矮塔斜拉橋施工關(guān)鍵項(xiàng)目的控制分析研究

周瑩

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400015）

0 前言

隨著橋梁技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁應(yīng)用具有最突出的兩大趨勢：其一是橋梁結(jié)構(gòu)越來越輕薄；其二是在梁橋和索式橋等基本橋型之間組合，發(fā)展成為一種組合體系。由于組合體系橋梁的產(chǎn)生，橋梁的造型變得各式各樣，極大地豐富了橋梁的造型。斜拉一連續(xù)剛構(gòu)體系、拱梁組合體系在組合體系橋中比較具有代表性。其中矮塔斜拉橋就是介于斜拉一連續(xù)剛構(gòu)之間的一種比較新穎組合體系橋型，近十年來應(yīng)用較多，受到廣泛的關(guān)注[1]。

本文以南屏大橋—矮塔斜拉橋?yàn)橐劳泄こ?，針?duì)其施工方案，提出了適用于該橋的施工控制方法和結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算方法，確保成橋階段主梁線形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求，控制主塔的偏位和扭轉(zhuǎn)在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；同時(shí)建立南屏大橋的有限元分析模型，對(duì)該橋的整個(gè)施工過程進(jìn)行仿真分析，確定拉索初張力、各施工階段的結(jié)構(gòu)理論應(yīng)力以及成橋階段線形；在實(shí)橋施工過程中合理布置索塔、拉索、主梁的應(yīng)力、變形監(jiān)控測點(diǎn)，以理論計(jì)算值為依據(jù)，將實(shí)測值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，不斷調(diào)整優(yōu)化施工，使成橋階段的橋梁線形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求。

1 矮塔斜拉橋施工控制理論及方法

1.1 自適應(yīng)理論施工控制總體思路

在斜拉橋懸臂施工過程中，常常以標(biāo)高控制為主。在各個(gè)施工梁段中，根據(jù)觀測點(diǎn)的位移、截面應(yīng)變等實(shí)測數(shù)據(jù)與其理論值的差異，同時(shí)根據(jù)已施工梁段的影響參數(shù)識(shí)別結(jié)果，可以對(duì)將施工梁段進(jìn)行誤差分析。根據(jù)已識(shí)別或預(yù)測的影響參數(shù)的誤差，以成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)控制截面撓度和內(nèi)力為控制目標(biāo)，進(jìn)行最優(yōu)控制，求出調(diào)整量值。

1.2 施工控制系統(tǒng)的確定

橋梁施工過程中的施工控制是“預(yù)告-量測-識(shí)別-修正預(yù)告”的一個(gè)反復(fù)循環(huán)過程。施工控制中最終目的是確保施工中橋梁結(jié)構(gòu)的安全。其具體表現(xiàn)為：（1）結(jié)構(gòu)變形不超過允許范圍；（2）結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布合理；（3）確保橋梁結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定性[2]。

2 南屏大橋施工監(jiān)測關(guān)鍵項(xiàng)目及方案

2.1 依托工程概況

合川嘉陵江南屏大橋主橋?yàn)榭缭郊瘟杲奶卮髽?，采用雙塔雙索面矮塔斜拉橋，跨徑布置為112+190+92m；引橋?yàn)檫B續(xù)梁＋連續(xù)剛構(gòu)組合結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置為82+82+82+82m（如圖1）；橋梁全長722m，主橋橋?qū)?7.5m，引橋橋?qū)?4.5m，雙向四車道。 主橋：1.50m（拉索區(qū)）+4.25m（人行道）+16.0m（車行道）+4.25m（人行道）+1.50m（拉索區(qū)）＝27.5m。

圖1 南屏大橋橋型立面圖（單位cm）

2.2 關(guān)鍵控制項(xiàng)目

2.2.1 線形監(jiān)測

撓度線型監(jiān)測包含對(duì)主梁高程、跨長、結(jié)構(gòu)的線形、結(jié)構(gòu)變形及位移和主梁軸線偏位等部分內(nèi)容[3]。

各懸臂澆筑節(jié)段高程測點(diǎn)布置：每個(gè)節(jié)段高程測點(diǎn)各設(shè)3個(gè)測點(diǎn)。通過每個(gè)施工塊件上布置2個(gè)對(duì)稱的高程觀測點(diǎn)，這樣不僅可以測量箱梁的撓度，同時(shí)可以觀測箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，測點(diǎn)布置如圖2。

圖2 其他澆筑號(hào)塊高程測點(diǎn)布置圖(m)

2.2.2 應(yīng)力監(jiān)測

橋梁施工控制中的一個(gè)非常重要的監(jiān)測項(xiàng)目就是應(yīng)力監(jiān)測，通過應(yīng)力監(jiān)測可以掌握結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，能夠及時(shí)分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否超過規(guī)范限制，從而保證施工安全。該工程中在墩底、下橫梁上緣、上橫梁上緣、下橫梁跨中共布置8個(gè)應(yīng)力觀測截面，如圖3所示。 其中，A-A’截面標(biāo)高184.92m，B-B’截面標(biāo)高為209.92m，C-C’截面中心標(biāo)高為247.92m。

圖3 索塔應(yīng)力測試斷面布置示意圖

3 南屏大橋有限元計(jì)算與監(jiān)控結(jié)果分析

3.1 南屏大橋有限元模型

該模型通過有限元軟件進(jìn)行分析，根據(jù)斜拉橋的設(shè)計(jì)圖紙，選擇軟件庫中梁單元模擬主梁、索塔等混凝土，選擇桁架單元模擬斜拉索。二期恒載以及施工荷載的模擬。對(duì)于二期恒載，根據(jù)圖紙上的結(jié)構(gòu)尺寸，以均布荷載作用于主梁上；對(duì)于掛籃、模板等施工荷載，作用力的大小和位置按實(shí)際情況取值，通常以集中力作用。對(duì)于邊界條件的模擬，通常將大橋的主墩模擬成固定約束，即約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和三個(gè)平動(dòng)自由度。

