宜賓南溪長江公路大橋施工控制

坎 彬

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

1 工程概況

宜賓南溪長江公路大橋是四川省普通省道網(wǎng)布局規(guī)劃中瀘縣至長寧省道S437跨越長江的過江通道，連接長江北岸國道G353及南岸G246。主橋?yàn)榭鐝?80m+572m+(72.5+63+53.5)m的雙塔雙索面混合疊合梁斜拉橋，采用縱向半漂浮結(jié)構(gòu)體系，索塔處主梁設(shè)置縱向阻尼器和限位構(gòu)造。大橋總體布置見圖1。橋塔采用花瓶形塔，羅龍岸索塔高190.7m，江南岸塔高180.2m。斜拉索采用鋼絞線斜拉索，布置為空間索面，全橋共164根斜拉索。主跨及羅龍岸邊跨主梁為高度2.9m的工字鋼式的疊合梁，采用懸臂拼裝施工，鋼主梁橫向間距29.5m，主梁梁段在工廠焊接后運(yùn)輸?shù)焦さ夭捎酶邚?qiáng)螺栓連接，混凝土橋面板厚26cm，江南岸邊跨采用雙縱肋混凝土主梁，由支架現(xiàn)澆施工，主梁全寬30.5m。

圖1 宜賓南溪長江公路大橋總體布置(單位：m)

宜賓南溪長江公路大橋江南岸邊跨混凝土主梁采用支架現(xiàn)澆施工，疊合梁采用懸臂拼裝施工。在完成混凝土梁段的施工后，南北兩塔搭設(shè)墩旁支架，分別完成鋼混結(jié)合段和0#段疊合梁的施工，并完成塔梁臨時(shí)固結(jié)，達(dá)到強(qiáng)度后安裝橋面吊機(jī)。利用橋面吊機(jī)分別吊裝邊跨及中跨疊合梁，同時(shí)對(duì)稱掛設(shè)斜拉索。在羅龍岸邊跨施工到LB21節(jié)段時(shí)，利用合龍段支架頂推的方法進(jìn)行合龍，合龍口位于LB21和LB22之間，完成邊跨合龍后施工壓重及支座，結(jié)構(gòu)變?yōu)閱螒冶蹱顟B(tài)。主跨合龍采用配切的合龍工藝施工[1]，完成鋼主梁合龍后解除臨時(shí)固結(jié)。

宜賓南溪長江公路大橋主橋結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，斜拉索對(duì)數(shù)不對(duì)稱，江南岸、羅龍岸主梁上索間距不相等，且主橋羅龍岸與江南岸邊跨主梁施工方法不一致，以上特點(diǎn)給該橋主橋的施工控制帶來了相當(dāng)大的困難。保證該橋的線形及施工過程中的安全是施工控制的重點(diǎn)[2]，通過施工控制關(guān)鍵技術(shù)的研究確保主梁成橋線形、索力、內(nèi)力等滿足設(shè)計(jì)要求。

2 施工監(jiān)控方法

根據(jù)幾何控制理論，只要作用在結(jié)構(gòu)上的幾何約束及構(gòu)件的無應(yīng)力構(gòu)形保持不變，則高次超靜定橋梁結(jié)構(gòu)成橋時(shí)的主梁線形和內(nèi)力狀態(tài)與施工方法無關(guān)[3-4]。但由于施工中各種因素影響，如收縮徐變、材料離散性、測量誤差等，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際無應(yīng)力幾何要素會(huì)產(chǎn)生偏差，使成橋狀態(tài)產(chǎn)生偏差，施工監(jiān)控就是要修正施工過程中各種參數(shù)誤差對(duì)成橋目標(biāo)的影響[5]。宜賓南溪長江公路大橋施工控制采用幾何控制法為主、內(nèi)力調(diào)控為輔的方式，幾何控制法是對(duì)柔度較大的橋梁結(jié)構(gòu)體系，以反應(yīng)敏感的幾何參數(shù)為首要控制對(duì)象進(jìn)行施工控制的方法，能有效保證施工過程及成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)、成橋線形、塔偏、索力等滿足設(shè)計(jì)要求。

3 施工監(jiān)控計(jì)算方法

為進(jìn)行宜賓南溪長江公路大橋主橋施工監(jiān)控計(jì)算分析，采用西南交通大學(xué)自主開發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)非線性分析系統(tǒng)NLABS軟件建立全橋平面桿系有限元模型(圖2)。

