南浦大橋內(nèi)力調(diào)整施工監(jiān)控技術(shù)研究

鄧一楠

（上海久事置業(yè)有限公司，上海200092）

1 工程概況

南浦大橋是上海市區(qū)第一座跨越黃浦江的特大型斜拉橋，于1991年建成通車。東接浦東南路及楊高路，西接陸家浜路與中山南路，總長8 629 m，設(shè)計通車能力為5萬pcu/d，大橋由主橋和東、西引橋等三部分組成：主橋長846 m，為全漂鋼-混凝土疊合梁斜拉橋，寬30.35 m，中孔跨徑423 m，主塔高154 m，橋下通航凈高46 m。

南浦大橋在運營過程中一直對其進行定期檢測，現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，大橋浦西主塔沉降達416.44 mm，浦東主塔為157.78 mm，累計差異沉降達258.66 mm，按平均沉降量計，差異沉降速率為14.37 mm/a（見圖 1）。

圖1 南浦大橋主橋沉降現(xiàn)狀圖

分析認為：“大橋浦西和浦東部分都處于整體沉降狀態(tài)。浦西主引橋各橋墩絕對沉降值之間的差異沉降最大為29.73 mm，浦東為28.53 mm，而浦西和浦東主塔之間的差異沉降已經(jīng)達到了258.66 mm。造成大橋浦東浦西差異沉降的主要原因是上海地勢的整體下降?！?/p>

2011年12月到2012年1月，通過局部索力的調(diào)整優(yōu)化全橋特別是主梁跨中區(qū)域的受力。基本思路是增加中跨浦西側(cè)9～22號索索力，并同時減小浦東側(cè)9～22號索索力，每組索（同一編號的上游側(cè)與下游側(cè)索為一組索）索力的改變最大為700 kN。通過逐步地調(diào)整索力，消除不均勻沉降在主梁跨中區(qū)域產(chǎn)生的不利于結(jié)構(gòu)安全的附加彎矩。圖2為索力調(diào)整區(qū)域示意圖，表1給出了拉索索力調(diào)整范圍和索力值。

圖2 索力調(diào)整區(qū)域示意圖

表1 索力調(diào)整值一覽表（單位：kN）

2 理論分析及測點布置

采用MIDAS建立全橋模型進行分析，鋼主梁、橫梁采用梁單元離散，混凝土板采用板單元模擬，拉索采用等效彈性模量直桿單元（考慮垂度影響）。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

理論計算表明，在內(nèi)力調(diào)整過程中，主梁應(yīng)力變化和撓度變化主要集中在跨中區(qū)域、輔助墩頂，根據(jù)計算結(jié)果布置了相應(yīng)的測試斷面如圖4所示。圖5為主梁應(yīng)力測點布置圖。

圖4 主梁應(yīng)力測試斷面圖

圖5 主梁應(yīng)力測點布置圖

3 索力監(jiān)控方法

調(diào)索施工中索力的控制是唯一的控制手段，因此需要對其進行精確監(jiān)控，采用的手段主要有三種：頻率法、伸長量和油壓表。采用三種方法平行測試：施工單位在張拉拉索時，記錄索力初始值（以螺帽剛剛脫離錨墊板時的索力為準(zhǔn)，通過插薄鋼片來控制），然后根據(jù)指令對索力進行調(diào)整（增加或減少一定的張拉力），同時記錄伸長量（伸長量通過螺母擰動的圈數(shù)來記錄）；監(jiān)控組采用頻率法同時測試索力的變化，通過頻率的改變來控制拉索的索力變化。

在實施過程中，遇到的主要問題有以下幾個：

（1）油壓表精度對索力的精確控制要求不匹配，如圖6所示，張拉用的油壓表最小讀數(shù)為1 MPa，對應(yīng)的索力約12 t，而此次調(diào)索時，索力的該變量最小為5 t，因此油壓表讀數(shù)要靠估讀，存在一定的誤差。

圖6 調(diào)索時油壓表讀數(shù)圖示

（2）伸長量控制：在調(diào)索過程中通過測量錨頭的外露量來計算索的伸長量（見圖7），這種方法概念明確，但是在實際操作中會遇到拉索退扭問題，導(dǎo)致其測試結(jié)果在某些索上也不是很可靠。

圖7 錨頭外露量測量實景

（3）頻率法：測量拉索的自振頻率，由于設(shè)計給出的調(diào)整方法是逐對調(diào)整索力，并且明確要求第一位的控制指標(biāo)是索力的變化量。在索力調(diào)整完成后，最大索力變化量理論值不超過6.3%，對于這么微小的變化采用頻率法控制非常方便，只要通過比較索力調(diào)整完成前后的拉索頻率即可說明問題，且回避了通過頻率計算索力時不同的假定帶來的計算誤差，而索力恰恰是與頻率的平方成正比關(guān)系。

