空間扭背索斜拉橋施工控制技術探究

湯 少 青

(漳州市交通發(fā)展集團有限公司，福建 漳州 363000)

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空間扭背索斜拉橋施工控制技術探究

湯 少 青

(漳州市交通發(fā)展集團有限公司，福建 漳州 363000)

采用有限元分析軟件，對某斜拉橋進行了建模分析，探討了橋梁施工階段主要控制的內容及方法，從混凝土主梁施工、鋼主梁預制、拉索預制、橋面鋪裝等方面，提出了處理施工各階段異常情況的對策，從而確保橋梁的質量。

斜拉橋，主梁，拉索，橋面鋪裝

0 引言

橋梁結構理想的幾何線形與合理的內力狀態(tài)不僅與設計有關，還依賴于科學合理的施工控制方法。盡管在設計時已經考慮了施工中可能出現(xiàn)的情況，但是由于施工中諸多因素的影響事先難以精確估計，而且在實際施工過程中由于施工誤差，會使實際結構與原設計不符。所以在施工中對橋梁結構進行的實時監(jiān)測，以及根據(jù)監(jiān)測結果對施工過程中的控制參數(shù)進行相應的調整十分重要。

對于空間扭背索斜拉橋，其內部與外部均為高次超靜定的結構體系，由于結構復雜、施工難度較大，施工控制顯得尤為重要，如何通過施工時的主梁拼裝標高與拉索索力調整來獲得預先設計的應力狀態(tài)和幾何線形，是該類型橋梁施工中非常關鍵的問題。

1 工程概況

福建省漳州市廈漳同城大道沙洲島西溪特大橋橋跨組合為：(88+200獨柱斜塔斜拉橋)+(4×40 預應力分體小箱梁)+(40+45+40預應力現(xiàn)澆箱梁)+(5×36預應力現(xiàn)澆箱梁)+(8×30預應力分體小箱梁)。其中88+200獨柱斜塔斜拉橋為主橋，跨越九龍江西溪支流。

主橋為獨塔扭背索斜拉橋，墩、塔、梁固結，跨徑組成為(88+200)m。主梁邊跨88 m為預應力混凝土箱梁，預應力混凝土箱梁伸過橋塔15.0 m，通過鋼混結合段與主跨鋼箱梁連接。斜拉索間距混凝土箱梁側為4 m，鋼箱梁側為12 m，邊跨側為雙索面空間扭面索，主跨為準單索面。橋塔為獨柱式斜塔，橋面以上塔柱軸線向邊跨側傾斜8°，橋面以上塔高117 m。橋型布置圖如圖1所示。

2 過程仿真

利用有限元分析軟件對該橋進行建模分析，結構模型中全橋共劃分成161個單元，219個節(jié)點，32個施工階段。圖2是結構計算模型圖，表1是結構計算工況表。

模型初步計算時，混凝土主梁與主塔考慮一次性成型，主塔邊界按塔底固結考慮，未計入基礎剛度。

表1 西溪主橋施工計算工況表

工況號施工內容1主塔和混凝土主梁施工2鋼箱梁2號節(jié)段安裝、1號拉索第一次張拉3吊機前移、1號拉索第二次張拉4鋼箱梁3號節(jié)段安裝、2號拉索第一次張拉5吊機前移、2號拉索第二次張拉6鋼箱梁4號節(jié)段安裝、3號拉索第一次張拉7吊機前移、3號拉索第二次張拉8鋼箱梁5號節(jié)段安裝、4號拉索第一次張拉9吊機前移、4號拉索第二次張拉10鋼箱梁6號節(jié)段安裝、5號拉索第一次張拉11吊機前移、5號拉索第二次張拉12鋼箱梁7號節(jié)段安裝、6號拉索第一次張拉13吊機前移、6號拉索第二次張拉14鋼箱梁8號節(jié)段安裝、7號拉索第一次張拉15吊機前移、7號拉索第二次張拉16鋼箱梁9號節(jié)段安裝、8號拉索第一次張拉17吊機前移、8號拉索第二次張拉18鋼箱梁10號節(jié)段安裝、9號拉索第一次張拉19吊機前移、9號拉索第二次張拉20鋼箱梁11號節(jié)段安裝、10號拉索第一次張拉21吊機前移、10號拉索第二次張拉22鋼箱梁12號節(jié)段安裝、11號拉索第一次張拉23吊機前移、11號拉索第二次張拉24鋼箱梁13號節(jié)段安裝、12號拉索第一次張拉25吊機前移、12號拉索第二次張拉26鋼箱梁14號節(jié)段安裝、13號拉索第一次張拉27吊機前移、13號拉索第二次張拉28鋼箱梁15號節(jié)段安裝、14號拉索第一次張拉29吊機前移、14號拉索第二次張拉30鋼箱梁16號節(jié)段安裝、拆除邊跨支架31二期3210年徐變

