基于無應力狀態法的懸臂施工橋梁遠端控制技術

摘要：濟寧市京杭運河新建輔道橋主橋采用連續梁橋懸臂拼裝施工，施工控制是分階段成形橋梁施工控制的重點和難點，鋼梁線形控制精度要求高，在現場拼裝時需要保證成橋平面及豎曲線線形，控制難度大。文章分析了傳統施工控制方法的不足與無應力狀態法的應用原理。采用橋梁專用有限元軟件Midas"Civil進行施工前有限元仿真計算。基于無應力狀態法理論提出了通過遠端調節方法實現懸臂拼裝快速合攏的方法，降低施工控制難度，加快進度提高效率。

關鍵詞：橋梁與隧道工程""無應力狀態法""施工控制技術""分階段施工橋梁"""MIDAS模型

中圖分類號：U445.4"""""文獻標識碼：A

Bridge"Remote"Control"Technology"for"Cantilever"Construction"Based"on"the"Sress-Free"State"Method

WU"Zhengyi

（Shanghai"Civil"Engineering"Co.，"Ltd."of"CREC，"Shanghai，"201906"China）

Abstract：The"main"bridge"of"the"newly-built"auxiliary"road"bridge"of"the"Beijing-Hangzhou"Canal"in"Jining"City"adopts"continuous"bridge"cantilever"assembly"construction."Construction"control"is"the"key"and"difficult"point"of"the"construction"control"of"the"shaped"bridge"in"stages，"the"requirements"of"steel"beam"linear"control"accuracy"are"high，""it"is"necessary"to"ensure"the"plane"and"vertical"curve"linear"shape"of"the"finished"bridge"when"assembling"on"site，"so"it"is"difficult"to"control."This"paper"analyzes"the"shortcomings"of"traditional"construction"control"methods"and"the"application"principle"of"the"stress-free"state"method，"uses"Midas"Civil，"a"special"finite"element"software"for"bridges，"to""carry"out"finite"element"simulation"calculation"before"construction，"and"proposes""a"method"to"realize"the"rapid"closing"of"cantilever"assembly"through"the"remote"adjustment"method"based"on"the"theory"of"the"stress-free"state"method，""so"as"to"reduce"the"difficulty"of"construction"control，""accelerate"progress"and"improve"efficiency.

Key"Words：Bridge"and"tunnel"engineering；Unstressed"state"method；Construction"control"technology；Bridge"constructed"by"stages；MIDAS"model

復雜體系的橋梁建設中多采用分階段施工的方法，橋梁多階段施工與復雜的體系轉換是分階段施工橋梁比較大的難題。為保證成橋狀態下的內力及線形滿足設計目標，施工過程中的內力及線形處于安全狀態，需要進行施工過程的控制。

傳統施工控制方法通過逐階段計算以及數值累加，得到各施工階段結構變形與成橋目標差，各階段之間緊密聯系，各階段與最終成形狀態的內力和線形與施工過程密切相關，受到施工工藝及施工荷載的影響[1]。

秦順全院士提出了一種解決橋梁分階段施工的理論控制方法——無應力狀態控制[2]。無應力狀態控制法指出，結構內力、位移的變化是由無應力狀態量引起的，只要結構單元的無應力狀態量、最終成橋狀態的結構體系、結構支撐條件以及所承受的外荷載一致，則結構分段施工過程對最終成橋狀態的內力及線形不產生影響。無應力狀態控制法的出現降低了施工工藝及施工荷載帶來的影響，使復雜體系分階段施工橋梁的施工控制有了質的改變。該方法現已在國內多座橋梁的施工控制中成功運用[3]。

葉再軍等人[4]研究發現不同合龍順序，合龍時合龍段無應力狀態量的不同，從而造成成橋位移和內力的不同。韋輝[5]分別利用無應力狀態法、倒拆-正裝迭代法和正裝迭代法確立了理想施工狀態，說明了無應力狀態法在鋼桁架拱橋中施工控制中的顯著優勢。楊繼承等人[6]提出了基于成橋彎矩和誤差控制兩大參數的吊裝節段劃分原則，并運用無應力狀態基本理論進行了施工控制計算和施工階段誤差修。

1"傳統施工控制方法

傳統施工控制中，常采用倒拆-正裝迭代法獲得橋梁在各施工階段的變形和累積變形，首先在不考慮各種非線性問題的情況下進行倒拆計算，再根據倒拆計算結果，考慮各種非線性的影響進行正裝計算。而后去除正裝計算時的各種非線性影響再進行倒拆計算，按此步驟循環計算直至計算結果收斂。

通過倒拆-正裝迭代法，計算每一個施工階段結構變形與成橋目標差，進而將此累積變形預先補償在施工階段，反向設置為施工預拱度，通過設置施工預拱度來實現成橋線形，消除恒載、施工臨時荷載、預應力損失等荷載對橋梁線形的影響。按照計算的施工預拱度分節段確定制造線形，在施工過程中按施工階段測量結構實際位形，計算施工階段實際位形與理論安裝位置偏差，在下一施工階段反向調節施工預拱度。最后循環“安裝—測量—調整—安裝”，直至合攏成橋。

