裝與斜拉索張拉階段，除了索力影響外，自然條件也時刻影響著橋梁結構，其中對斜拉橋鋼主梁匹配階段監控工作影響較大的是溫度和風的作用。由于大跨徑斜拉橋鋼主梁整體柔性較大，溫度作用下的索梁溫差和主梁溫度梯度對主梁前端標高產生較大的影響，是鋼梁線形控制的主要影響因素。

⑷在橋面吊機支點反力作用下，使相鄰梁段產生較大橫向偏移，與被吊梁段間形成錯臺，這一特點在寬幅鋼梁中將更為明顯，給梁段匹配階段線形控制帶來難度。

⑴計算誤差。由于算法的不同，使得設計單位和施工監控單位對于一些參數的處理也有較大的差異。加之施工中存在的各種不確定因素，設計時無法確定各種參數的修正值。因而施工監控中不能直接采用當初設計時所計算的用于控制施工的各種參數值。

⑵鋼結構制造誤差。監控單位根據理論計算會提供鋼結構加工的無應力制造線形，但實際制造過程中由于工藝水平、控制精度等原因，實際鋼梁制造線形與理論線形存在誤差。

⑶施工中結構定位存在的誤差。在實際施工中索塔、鋼錨梁、索導管的定位不可避免存在誤差。當索塔或錨固的實際位置與設計不符時，必然會對結構的內力和主梁的線形產生影響，因此必須對施工監控數據進行實際偏差的修正計算。

⑷施工中其它誤差如材料特性、安裝精度、環境溫度等都將影響鋼梁線形和內力。

4 影響斜拉橋線形的因素與控制措施

4.1 影響斜拉橋線形的因素

海域大跨徑斜拉橋施工環境特殊，懸臂端較長，工況復雜，影響斜拉橋線形因素較多。但主要有施工荷載變化、溫度變化，監控測量精確度和主梁焊接工藝四個方面因素影響線形控制。

⑴施工荷載的局部變化，對線形的影響較大。標準梁段采用2 臺橋面吊機同步起吊，吊機整機重量約70t（不含配重），每臺吊機額定起吊重量160t（不含吊具）。鋼梁的起吊需要配合橋面吊機的移動，在吊機移動的過程中鋼梁荷載發生局部變化。即使在塔梁墩固結的前提下，平面線形和豎向線形也發生與懸臂長度成正相關的線形變化。

⑵溫度階梯的變化對主梁線形的影響。海上氣候環境復雜，季節性溫差、早晚溫差和驟時溫度變化較大，以及在日照下向陽側和背陽側溫度場差異較大，在夏季尤為明顯，造成鋼梁和斜拉索受熱的不均勻，產生“熱脹冷縮”的鋼結構變形，直接影響主梁線形[1]。

⑶監控測量精確度對主梁線形的影響。現場鋼梁的線形主要是靠0.5s 級的TS60 全站儀以及索力動測儀同步控制。現場鋼梁的姿態要根據兩種儀器反饋的數據實時進行調整，以達到監控指令的要求。

⑷現場鋼梁的焊接直接影響線形。鋼梁調整完成后是鋼梁焊接的工序。鋼梁的頂板、底板和腹板都要與之前的梁端焊接，焊接的工藝和工序會對線形有影響。

4.2 影響斜拉橋線形因素的控制措施

4.2.1 施工荷載變化的控制措施

本橋采用MIDAS 軟件建立空間有限元模型。通過空間有限元模型對縱向線形、橫向線形以及內力狀態進行同步控制。通過考慮幾何非線性、拉索垂度效應的正裝迭代優化分析，在確定主梁無應力制造線形的同時確定鋼主梁橫向預拱度。全橋結構計算模型見圖1，鋼主梁均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，鋼主梁自重通過材料容重進行修正，永久壓重通過均布荷載補重，全橋共計單元1104 個，其中桁架單元196 個。對于各個工況的荷載變化，均能通過模型進行修正，進而對主梁的線形進行實時的指令傳達，避免出現后期難以調整的誤差[2]。

