大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工控制關鍵技術

鄒曉琴

摘 要：大跨徑鋼箱梁斜拉橋不但可以實現更大的通航需求，還可以簡化橋梁基礎在復雜環境下的施工難度，被廣泛應用于跨海大橋的建設中。為了確定合理的成橋目標狀態，并建立施工過程中線形和內力的控制方法。本文對跨海交通工程大跨徑鋼箱梁斜拉橋的施工控制關鍵技術進行了研究。通過明確橋梁施工過程若干關鍵控制要點，借助基于自適應控制原理的施工全過程有限元計算分析，并有針對性的建立現場監測方法和控制策略，為鋼梁懸臂施工階段的線形控制提供有效的理論指導依據，并為建立系統而有效的施工控制系統打下堅實的理論基礎。

關鍵詞：鋼箱梁;斜拉橋;施工控制;自適應控制;有限元分析;線形控制

中圖分類號：U422.5 文獻標識碼：A

0 引言

當前，大跨徑鋼箱梁斜拉橋因為其所具備的獨特特點，在跨海大橋建設中的應用非常的廣泛。為了確保大跨徑鋼箱梁斜拉橋建設質量，接下來主要就結合具體的工程實例，對大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工控制技術進行了分析。

1 工程概況

跨海交通工程主跨跨徑為580 m的整幅鋼箱梁斜拉橋，大橋全長1 170 m，位于半徑25 000 m的豎曲線上，兩側橋面縱坡2.0%，橋面寬43.5 m，設2.5%雙向橫坡。大橋為5跨連續結構，采用半漂浮結構體系，跨徑組成為（110+185+580+185+110）m，邊主跨比0.509。

大橋先施工主塔、過渡墩及輔助墩，再安裝索塔區主梁，標準節段主梁施工采用橋面吊機施工。主梁合龍按照先邊跨、后中跨的順序進行。最后進行橋面附屬設施和局部索力調整。

2 施工控制的關鍵問題

綜合大跨徑鋼箱梁斜拉橋的結構特點和海上施工條件，施工控制中的關鍵問題分析如下：

（1）大跨度鋼主梁斜拉橋在懸臂施工階段主梁的線形控制。采用自適應控制思路，懸臂施工階段在施工前幾個節段時，出現誤差后及時分析誤差發生的原因，識別設計參數后及時修正計算模型，通過修改施工索力計劃調整線型誤差，使理論計算更逼近于實際響應，并且修正后的有限元模型得到的新索力計劃必然比原計劃更加合理，因而出現誤差的可能性減小，在以后的施工中索力調整的要求將越來越少。

（2）懸臂拼裝施工斜拉橋過程控制。該橋斜拉索傾角變化大，結構空間效應明顯，在拉索索力作用下，結構將承受較大的線形和內力變化，因此必須準確模擬精確監控，制定合理的斜拉索初張力，保證施工過程中主塔柱間受力平衡，并將理論計算和監測結果對比分析，以便對各階段斜拉索張拉力進行調整[1]。

（3）結構自身的參數及環境參數的全過程實時監控。結構自重參數的估計直接影響結構的線形控制，施工臨時荷載的估計需要充分考慮現場的實際施工條件;日照作用、晝夜溫差對主塔、主梁、索的線形和應力均會產生很大影響，因此全過程精準實時監測溫度變化及其影響量，并進行修正計算，以便最大程度的減小溫差所帶來的影響。

3 施工控制全過程計算分析內容及方法

3.1 成橋狀態和施工過程控制目標的確定

學者們自斜拉橋建設時就開始研究成橋狀態確定施工安裝索力及構件安裝線形的算法，如倒退分析、無應力狀態法等。無應力狀態法從成橋狀態確定的每個施工步驟控制數據，在橋梁體系轉換時仍采用倒退法分析，需要施加強迫力才能達到成橋狀態。為避免上述問題需將成橋狀態與施工過程同時考慮[3]。

根據斜拉橋的受力特點，采用最小彎曲能量法，即主梁彎矩較小時接近最優[4]。以此來確定施工過程中的索力方案，該橋施工階段張拉力及成橋索力如圖1所示。

3.2 關鍵施工控制數據的確定

對于該橋，由于通過施工過程斜拉索合理的張拉方案將主梁施工累積變形控制在比較小的范圍內，且變形形狀較為平順，鋼箱梁制造時可不考慮設置制造預拱度（該橋鋼梁制造線形如圖2所示），即按照豎曲線線形（設計高程）進行制造，懸臂施工過程中通過微調相鄰梁段間焊縫寬度的方式來調整相應梁段施工累積位移從而達到無應力狀態。