4 監(jiān)控結(jié)果與分析

4.1 索力

采用上節(jié)中說明的三種方法來控制張拉索力，在每組索的張拉中，要求最少有兩種方法的結(jié)果是吻合才判定張拉質(zhì)量符合設(shè)計要求。

部分拉索在施工中出現(xiàn)了退扭現(xiàn)象，導(dǎo)致實測伸長量值不可信。退扭最為明顯有ERN22、ERS22、ERS21和ERS19索，對這部分拉索，實測伸長量僅供參考；部分拉索張拉時由于多種原因造成油壓表讀數(shù)精度不夠，特別是 ERN22、WRS21、ERN21、WRS20、ERS19和ERS20等，這部分索的張拉主要由頻率法和伸長量這個參數(shù)進行控制；考慮到油壓表控制張拉索力的確有困難，在18至9號索調(diào)整時，直接以伸長量作為施工單位的張拉指標(biāo)，并以頻率法進行復(fù)核，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明這種控制辦法比油壓表控制更為有效。

實測結(jié)果表明，頻率法實測的索力變化量與設(shè)計值較為吻合，且與伸長量數(shù)據(jù)一致，表明調(diào)索過程中拉索的索力調(diào)整值符合設(shè)計要求。圖8、圖9給出了調(diào)索前后索力對照曲線圖，可見索力的變化趨勢與理論值吻合，之間的差值主要由于車輛活載、溫度等因素產(chǎn)生。

4.2 主梁撓度

在每組索索力調(diào)整過程中，都測量了主梁的撓度變化。調(diào)索過程中，主梁線形變化較為顯著的區(qū)域是中跨浦東側(cè)4號索（A59和B59測點）到浦西側(cè)4號索（A33和B33測點）之間，其他區(qū)域的主梁撓度很小，與理論計算比較吻合。

圖8 索力變化量實測與理論值比較曲線圖（一）

圖9 索力變化量實測與理論值比較曲線圖（二）

根據(jù)施工過程中的實際溫度變化和索力調(diào)整值進行了全過程的分析計算，索力調(diào)整完成后調(diào)索產(chǎn)生的主梁撓度和運營過程中不均勻沉降產(chǎn)生的主梁撓度基本抵消，相關(guān)曲線繪于圖10和圖11中，說明此次調(diào)索達到了抵消主梁跨中區(qū)域不均勻沉降產(chǎn)生的撓曲變形的預(yù)期目的，可見浦東側(cè)最大下放55.5 mm，浦西側(cè)最大上抬32.0 mm，兩側(cè)不均勻的原因有兩個，一是索力調(diào)整時浦東側(cè)索力變化值大于浦西側(cè)，二是調(diào)索前后有一定溫度差；實測主梁最大正負撓度絕對值之和為87.5 mm，設(shè)計理論計算值為97 mm，實測值與理論值基本吻合。

4.3 主梁應(yīng)力

主要通過監(jiān)測鋼主梁下緣應(yīng)力變化來反應(yīng)主梁彎矩的變化量，在考慮溫度修正后，索力調(diào)整在浦西側(cè)和浦東側(cè)鋼梁底緣產(chǎn)生的最大應(yīng)力實測值分別為-19.4 MPa和20.4 MPa，與設(shè)計給出的沉降產(chǎn)生應(yīng)力理論值相疊加后，應(yīng)力值分別下降到4.5 MPa和-6.1 MPa（見表2），使不均勻沉降而導(dǎo)致的主梁跨中區(qū)域應(yīng)力得到了有效釋放，釋放比例分別達81.2%（浦西側(cè)）和77.1%（浦東側(cè)）。

5 結(jié)語

（1）索力調(diào)整過程中，通過頻率法、伸長量和油壓表三種手段來控制張拉過程，至少有兩種方法的測試數(shù)據(jù)吻合才認為拉索索力調(diào)整到位。除個別索由于退扭等原因造成伸長量不可信以外，調(diào)整的索力基本都保證了伸長量實測值與頻率法實測值相吻合。索力調(diào)整完成后，全橋拉索的索力變化規(guī)律與理論值吻合，最大索力變化量為256 kN，約為索力的5%。

（2）實測主梁撓度和應(yīng)變的變化均反映出不均勻沉降而導(dǎo)致的主梁跨中區(qū)域應(yīng)力得到了有效釋放，且理論值與實測值吻合較好。說明該項內(nèi)力調(diào)整達到了改善結(jié)構(gòu)受力的預(yù)期目的。

圖10 下游側(cè)調(diào)索完成后主梁撓度變化曲線圖

圖11 上游側(cè)調(diào)索完成后主梁撓度變化曲線圖

表2 跨中附近鋼梁應(yīng)力變化一覽表（單位：MPa）