圖1 MIDAS 空間有限元模型

4.2.2 溫度變化的控制措施

由于海域環境復雜，季節性溫度場差別較大，晝夜溫差較大，加之鋼結構易受溫度影響出現“熱脹冷縮”物理現象。所以根據氣象站提供的數據，本工程所在海域在晚上9 點至次日凌晨4 點，溫度變化較小，可作為調梁的最佳時間。同時為了成橋線形的控制，選取一節懸臂適中、比較有代表性的梁段作為“試驗段”。每隔2h 對指定監測點進行24h 的監測，記錄時間、溫度以及監控點的里程、偏距和高程。根據表1 可知，本工程作業段每度溫差，影響高程3～4mm；以及向陽側和背陽側的溫差，對鋼梁的軸線有影響。

表1 24h 連續監測

4.2.3 監控測量精確度的控制措施

一般海上斜拉橋線形控制測量都是在0#塊鋼梁上制作臨時的觀測墩作為測量基準。但由于本工程所在海域氣候的特殊性，作業期間風力較大，對高程控制的精度影響較大，加之施工可能產生的對儀器的影響，選擇在塔柱預埋鋼板上制作觀測平臺，使用0.5s 級的TS60全站儀用于斜拉橋主梁的平面線形和高程線形的控制，見圖2。為了提高線形控制的精度，每節段鋼梁的調整都使用兩臺索力動測儀對索力進行監測，與全站儀所測高程“同步測量，相互復核”，見圖3。

圖2 主梁定位測量

圖3 斜拉索索力監測

4.2.4 施工工藝的控制措施

由于鋼梁焊接工作面比較大，調整完成以后，需要兩天時間才能完成頂板、底板、腹板、縱隔板的焊接工作。期間考慮溫度對鋼梁線形的影響，因此采取“先固定，后焊接”的方法，需要使用馬板將調整完成的鋼梁與搭接鋼梁固定，進而進行焊接的施工作業。

5 關鍵工序的線形控制

5.1 主梁匹配階段的線形控制

主梁安裝階段只需將制造階段主梁預拼無應力狀態下的線形恢復，則成橋后主梁結構應力與鋼結構變形狀態即是目標狀態，主梁匹配焊接后其無應力狀態即確定。因此，匹配時需嚴格控制主梁軸線、無應力夾角、曲率。通過調整梁段間相對標高關系和整體線形來控制梁段間的無應力夾角，使主梁線形平順。由于主梁應力在施工階段的容忍度比較大，按照反饋控制的原理，只要每階段進行斜拉索索力調整即可在成橋狀態時達到理想值。但是對于采用懸臂拼裝鋼主梁斜拉橋，由于安裝階段主梁已經預制完成，節段與節段之間可以調整的余地很小，因此只能通過斜拉索索力、焊縫寬度或頂底板長度的微調來抵消出現的誤差。

5.2 斜拉索張拉階段的線形控制

斜拉索張拉階段主要通過斜拉索無應力狀態下索長量的調整來控制主梁節段的標高值，此過程需考慮溫度效應的影響，并對監測點坐標進行全局測量分析。由于各種因素的影響，斜拉索按理論無應力索長張拉到位后，主梁標高會與目標值有一定偏差。如偏差過大則需通過實測數據重新計算無應力索長，以更新后的索長作為張拉控制目標。實際操作時，常通過改變有限元模型中斜拉索的無應力長度進行迭代計算。當斜拉索無應力索長改變量引起的主梁標高變化量與標高誤差相符時，則可停止計算，以此來控制斜拉索張拉階段的線形。

5.3 成橋后的線形控制

全橋共設置196 根斜拉索，在施工控制仿真計算中采用正裝迭代優化分析，以縱橋向整體線形和內力狀態為控制目標，進行最優索力優化，最終提出合理的斜拉索張拉方案。在斜拉橋次邊跨、邊跨、中跨完全合龍以后對全橋主梁的高程和全橋斜拉索的索力進行通測。綜合高程和索力的數據，對結構整體狀態與預計值偏差較大的斜拉索進行二次調索。通過成橋后的二次調索，在保證主梁線形的同時，使成橋的索力和鋼結構的內力最大限度接近理想狀態。

6 結束語

在斜拉橋主梁線形控制過程中必須堅持以線形控制為主，同時考慮斜拉索的索力與鋼主梁的應力，確保斜拉橋主梁線形的平順、合理，以及結構安全。并且在斜拉橋主梁線形控制的各個階段，識別并分析影響斜拉橋線形控制的因素，通過迭代優化對各種參數進行修正，對橋梁線形控制有重要意義。