超長聯(lián)矮塔斜拉橋施工監(jiān)控技術與應用研究

張心純

(中國鐵建投資集團有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

在我國中西部山區(qū)橋梁建設中，高墩、多跨連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構橋以及斜拉橋通常作為橋式首選方案。對于連續(xù)梁及連續(xù)剛構體系，山區(qū)條件下常出現(xiàn)腹板開裂、跨中持續(xù)下?lián)稀㈩A應力損失嚴重、徐變和溫度內力較大等問題[1]。而斜拉橋若采用高墩、多跨布置體系，會導致結構整體剛度損失嚴重情況[2]。矮塔斜拉橋是介于梁式橋與斜拉橋之間的新型橋型，結合了以上兩類橋型主要特點，具有良好的經濟特性和美學效果，可以較好地解決山區(qū)橋梁建設中存在的上述問題[3]。

矮塔斜拉橋作為一種“組合”式結構，受力趨近于連續(xù)剛構，但是較連續(xù)剛構受力更為復雜[4]。根據(jù)矮塔斜拉橋受力特性，有必要開展施工監(jiān)控，確保結構成橋狀態(tài)滿足設計要求。

矮塔斜拉橋的梁體剛度較大，斜拉索與橋面角度較小，索力變化對主梁線形影響能力弱，但對梁體應力影響較大；而梁體施工時，溫度變化等對索力影響較大，從而對索塔及索錨區(qū)應力有較大影響。高墩情況下，日照輻射產生的溫度應力對塔柱水平位移影響尤其顯著。所以，保障合龍精度是施工控制過程中的難點。施工中影響結構變形和受力的參數(shù)眾多，且多部位誤差會相互影響，橋梁施工監(jiān)控需貫穿整個施工過程[5]，對塔梁墩的應力、應變、溫度、標高、索力等進行全面監(jiān)測，采用穩(wěn)定可靠的施工控制措施，確保成橋后結構內力和線形滿足設計要求。

本文結合灰色預測理論建立矮塔斜拉橋預測模型，根據(jù)預測成果，提出響應施工措施，并應用于施工參數(shù)的理論計算及各影響因素對成橋狀態(tài)的影響進行預測。

2 施工控制方法

為了解橋梁應力隨施工階段變化規(guī)律，對橋梁未來狀態(tài)做出準確預測，本文應用灰色預測理論構建模型，對矮塔斜拉橋施工過程應力變化情況進行預測分析。針對矮塔斜拉橋懸臂施工特點，將橋梁結構工作狀態(tài)視為一個較為復雜的灰色系統(tǒng)，該系統(tǒng)內有些信息明確、有些不明確[6]。

根據(jù)灰色理論建模要求，控制參數(shù)數(shù)量不得少于4個。因此，在進行實橋懸臂施工標高數(shù)據(jù)觀測時，應對懸臂梁體前4塊按理想設計狀態(tài)加經驗值立模施工，在相同時間間隔觀測撓度值(標高)，并對每塊標高觀測值進行溫度效應修正。則有:

式(1)數(shù)據(jù)序列經1-AGO后形成新數(shù)列:

白化形式微分方程的解為:

根據(jù)式(7)可以預測后續(xù)各懸澆階段標高變化值，再經過還原生成(累減)標高預測序列，前面4次預測值與式(1)數(shù)據(jù)數(shù)列進行比較，來判斷是否進行殘差修正計算。

殘差修正的具體方法為:首先進行殘差檢驗，除預測精度較好或合格者無需進行殘差修正外，其余均應進行殘差修正計算，直至殘差檢驗滿足預測精度要求為止。此時計入殘差的GM(1，1)模型即為最終的標高預測模型。

3 工程概況及有限元分析

3.1 工程概況

公路矮塔斜拉橋主橋全長1 170 m，橋面寬度29.5 m，上部結構為125 m＋4×230 m＋125 m五塔六跨預應力混凝土矮塔斜拉橋，為塔墩梁固結剛構體系。下部結構采用鉆孔灌注樁基礎。設計荷載為公路—Ⅰ級。