成橋豎向位移的計算采用切線初始位移法[7]，將下一連接節點的初始位移沿著已成梁段懸臂端切線上設置，把到結點偏移零位置的距離作為累積位移值。大跨度連續梁橋平面線型施工放樣通過全站儀采用偏角法[8]，在進行實際放樣過程中，主橋位于大半徑曲線段和直線段上。

無論是切線位移法或是偏角法，理論計算雖然可以得到較為準確的施工預拱度，但結構截面變形往往被忽略，即便是考慮了結構截面變形，但施工拼裝時前后節段的應力狀態不一致，拼接面焊接后應力重分布造成新安裝節段產生變形偏離理論位置。

分階段施工橋梁有下3種線形，即制造線形、安裝線形以及成橋線形。制造線形是節段在工廠預制階段處于無應力狀態下的設計線形；安裝線形是橋梁結構中各個新安裝節段自由端在安裝過程中與已成梁段懸臂端連接所成的線形；成橋線形也稱目標線形，是橋梁建完后充分考慮混凝土的收縮徐變、鋼材松弛等因素后的線形。

就鋼箱梁懸臂拼裝而言，由于橋梁的安裝線形與施工過程密切相關，不同施工過程及荷載會得到不同的安裝線形，若僅按照橋梁的安裝線形進行施工控制，通常會由施工時的轉角誤差累積產生較大誤差。而橋梁的制造線形是無應力線形，與施工過程無關，可以通過保證橋梁節段安裝時的無應力狀態，最終獲得較為理想的成橋線形。根據無應力狀態法原理，可以按一次成橋方式計算直接得到主梁的制造線形。

2"無應力狀態法理論

無應力狀態控制法推廣了近20年，從理論分析計算到實際應用建立了一套完整的體系，使得橋梁建設在施工控制領域向前邁出一大步。但由于各種原因，很多人對此方法的理解存在偏差，缺乏運用該理論解決實際工程問題的辦法，因此也制約著該項技術在橋梁施工控制領域的推廣應用，通過大量的工程實例，證明該方法不僅可行而且高效，打破傳統施工方法使得工程技術人員告別繁瑣的計算分析，直接有效地解決橋梁施工控制中的難題，推動了我國橋梁施工技術水平的進步[9]。

橋梁施工過程的安全和成橋狀態是否能滿足設計要求是橋梁建設者必須解決的問題。橋梁施工是一個系統工程，橋梁施工過程也就是該系統的運行過程，施工過程中結構的安全和成橋狀態就是橋梁施工控制目標。現場施工中不可避免地存在各種誤差，使得橋梁各個構件與設計狀態存在偏差。在橋梁節段拼裝焊接過程中，如果上述偏差逐漸積累，而不加以控制和調整，各構件的位置將會顯著偏離設計目標，容易造成結構局部失穩、局部內力超標，從而影響成橋的內力和線形。

根據無應力狀態理論，在結構處于彈性變形范圍內，結構無論承受什么樣的作用，當外界作用撤除后，結構必然恢復到原始狀態，即只要保持結構形成過程不產生附加內力，無論結構如何，形成其結果都是一樣的，所以施工控制時只需要保持節段連接保持無應力對接或者處于相同應力狀態連接，連接完成后結構內部不發生內力重分布，結構成形狀態就不會偏離設計結果。

通過結合濟寧市快速路（一期）濟寧大道Ⅱ標段京杭運河新建輔道橋主橋工程，見圖1，運用無應力狀態法研究實現成橋狀態控制技術。根據無應力狀態法施工控制理論，無應力狀態量（單元無應力長度和單元無應力曲率兩個狀態量的總稱）是一個結構的固有量，如同結構的質量、密度等一樣，只要不對結構本身進行變動，這種本質的特性是不會變化的，所以可利用其建立起結構任意兩個狀態的內在關系。故依據在保證結構構件無應力長度和無應力曲率不變的前提下，結構的最終內力和位移與施工過程無關的思想，建立橋梁中間施工狀態和成橋狀態的聯系，可以解決節段拼裝連續鋼箱梁橋中間施工過程的構件變形及受力不確定性問題。

利用無應力狀態法的特點，將施工環境影響因素包括溫度、施工荷載等作為過程因素，不會影響成橋結果，有效地減少了施工控制中的干擾因素，降低施工難度，減少環境影響，提高施工效率

3"施工前有限元仿真計算

采用有限元軟件Midas"Civil進行模擬計算，見圖2，鋼箱梁采用梁單元模擬，分析鋼箱梁安裝過程，明確每個節段立模標高，作為線形控制的依據。對橋梁施工全過程每一個施工階段的結構變形（線形）、內力進行計算。

根據成橋設計線形、內力狀態目標值，結合現場施工組織和安裝設備、臨時設施情況，分析計算具體的合龍施工控制指標，以使成橋線形及內力狀態滿足設計目標。合龍后的梁單元應力圖、位移等值線圖，見圖3、圖4。