3.3 鋼梁橫向變形計算

考慮到本橋鋼箱梁橫橋向寬度達46 m（含風嘴），因此需要對鋼箱梁結構在施工全過程中的橫橋向變形進行計算。但由于全橋空間桿系有限元計算模型無法計算鋼梁本身的橫向變形，因此需建立相應的板殼空間局部模型進行橫向變形分析，確定是否有必要設置相應的橫向預拱度，從而保證成橋階段鋼梁橫坡滿足設計要求。

根據計算結果，在一期+二期荷載作用下，鋼梁中心與翼緣位置橫向變形差僅為23.3 mm（無隔板位置）和22.1 mm（有隔板位置），對橫坡影響約為1/1 000，可不設置鋼梁橫向預拱度。

3.4 鋼梁懸拼階段計算分析

該階段計算分析的目的是得到斜拉橋施工過程中各階段恒載及施工荷載等外力作用下結構的內力和變形并與現場采集數據（包括節段重量、索力、標高、塔偏、應變、溫度等）進行對比分析。鋼梁節段安裝過程中根據當前狀態下實際荷載、邊界條件、實際參數和誤差狀況等因素進行結構實時響應分析。

根據響應分析對當前梁段進行調整，使實際狀態逼近施工階段理想狀態，對當前結構狀態進行評估，并對下一梁段的施工和斜拉索張拉進行預測。

4 現場監測與控制技術

施工過程監測是施工控制系統中獲取反饋的必要組成部分，施工監測系統的完善與否將直接影響控制系統的精度及結構安全。

4.1 常規監測內容

首先，根據現場情況建立的各橋平面控制網和高程控制網點，設立監控高程控制點，在鋼結構下料完成后應對結構無應力制造線形進行復核。在后續主梁懸臂拼裝階段中，及時對主塔的基礎沉降、主塔線形（偏位、高程、塔柱傾斜度）、主梁各節段線形（主梁高程、軸線、橫坡等）以及斜拉索力進行跟蹤監測，保證施工過程中的線形與監控指令及時核對，確定理論值與實測值的偏差，并通過自適應原理及時修正拼裝誤差[5]。

4.2 考慮特殊條件下的主梁線形控制方法

由于大跨徑斜拉橋鋼主梁剛度較柔，主梁前端標高受索梁溫差和主梁溫度梯度影響很大，在施工過程中，通常采取限制鋼梁安裝定位和測量的時間來避免溫度效應的影響，然而迫于工期緊張、海上施工環境差等客觀因素，不得不選擇不利自然條件下施工，這將嚴重影響鋼梁的精確定位和線形測量工作，為此確保下一節段匹配的精度是主梁架設階段需要解決的重要問題[6]。

本橋采用無應力線形配合切線拼裝的方法，對節段間的夾角進行控制，從而回避溫度、風等不利自然條件影響，達到匹配階段主梁標高控制的目的。主梁安裝時只需將制造階段主梁預拼無應力線形恢復，則成橋后主梁內力與變形狀態即是目標狀態。因此，匹配時需嚴格控制主梁無應力夾角、曲率、軸線。通過調整梁段間相對標高關系控制梁段間的無應力夾角，使主梁線形平順。當然，實際施工中需考慮已拼梁段高程誤差、轉角誤差以及待拼梁段N在吊裝過程中自重彎曲變形誤差影響。

5 結語

本文對跨海交通工程進行系統分析，對大跨徑鋼箱梁斜拉橋的施工控制關鍵技術進行了研究。充分考慮了大跨徑雙塔鋼箱梁斜拉橋結構及環境特點，明確了該類橋梁在施工控制中的關鍵控制要點，借助基于自適應控制原理的有限元計算分析與現場監測手段完善線形控制策略和施工控制系統。本文在綜合現有理論研究與實踐成果的基礎上，對大跨徑雙塔斜拉橋的施工控制策略進行了系統介紹，可為跨海交通工程高質量實施提供參考。

參考文獻：

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]梁鵬，肖汝誠，等.斜拉橋索力優化實用方法[J].同濟大學學報，2003（11）：1270-1274.

[3]顏東煌.斜拉橋合理設計狀態確定與施工控制[D].湖南大學，2001.

[4]向中富.橋梁施工控制技術[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]尼爾斯丁吉姆辛（姚玲森等譯）.纜索承重橋梁[M].北京：人民交通出版社，1992.

[6]常英.大跨鋼箱梁斜拉橋施工控制要點分析[J].公路交通科技，2001（1）：39-43.