3 施工控制的主要內容及方法

3.1 施工監(jiān)控參數(shù)選取

本項目選取下列參數(shù)作為施工監(jiān)控的主要控制指標：

1)主梁線形。通過調整拼裝位置、索力等手段來確保主梁高程、軸線等線形指標滿足要求。

2)拉索索力。通過建立完善的誤差調整與參數(shù)識別體系并采用多種方式對索力進行監(jiān)測來保證索力誤差滿足要求。

3)主梁焊縫寬度。主梁焊縫寬度過大通常來源于制造線形與拼裝線形不匹配，過大的焊縫將導致焊接困難及局部不可恢復的折角，因此應將焊縫寬度作為控制指標。

4)主梁應力。一般而言，鋼斜拉橋主梁應力在施工階段均留有較大的安全儲備，如果索力及主梁線形均沒有太大的誤差的情況下，主梁應力也不會出現(xiàn)異常。因此，主梁應力可以僅作為誤差控制的輔助指標和結構施工過程安全監(jiān)測的預警指標。

5)主塔偏位。主塔的偏位將直接影響到主塔的內力，而本斜拉橋為塔、梁固接體系，主塔的偏位也會影響到塔附近主梁的受力，所以本橋主塔偏位的監(jiān)控也很重要。

6)主塔應力。主塔應力監(jiān)控主要是結合主塔偏位與斜拉索張拉，作為誤差控制的輔助指標和結構施工過程安全監(jiān)測的預警指標。

3.2 監(jiān)控計算內容

本橋監(jiān)控計算主要包含以下內容：

1)施工過程安全復核計算。利用現(xiàn)場采集的參數(shù)對本橋施工過程的安全性進行復核計算，主要包括：施工過程主梁應力及穩(wěn)定性、施工過程拉索應力、施工過程索塔的應力及穩(wěn)定等。

2)拉索、主梁無應力制造線形/長度的計算。拉索的制造長度及主梁無應力制造線形屬于幾何控制中的重要內容，其誤差或錯誤將直接導致拉索安裝失敗或主梁拼裝無法達到預定高程或過大的焊縫寬度等問題，因此應對其進行復核計算。

3)施工控制誤差分析及參數(shù)識別。施工控制過程中必然存在一定的誤差，某些誤差將會導致發(fā)散的結果，因此，應對施工控制反饋數(shù)據(jù)的誤差進行誤差分析，對誤差形態(tài)進行定性，避免惡性誤差的出現(xiàn)。通過對誤差進行參數(shù)識別，找到造成誤差的真正原因，從而指定出合理的誤差解決策略。

4)施工控制實時計算。施工控制計算不可能一蹴而就，由于部分計算參數(shù)(如梁重，混凝土徐變等)無法在施工控制開始就精確確定下來，因此，施工控制過程必須根據(jù)實測的結構響應來對計算參數(shù)進行調整，以形成更為準確的計算模型來指導后期的施工。

3.3 施工監(jiān)控結構分析初步計算結果

分別對本橋施工階段主梁應力、施工階段主梁豎向位移、施工階段主塔應力、施工階段主塔水平位移和豎向位移等進行理論計算分析，計算結果顯示：1)整個施工過程中，主跨縱梁的最大撓度-197 mm，發(fā)生在主跨M11拉索處，塔頂最大水平位移-213 mm，最大豎向位移-49.6 mm。2)整個施工過程中，主梁鋼結構最大壓應力為58.4 MPa，出現(xiàn)在二期鋪裝施工之前。主梁混凝土最大壓應力為10.6 MPa，出現(xiàn)在二期鋪裝施工之前，整個施工過程中混凝土未出現(xiàn)拉應力；塔身最大壓應力11.3 MPa。3)索力 張拉次數(shù)及時機需根據(jù)現(xiàn)場情況與相關單位協(xié)商而定。4)由于施工過程存在不確定因素，施工過程中需根據(jù)實際情況對模型及計算進一步修正完善。

4 施工各階段異常情況的對策

4.1 混凝土主梁施工階段

混凝土主梁現(xiàn)澆階段對后期監(jiān)控影響最大的就是支架的變形。支架搭設好后，要對支架進行充分預壓。預壓荷載為支架實際承受荷載最大重量的1.1倍～1.2倍。可根據(jù)現(xiàn)場具體條件，選擇合適的預壓法。

為了解支架沉降情況，在加載預壓之前測出各測量控制點標高。在加載50%和100%后均要復測各控制點的標高，加載到100%預壓荷載并持荷24 h后要再次復測各控制點標高，如果加載100%后所測數(shù)據(jù)與持荷24 h后所測數(shù)據(jù)變化很小時，表明地基及支架已基本沉降到位，可卸載，否則還須持荷進行預壓，直到地基及支架沉降到位方可卸載。卸載完成后，要再次復測各控制點標高，以便得出支架和地基的彈性變形量，用總沉降量減去彈性變形量為支架和地基的非彈性變形量。預壓完成后要根據(jù)預壓結果通過頂托調整支架的標高。