4"遠端調節的合攏拼裝技術

懸臂拼裝技術中一般的合攏方法是通過調整施工預拱高度或施加配重、扒桿拉索等方式調整合攏段的高程使得兩端在線形上對接合攏，此時已經無法考慮成橋后狀態是否符合設計，主要問題是施工過程中的偏差已經累積，合攏時沒有太大的調整空間，只好強迫合攏。

結合實際工程，深入研究連續梁橋懸臂拼裝施工全過程的力學機理，分析了施工過程內力和位移的變化和累積規律，以及橋梁體系轉換過程對結構內力和變形狀態的影響，在連續梁橋懸臂拼裝施工中，拼裝合攏狀態直接關系到成橋后的線形和內力能否滿足設計要求，由于橋梁施工過程歷經階段和體系轉換等影響，造成橋梁施工合攏時出現偏差過大一直是橋梁懸臂拼裝施工的難題。

根據橋梁無應力狀態理論，如果在橋梁合龍時能夠將合龍拼接面調整到符合無應力狀態的相對位置，即拼接面高度、截面轉角相對一致，合龍后的結構就不會出現次內力，成橋狀態自然符合設計要求。

基于無應力狀態法理論提出了通過遠端調節方法實現懸臂拼裝快速合攏的方法，簡化了懸臂拼裝施工控制工藝，忽略施工過程中的階段性影響因素，直接建立了成橋狀態和制造狀態的關聯，降低了施工過程控制的難度，提高了施工效率。遠端調節裝置布置、線形、彎矩見圖5。在懸臂拼裝施工合龍端的遠端支墩處設置主梁頂升裝置、防護裝置及縱向頂推裝置，通過提前預留落梁空間，在橋梁合攏階段利用頂升裝置將合龍端遠端支墩處主梁下降或上升位移調整合攏端高程，并適當調整縱向合適位置，待主梁合攏后再將遠端支墩處主梁復位到設計位置安裝此處支座，達到快速調整合龍端姿態，優化主梁成橋狀態的目的。同時，懸臂拼裝跨遠端支座受力小，降低調節裝置復雜性，降低造價。

在兩側主梁合龍時，通過遠端臨時支架上的千斤頂頂升或落底遠端主梁將合龍端調整到預定高度，此時兩側懸臂端截面處于無應力狀態的相同高度和相同傾角，通過調整非固定支座側主梁縱向移位將兩截面對接錨固，焊接后釋放遠端縱向約束，利用兩側遠端千斤頂將遠端梁標高移至設計標高，合龍完成的主梁在自重和遠端頂升作用下形成新的內力平衡和線形即為設計成橋狀態。

該方法不僅簡化了懸臂拼裝施工控制工藝降低了施工控制的難度、降低施工成本加快進度提高效率，還可以優化主梁成橋內力，有效解決懸臂拼裝施工合攏困難。

遠端調節的合攏拼裝技術先進性分析具體如下。

（1）基于無應力狀態法原理，保證合攏時無應力拼接即可保證成橋狀態符合設計。

（2）忽略施工過程中各種階段性作用的影響，直接建立了成橋狀態和制造狀態的關聯，降低了施工過程控制的難度，提高了施工效率。

（3）懸臂拼裝跨遠端支座受力小，降低調節裝置復雜性，降低造價。

5"結語

文章分析了傳統施工控制方法的不足與無應力狀態法的應用原理，并利用橋梁專用有限元軟件Midas"Civil進行模擬計算，分析施工過程內力和位移的變化和累積規律，作為線形控制的依據。基于無應力狀態法理論提出了通過遠端調節方法實現懸臂拼裝快速合攏的方法，解決傳統懸臂拼裝施工方法中線形控制復雜、施工進度緩慢、安全風險大的問題，同時大大改善了成橋狀態和質量，為同類結構施工提供了有益的參考。

參考文獻

• 余昆，李景成.基于無應力狀態法的懸臂拼裝斜拉橋的線形控制[J].橋梁建設，2012，42（3）：44-49.
• 秦順全.分階段施工橋梁的無應力狀態控制法[J].橋梁建設，2008（1）：8-14.
• 楊啟萌.基于無應力狀態法的鋼箱系桿拱橋施工控制研究[D].武漢：湖北工業大學，2021.
• 葉再軍，徐宏廣.基于無應力狀態法的多跨連續梁橋合龍研究[J].交通科技，2021（6）：31-35.
• 韋輝.無應力狀態法在鋼桁架拱橋施工控制中的應用研究[D].西安：長安大學，2021.
• 楊繼承，魏家樂.逐跨施工的鋼板組合梁橋施工控制關鍵技術[J].應用科技，2022，49（3）：118-122.
• 湯少青，馬虎.扭背索獨塔斜拉橋鋼箱梁施工線形控制研究[J].中外建筑，2019（4）：213-214.
• 李劍.大跨度連續梁施工及線型控制技術研究[J].中國新技術新產品，2018（4）：84-85.
• 譚俊.無應力狀態控制法在橋梁施工控制中的應用[J].公路，2016，61（4）：122-126.