3.2 主橋施工階段分析計(jì)算

3.2.1 主梁應(yīng)力分析

圖4 施工階段主梁下緣最大壓應(yīng)力（單位：MPa）

從圖4可得，施工階段下緣最大壓應(yīng)力達(dá)到16.6MPa，均小于規(guī)范容許值0.7 fck’=21.56 MPa。

3.2.2 索塔應(yīng)力分析

圖5 索施工階段最大拉應(yīng)力（單位：MPa）

從圖5可知，主橋施工階段斜拉索最大拉應(yīng)力為690.3MPa。斜拉索標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1860MPa，施工階段斜拉索安全儲(chǔ)備大于2.5，滿足規(guī)范要求。

3.3 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1 索塔應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

為了解索塔關(guān)鍵位置應(yīng)力情況，分別在塔梁結(jié)合處布置應(yīng)力測點(diǎn)，應(yīng)力實(shí)測值及理論值。

圖6 P5墩塔梁結(jié)合處上塔柱應(yīng)力實(shí)測值與理論值

從圖6可見，P5墩塔梁結(jié)合處應(yīng)力實(shí)測值與理論值之間的變化規(guī)律一致，由于施工過程中受混凝土收縮徐變、溫度等因素影響，實(shí)測值與理論值有一定偏差，但偏差均在允許范圍內(nèi)。

3.3.2 主梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

南屏大橋主橋跨度較大，為了解其受力情況，在懸臂施工同時(shí)在主梁的關(guān)鍵斷面1#塊布置了應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力實(shí)測值見圖7。

圖7 P5墩1#塊底板應(yīng)力實(shí)測值與理論值

主橋的應(yīng)力主要受混凝土容重、彈性模量、截面尺寸、預(yù)應(yīng)力及斜拉索索力等各種因素的影響[4]，在實(shí)際監(jiān)控過程中難以排除以上干擾，從以上各施工階段實(shí)測數(shù)據(jù)來看，大部分實(shí)測應(yīng)力值與理論值計(jì)算值基本吻合，個(gè)別受以上因素干擾偏差較大，但從整體上來說應(yīng)力值在控制范圍內(nèi)。

3.4 線形監(jiān)測結(jié)果分析

成橋后主梁線形監(jiān)測根據(jù)有限元模型的理論計(jì)算分析，在各施工階段設(shè)置預(yù)拱度，成橋后預(yù)拱度=（最大汽車活載位移+最大人行活載位移+成橋后收縮位移+成橋后徐變位移）×撓度長期增長系數(shù)(已計(jì)入鋪裝層高度）[5-10]。

圖8 成橋后實(shí)測標(biāo)高與理論標(biāo)高（單位：m）

從圖8可知，成橋后主梁實(shí)測標(biāo)高與理論計(jì)算標(biāo)高最大差值為2.6cm，滿足設(shè)計(jì)要求成橋后線形主梁標(biāo)高應(yīng)控制在±3cm。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)南屏大橋拉索的張拉控制方案，確立了在澆筑混凝土節(jié)段、移動(dòng)掛籃、體系轉(zhuǎn)換等工況產(chǎn)生較大變化時(shí)對(duì)拉索索力進(jìn)行量測，使實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力間的誤差在允許范圍內(nèi)，保證施工過程的安全性。

（2）實(shí)施了對(duì)斜拉橋懸臂施工階段的線形監(jiān)測，懸臂端監(jiān)控結(jié)果表明底板實(shí)測標(biāo)高值與理論標(biāo)高值吻合度較好，偏差在規(guī)定的控制范圍內(nèi)；索塔偏位監(jiān)測結(jié)果表明實(shí)測偏位值與理論計(jì)算值比較接近，均在控制范圍內(nèi)。

（3）成橋階段利用測索力儀器對(duì)拉索索力進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明實(shí)測索力與理論索力誤差均在5%之內(nèi)，最大索力誤差-1.92%，滿足規(guī)范要求。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社，2004.

[2]譚紅霞，張建民.大跨度斜拉橋施工過程索力和線形雙控研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008(1):97-101.

[3]Michel.Recent evolution of cable-stayed bridges[J].Engineering Structures，1999，21:735-755.

[4]陳金旺，李孟緒.斜拉橋成橋后的誤差調(diào)整[J].公路，2000(7):6-8.

[5]鐘萬韶，劉元芳 ，紀(jì)崢.斜拉橋施工中的張拉控制和索力調(diào)整[J].土木工程學(xué)報(bào)，1992，25(3):10-15.

[6]楊建亞.斜拉橋施工控制仿真計(jì)算[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué).2004..

[7]Doyle J F.Nonlinear analysis of thin-walled structures: Statics.dynamics and Stability[M].NewYork Berlin Heidelberg，2001.

[8]顏東煌，劉光棟.確定斜拉橋合理施工狀態(tài)的正裝迭代法[J].中國公路學(xué)報(bào)，1999，(2):59-64.

[9]官萬軼，韓大建.大跨度斜拉橋施工控制方法研究進(jìn)展[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27(1):14-19.

[10]王新征，莊守明，王宗華.斜拉橋施工過程的仿真計(jì)算與分析[J].南陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8(12):37-40.