監(jiān)控過程中應根據(jù)彈性變形量及施工預拋高給出主梁結構的定位值，并在主梁施工時監(jiān)測主梁應力及撓度變化。

4.2 鋼主梁預制階段

鋼主梁工廠預制階段對后期監(jiān)控影響最大的就是主梁的預拼裝線形，主梁梁段加工完成后需要根據(jù)預拼裝線形在胎架上對多個梁段進行組拼，并對相鄰梁段的接縫寬度進行復核或調整，最終安裝工地連接匹配件并進行U肋高強螺栓拼接板號孔以及軸線定位標記的刻畫。這個工作一旦完成后主梁現(xiàn)場安裝新老梁段間的轉角關系就確定下來。過程中應對主梁預拼線形進行復核，并指導鋼箱梁加工單位進行預拼線形。主梁預制線形出現(xiàn)異常將導致現(xiàn)場拼裝無法達到預定標高，對于這種情況不宜一味通過焊縫寬度來調整高程，焊縫寬度最大不宜超過20 mm，過大的焊接變形將導致較差的焊接質量及較大的焊接收縮量，如果依然無法完成高程調整則應該犧牲部分標高絕對值以保障主梁的勻順，而這部分標高誤差可以考慮通過索力的調整來修正，即在安全的范圍內將主梁的幾何誤差轉換為索力(內力)誤差。

4.3 拉索預制階段

拉索預制階段索長的控制也是個極其重要的指標，其加工精度將直接影響拉索張掛是否成功。應對拉索預制長度進行復核，當拉索長度出現(xiàn)過長或過短等異常情況導致拉索無法正常錨固的時候可以通過增加墊片或安裝錨杯延伸筒來確保正常施工能夠延續(xù)。

4.4 鋼主梁拼裝階段

主梁安裝階段放樣高程的確定非常重要，考慮溫度的變化會影響已成梁段同時也影響放樣高程，因此，放樣高程應在同時監(jiān)測已成梁段的基礎上確定。

主梁安裝階段放樣高程的調整可以考慮將新老梁段的頂部部分臨時連接，預先連接起來以避免被吊梁段的晃動造成測量困難，但不得同時連接腹板及底板的匹配件(此時標高調整將不再是無應力的調整)。

主梁安裝階段還存在新舊梁段接口處頂板凹凸交錯的問題，這個問題可以通過馬板+千斤頂進行碼平。

4.5 橋面鋪裝及二期恒載

橋面鋪裝及二期恒載階段監(jiān)控任務相對較少，但仍然應進行以下幾個方面的工作：1)復核鋪裝及二期恒載順序是否有危及安全的情況出現(xiàn)；2)監(jiān)測橋面鋪裝時鋼箱梁的溫度，避免局部出現(xiàn)過大的溫度應力。

4.6 事后調整斜拉索力

橋面鋪裝完成后的最后一次斜拉索張拉為控制工況，由于本次張拉完成后斜拉索索力基本不需要再進行調整，所以這次張拉的噸位控制對監(jiān)控而言非常重要。本項目計劃采用索力動測儀進行索力監(jiān)測，同時配合高程測量就可以將張拉階段索力控制到較高的精度。

一般而言鋼結構斜拉橋由于鋼梁能夠承受較大的拉應力，所以基本上不需要進行合龍后的調索。但監(jiān)控過程如果出現(xiàn)較大誤差的時候則需要進行二次調索，二次調索整個過程需要在嚴密組織和監(jiān)測之下進行。一般而言，如果出現(xiàn)標高低索力小的情況則比較容易做出決定，而出現(xiàn)標高低索力反而大的情況則需要根據(jù)具體情況加以考慮，這時可能需要對犧牲標高精度還是索力精度做出選擇。

4.7 成橋恒載狀態(tài)

通過施工階段的仿真跟蹤分析及橋面鋪裝完成后的高程及索力的監(jiān)測給出橋梁結構的恒載內力及剛度狀態(tài)，這個狀態(tài)作為橋梁出生的“零”狀態(tài)，以后結構內力及剛度改變均基于這個“零”狀態(tài)。

5 結語

針對本橋特殊的橋型結構，利用有限元分析軟件對該橋進行建模分析，考慮施工監(jiān)控中主要控制參數(shù)，對全橋施工過程進行理論分析研究。此外本文綜合考慮各施工階段可能出現(xiàn)的異常情況，對各種情況提出針對性處置對策，以期最終實現(xiàn)：

1)確保施工過程中結構的安全；

2)成橋后結構線形平順，內力狀況滿足設計要求；

3)成橋后斜拉索力滿足設計要求。

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Exploration on construction control technology of space twisted back cable cable-stayed bridge

Tang Shaoqing

(ZhangzhouTrafficDevelopmentGroupLimitedCompany,Zhangzhou363000,China)

Using the finite element analysis software, this paper made modeling analysis on a cable-stayed bridge, discussed the main control contents and methods in bridge construction stage, from the concrete main girder construction, steel main girder prefabricated, cable prefabricated, bridge deck pavement and other aspects, put forward the measures to deal with anomalies in each construction stage, so as to ensure the bridge quality.

cable-stayed bridge, main girder, cable, bridge deck pavement

1009-6825(2016)11-0167-03

2016-01-26

湯少青(1959- )，男，高級工程師

U448.27

A