主梁為預應力混凝土結構，采用大懸臂變高度單箱三室斜腹板截面。箱梁頂板寬度為29.5 m，兩側翼緣板長4.5 m，腹板斜率1∶2.998，底板寬度隨梁高由15.5 m漸變至18.635 m。橋面設2%雙向橫坡，底板水平。主梁支點處高度8.5 m，跨中梁高3.8 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。

索塔與主梁固結，橋面以上塔高36 m。塔柱采用八邊形實體截面，橫橋向尺寸為3.5 m。斜拉索為中央索面，雙排布置在主梁中央分隔帶處。采用分絲管式索鞍結構，在塔上連續(xù)通過，在索鞍一側設置單根可更換式單側雙向抗滑錨固裝置，實現(xiàn)拉索在索塔位置處的錨固固定，分絲管中段為圓弧形。斜拉索兩側對稱錨固于主梁，采用主梁側單端張拉。每個索塔設有2×15對30根斜拉索，全橋共150根斜拉索。

施工過程為:塔墩澆筑→主梁節(jié)段掛籃懸臂澆筑→張拉斜拉索→合龍前進行跨中頂推并完成合龍→體系轉換→索力調整→橋面鋪裝→成橋。

3.2 施工仿真計算

該橋為一種復雜的空間結構，將其簡化為桿系結構并采用結構力學方法進行分析和計算。斜拉索采用桁架單元進行模擬[7]。

主橋上部結構采用MIDAS/Civil有限元程序進行計算。根據(jù)橋梁跨徑布置及主梁橫斷面剛度，按照空間實用理論簡化為空間桿系。全橋離散為1 888個節(jié)點，1 569個單元。靜力計算模型見圖1。

圖1 靜力計算有限元模型

4 施工控制

4.1 線形控制

主梁施工采用掛籃懸臂澆筑法。由于索對主梁撓度影響不大，可通過確定索的初張力及梁預拋高的方法調整線形[8]。在節(jié)段澆筑、預應力張拉、斜拉索張拉后對各節(jié)段標高、梁體應力、索力進行監(jiān)測，通過灰色控制理論方法進行后續(xù)線形預測并確定預設標高調整方法。

部分成橋線形對比如圖2所示。由圖2可知，成橋后主梁實測高程和設計高程較為吻合，橋面線形基本平順，線形控制理想。

圖2 部分成橋線形對比

環(huán)境溫度對箱梁懸臂施工影響很大，懸臂箱梁的變形隨溫度升高和懸臂長度的增加而增大[9]。為保障測量精度，減小誤差，所有測量工作均在低溫時段進行。運用灰色理論模型預測，考慮日照溫度對梁標高影響較大，應從測量數(shù)據(jù)中剔除該影響，以保證預測結果的準確性。

4.2 應力控制

箱梁應力受索力、施工因素影響較大，應在節(jié)段懸臂澆筑、預應力張拉、索張拉、合龍前后及體系轉換后及時監(jiān)測截面應力變化情況，以確定施工過程中截面應力狀態(tài)[10－11]。根據(jù)結構驗算結果，主跨應力控制截面為墩頂部0＃塊中心截面、懸臂根部截面、最大懸臂1/2截面以及合龍位置。

圖3為主橋12號墩0＃塊中央截面頂板應力變化曲線。從圖3可看出，應力實測值與理論值整體變化趨勢基本一致。

圖3 12號墩0＃塊中央截面頂板應力變化曲線

4.3 索力控制方法及措施

索力控制直接影響矮塔斜拉橋受力性能。在每個施工階段懸澆混凝土完成及斜拉索張拉后，需監(jiān)測當前施工節(jié)段及其鄰近3對斜拉索的索力。每對斜拉索在成橋狀態(tài)進行一次索力測量，為索力控制提供依據(jù)。根據(jù)設計調整索力，保障成橋線形滿足設計要求。

