基于支架法施工的獨塔斜拉橋施工監控分析

余小勇

(中鐵二十四局集團浙江工程有限公司 浙江杭州 310009)

1 引言

斜拉橋是一種多次超靜定結構，結構變形和應力與施工方式有關，合理的施工監控是確保橋梁結構成橋狀態滿足設計、規范要求的重要保證[1]。對于斜拉橋施工分析通常有兩種方法:一是倒拆分析法[2]，另一種為正裝分析法[3]。但此兩種方法進行現場施工分析，均會導致斜拉橋各控制值與目標值不一致的情況。因此，在施工過程中，如何利用有效的控制方法，對現場施工遇到的實際問題進行分析，調整斜拉橋成橋后各結構控制值在規范允許范圍內是保證工程順利完工、結構安全運營的關鍵。

本文所研究工程背景斜拉橋主跨鋼箱梁采用支架法施工，支架的設計、變形及其體系轉換是施工中的重點，索的張拉順序和張拉力大小的優化以及過程控制是本項目的難點，如何控制索的張拉精度是本橋施工重點。因此，需要注重對該橋的施工監控，以保證橋梁施工高質量、安全順利完成。

2 工程概況

(1)主橋基本信息:南溪大橋是永康市區四環線跨越南溪的控制性工程，橋梁工程包括主線橋與慢行橋。其中主線橋全長267 m，主橋為(108＋80)m獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全寬40 m。橋塔整體造型為倒“Y”型，拉索區上塔柱結構斷面為箱型空心斷面，外形尺寸為(3.0×4.0)m；下塔柱結構斷面為矩形實心斷面，外形尺寸為(3.0×4.0)m，輔柱尺寸為(2.5×4.0)m。拉索集中布置在上塔柱內。塔頂標高155.0 m，承臺以上塔高69 m，橋面以上塔高約57 m。全橋縱向布置8對斜拉索，共8×4＝32根斜拉索。

(2)主橋總體施工方法:在主橋東岸布置施工基地。預制好板單元并拼裝好鋼箱梁節段，然后吊裝到主橋貝雷支架上，逐段拼裝焊接，直至安裝完成全部鋼箱梁；然后張拉斜拉索，完成橋面系統及涂裝后落架，再進行2次拉索。橋梁具體布置情況如圖1、圖2所示。

圖1 南溪大橋主橋總體布置(單位:cm)

圖2 南溪大橋主橋橫斷面(單位:mm)

3 施工監控概述

3.1 施工監控原則

施工監控過程中須遵循以下原則[4－5]:

(1)受力要求:斜拉橋主要是主梁、索塔和索三大構件受力，索力是三大構件最重要的影響因素。故索力控制顯得尤為重要，關系到斜拉橋整體結構安全。

(2)線形要求:一是各節段主梁的標高，二是橋塔偏位。對于本工程而言在支架法架設主梁過程施工中，要控制主梁的標高滿足線形要求，在調索過程中，要控制各施工步驟下塔頂的偏移量滿足規范要求。

(3)內力與線形調控要求:索力調整是受力狀態調整的直接手段，調整立模標高是主梁線形調整的直接手段，兩者相互影響。本工程采用支架法施工，主梁架設完成后再進行斜拉索張拉，故節段立模對索力的影響較小，可以忽略。

3.2 施工監控手段

在本項目施工控制中，采用自適應方法[7]進行施工控制。該方法是在閉環反饋控制的基礎上，再加上一個系統參數識別過程，是預告—施工—現場數據采集—參數識別—誤差分析—修正—再預告的過程，如圖3所示。在施工過程中，每一工況施工完成后采集數據與模型計算結果對比并計算偏差，根據偏差對模型進行調整，使模型的計算結果與實際測量的結果盡量一致，再重新計算各施工階段的理想狀態，按反饋控制方法對結構進行控制。多個工況的反復調整之后，模型就能更接近實際施工狀態，對監控任務具有更好的指導作用[6－7]。

圖3 斜拉橋施工控制流程

(1)主梁施工采用支架法。在該施工階段，根據現場實測數據反饋計算完成后，按照調整后標高指令進行施工。

(2)斜拉索采用二次張拉方案。其中第一次張拉于鋼箱梁在支架上拼裝完成后進行脫架和體系轉換工作后進行，第2次張拉是成橋后的調索，兩次張拉均需對索力進行精確控制，因此該階段施工控制手段是以索力控制為主。

4 施工監控過程分析

4.1 施工初始狀態復核

為了更好完成監控任務，首先有必要對設計計算過程進行基本復核。對斜拉橋主體結構建立空間模型，如圖4所示。全模型共618個節點、865個單元。主梁及橋塔用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬。主梁截面分為5片縱梁，根據整體箱梁的抗扭參數，單片縱梁的抗扭參數按面積進行分配；在有橫隔板的位置建立橫向聯系，修正橫梁剛度，保證截面整體變形協調。

圖4 南溪大橋計算模型

在給定荷載條件下，確定合理成橋索力。在兼顧主梁位移的情況下，本次計算優先考慮橋塔偏位最小，通過迭代計算給出成橋索力，見表1。斜拉索的號碼從靠近橋塔位置開始編號，依次為A1、J1→A8、J8，其中A為主跨、J為邊跨。

表1 成橋索力計算結果

從表1可看出，成橋索力與設計索力偏差均小于2%，施工過程分析仍將以設計索力為目標索力。

利用該組索力對施工過程進行分析，針對本工程支架法施工的特點將施工步驟細化為:

(1)結構及臨時支座激活，施加第一輪壓重(占壓重值的2/3)；

(2)第一輪索力張拉(約為目標索力的90%)；

(3)一次落架；

(4)二期鋪裝，施加第二輪壓重；

(5)第二輪索力張拉。

通過分析，得到各階段主塔應力均為壓應力，主梁應力最大為42 MPa(壓應力)，且落架后主梁最大應力相較于初張拉時減小1 MPa。最終調整索力與目標索力偏差均小于0.2%。橋塔順橋向偏位最大為6.4 mm＜(H/4 000)＝17.25 mm(H為塔高)。表明張拉方案合理，理論結果符合設計和規范要求。

4.2 索力控制結果分析

該橋采用二次張拉[9]方案。其中第一階段的張拉值為目標索力的90%，經測量初張拉完成后實測索力與目標索力偏差如圖5所示，均小于1%。最大橋塔偏位為56 mm，縱橋向向西偏位較大，主塔應力均為壓應力，主梁應力最大為36 MPa，均在控制范圍內。

圖5 南溪大橋初張拉索力偏差

待體系轉換及后續施工總體完成后，對全橋索力進行一次通測。根據現場實測值，提出二次張拉方案，進行二次調索。本工程二次索力調整采用自適應方法。在索力調整過程中，將獲取的實測數值與理論模型計算數據進行對比，計算出相應的偏差，并對模型進行相應調整，盡量使實測結果與模型結果相吻合。可得到各施工階段新的理想狀態，按反饋控制方法[10－12]對索力進行控制。永康南溪大橋共8對斜拉索，根據計算結果及施工方案從外側向內側逐步對稱調整索力，調整順序為A8、J8→A1、J1，各施工步驟完成后斜拉索實測索力與目標索力的偏差情況如圖6所示。

圖6 成橋狀態斜拉索索力對比

該階段，每調整1對斜拉索，對全橋斜拉索的索力進行測量。最終調索完成后與成橋設計索力做對比，得到施工完成后各斜拉索的索力誤差。由圖6可得出，最終索力值與目標值吻合良好，偏差均小于5%。

4.3 塔頂偏位監測結果分析

本橋為獨塔斜拉橋，索塔兩側橋跨采用不對稱布置，主塔容易在不對稱荷載下產生較大偏位[11]。根據監測結果，從斜拉索初張拉至2次調索完成，塔頂偏位趨勢如圖7所示。

圖7 南溪大橋塔頂偏位示意

由監測結果可知，斜拉索初張拉完成后橋塔縱橋向偏位較大，達到－56 mm(負號表示向主跨偏移)，隨著二次調索的逐步進行，橋塔偏位逐漸減小，至調索完成偏位值控制在－25.7 mm，橋塔變形滿足設計要求。

4.4 主梁變形監測結果分析

主梁撓度監控是確保橋面線形是否滿足設計要求的重要環節，也是確保支架穩定性、張拉合理性的檢驗手段。根據監測結果，從斜拉索初張拉至二次調索完成，主次跨最大撓度變形趨勢如圖8所示。由監測結果可知，斜拉索初張拉完成后主梁長跨及短跨最大撓度分別達到－17 mm和－27 mm(負號表示變形方向豎值向下)，隨著二次調索的逐步進行，長短跨最大撓度逐漸減小，至調索完成偏位值控制在－3.0 mm和－14.0 mm，撓度變形滿足設計要求，同時也驗證了兩次張拉方案的合理性。

圖8 梁段最大變形趨勢

4.5 應力及支座反力監測結果分析

主梁、索塔和拉索三大構件的內力或應力狀況反映了斜拉橋整體受力狀態。對于支架法施工的獨塔不對稱斜拉橋來說，為了了解落架后關鍵截面應力狀況以及斜拉索是否正常發揮作用，應力及支座反力[12]監測非常必要。

監測結果分析可知:各階段完成時主塔應力均為壓應力，二次張拉過程中橋塔墩支座處未出現負反力，表明未發生支座脫空現象。斜拉索二次張拉過程中，主梁應力最大為35 MPa，所有構件受力均處于安全范圍內。

5 結束語

(1)對于施工監控任務，在開展現場監測任務之前有必要對設計計算過程進行基本核復，了解設計意圖，從而制定合理的監測方案。

(2)本工程采用自適應方法進行施工控制。通過多次實測數值與理論模型計算數據進行對比，計算出相應的偏差，再對模型進行調整，可得到各施工階段新的理想狀態，按反饋控制法對索力進行控制。該方法很好地指導了現場施工，具有一定的施工參考價值。

(3)針對斜拉橋支架法施工，監測結果顯示采用初張拉完成落架體系轉換，再進行二次調索的施工過程中，主梁受力合理，梁體撓度、橋塔偏位及索力值等均在控制范圍內，表明該施工方案的合理性。

(4)二次調索過程中，根據各階段實測數值結果反饋，可知斜拉索初張拉完成后橋塔縱橋向偏位較大，達到－56 mm(負號表示向主跨偏移)，隨著二次調索的逐步進行，橋塔偏位逐漸減小，至調索完成偏位值控制在－25.7 mm，橋塔變形滿足設計要求。在斜拉索索力方面，最終調索完成后索力值與目標值吻合良好，偏差均小于5%。主梁撓度變形方面，隨著二次調索的逐步進行，長短跨最大撓度逐漸減小，至調索完成撓度值控制在－3.0 mm和－14.0 mm，撓度變形滿足設計要求。主要構件應力及支座反力方面，各階段完成時主塔應力均為壓應力，二次張拉過程中橋塔墩支座處未出現負反力，表明均未發生支座脫空。主梁應力最大為35 MPa，所有構件受力均處于安全范圍內。以上結果驗證了二次張拉方案的合理性。