4.3.1 索力測定方法

(1)為減小溫度對索力測定的影響，測量時間選擇低溫時段(5:30～7:30)。

(2)12～26號節(jié)段，每節(jié)段澆筑完成后，測量懸臂端4對索索力；張拉斜拉索完成，再次測量懸臂端4對索索力。

(3)施工到關鍵工序(如邊跨、中跨合龍前，成橋調索前后)進行全橋索力測量。

(4)當結構實際狀態(tài)與理論狀態(tài)相差較大時，進行全橋索力測定。

4.3.2 索力控制

斜拉索的索力控制，其核心為:通過對各施工階段梁的變形和索力監(jiān)測，并運用灰色理論方法，預測下一階段梁的標高和應力，進而計算索的初張力，在合龍后根據(jù)監(jiān)測結果進行索力微調。10號墩大里程方向(下游)索力監(jiān)測結果見表1。由表1可知，索力誤差均控制在±5%以內，滿足規(guī)范要求。

表1 10號墩大里程向索力監(jiān)測結果

4.4 索塔應力及變位監(jiān)測

4.4.1 索塔應力監(jiān)測

超長聯(lián)矮塔斜拉橋索塔既要承受恒載和活載產生的巨大軸向力和彎矩，又要承受溫度變化、風荷載、混凝土收縮徐變帶來的內力影響[12]。由于主塔根部彎矩最大，選擇大橋每個主塔部位橋面向上1.5 m截面布置4個測點，安裝混凝土應變傳感器。斷面測點布置如圖4所示。12號墩索塔根部向上1.5 m位置應力對比見圖5。由圖5可知，索塔在施工階段壓應力在0.61～4.6 MPa范圍。

圖4 索塔應變測點布置

圖5 12號墩索塔根部向上1.5 m位置應力對比

4.4.2 索塔變位監(jiān)測

索塔變位監(jiān)測包括順橋向和橫橋向兩個方向。主塔在施工和成橋狀態(tài)通過斜拉索分擔部分梁體重量。在不平衡荷載和大氣溫差及日照影響下，均會使主塔產生不同程度的變形[13]。施工過程中對主塔變位進行監(jiān)測，在每個主塔距塔頂1.5 m位置上下游各設1個測點，安裝反光棱鏡，用全站儀進行監(jiān)測。

施工過程對5個主塔變位進行了監(jiān)測，其中10號墩索塔變位監(jiān)測結果見表2。由表2可知，成橋后索塔頂橫向變位、縱向變位均小于理論值，索塔變位在合理范圍內。

表2 10號墩索塔變位監(jiān)測

4.4.3 索錨區(qū)監(jiān)測

為了更準確地獲得索塔錨固區(qū)域在斜拉索作用下的受力狀態(tài)，監(jiān)測每個懸臂階段各個施工工況下的索錨區(qū)混凝土應力變化，確保結構施工安全、受力合理。經分析，C1索為豎向軸力最大位置，C5索錨區(qū)主壓應力最大，選擇C1、C5斜拉索索錨下混凝土作為監(jiān)測位置，在相應位置埋設應變傳感器進行監(jiān)測。

由于索錨區(qū)域處于三向空間受力狀態(tài)，故將應變傳感器分別平行于順橋向(平行于索孔方向)、橫橋向、豎橋向(垂直于索孔方向)埋設于索錨分絲管下部混凝土內，以同時獲取三個方向的應力變化情況。

應力對比如圖6所示。圖6表明，應力實測值與理論值整體變化趨勢一致，主塔斷面應力水平合理。

圖6 12號索塔索錨C1底應力對比

5 結束語

本文針對矮塔斜拉橋懸臂施工特點，提出了基于灰色理論的施工控制方法，通過結構理論預測和分析，確定施工監(jiān)控控制要點并成功應用于橋梁施工監(jiān)控全過程。實踐證明，橋梁結構施工全過程處于良好受控狀態(tài)，結構線形、受力狀態(tài)與目標狀態(tài)基本吻合，達到了施工控制目的和要求。