圖2 宜賓南溪長江公路大橋主橋有限元模型

主橋及橋塔均采用梁單元，疊合梁橋面板采用兩端帶剛臂單元與鋼主梁單元連接，考慮混凝土單元的收縮徐變。忽略實(shí)際結(jié)構(gòu)橫橋向影響，將各截面投影至平面內(nèi)，模型計(jì)入大位移、斜拉索垂度等非線性效應(yīng)[6]。橋塔及各墩底考慮實(shí)際地質(zhì)條件，準(zhǔn)確計(jì)算約束剛度，采用剛性支承，主梁與各墩頂采用主從連接，施工中江南岸邊跨段現(xiàn)澆施工采用只受壓支座模擬。根據(jù)該橋的實(shí)際施工工序和時(shí)間進(jìn)程對(duì)橋梁施工全過程進(jìn)行模擬分析，共劃分244個(gè)施工階段。通過對(duì)各施工階段、成橋階段的變形、內(nèi)力、應(yīng)力等計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性并確定各施工工況與目標(biāo)狀態(tài)的理論值。

4 施工控制關(guān)鍵技術(shù)

4.1 制造過程幾何控制

為了實(shí)現(xiàn)宜賓南溪長江公路大橋的高精度施工控制，將控制的范圍拓展至構(gòu)件制造階段，控制各鋼梁段、斜拉索在容許誤差內(nèi)實(shí)現(xiàn)已確定的無應(yīng)力構(gòu)形及無應(yīng)力長度[7]。

制造過程的控制主要指對(duì)鋼主梁、斜拉索及鋼錨梁這些由工廠內(nèi)完成制造的鋼結(jié)構(gòu)的控制，混凝土主梁制造及安裝同時(shí)進(jìn)行，在安裝階段對(duì)其進(jìn)行控制。鋼結(jié)構(gòu)制造過程中的控制要針對(duì)制造商所采用的施工工藝進(jìn)行，根據(jù)對(duì)已造批次橋梁構(gòu)件的誤差分析，在后續(xù)批次的鋼主梁制造中采取一定改進(jìn)措施以減少誤差。

制造階段的幾何控制參數(shù)主要包括預(yù)拼裝鋼主梁段間夾角、梁段無應(yīng)力尺寸、梁段重量及彈模、斜拉索實(shí)際制造長度和彈模等等。鋼主梁的制造主要兩個(gè)階段，首先在廠內(nèi)進(jìn)行板件制作，此時(shí)制造環(huán)境良好，對(duì)制造精度有保證，重點(diǎn)是對(duì)鋼錨梁的定位及焊接變形的控制。第二階段是在拼裝胎架上多節(jié)段連續(xù)匹配組裝、焊接和預(yù)拼裝一次完成，此時(shí)制造環(huán)境較前者要差，不確定因素較多，需由制造單位在整個(gè)過程對(duì)胎架變形、節(jié)段線形進(jìn)行觀測，并將結(jié)果反饋回來分析是否調(diào)整線形。由于無應(yīng)力尺寸基于特定的基準(zhǔn)溫度，制造過程需對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。另外，鋼梁重量離散性較大，與設(shè)計(jì)值往往存在較大差異，需對(duì)鋼梁節(jié)段進(jìn)行逐段稱重。

4.2 橋塔施工控制

橋塔在施工過程中會(huì)由于自重及索力作用產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)會(huì)由于收縮、徐變等產(chǎn)生非彈性變形[8]，在主梁施工和成橋時(shí)，塔柱拉索錨點(diǎn)標(biāo)高會(huì)比設(shè)計(jì)標(biāo)高值更矮，為使塔端錨點(diǎn)在成橋時(shí)符合設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高，在橋塔施工時(shí)即對(duì)塔柱錨點(diǎn)進(jìn)行預(yù)抬高。預(yù)抬高量包含索塔混凝土的彈性壓縮和收縮徐變引起的變形，由施工全過程分析得到的變形量所確定，羅龍岸側(cè)橋塔斜拉索錨點(diǎn)預(yù)抬28～33mm，江南岸側(cè)橋塔斜拉索錨點(diǎn)預(yù)抬30～36mm。

4.3 索導(dǎo)管傾角控制

索導(dǎo)管安裝時(shí)，若按照拉索弦向安裝導(dǎo)管，則忽略了索垂度影響，使斜拉索軸線與導(dǎo)管軸線偏離，甚至與導(dǎo)管接觸[9]。需對(duì)斜拉索導(dǎo)管傾角進(jìn)行修正，修正索導(dǎo)管傾角可按照懸鏈線的切線方向進(jìn)行修正，斜拉索塔端和梁端錨點(diǎn)需分別計(jì)入預(yù)抬高和活載預(yù)拱度的影響。

4.4 斜拉索安裝控制

該橋斜拉索采用鋼絞線斜拉索，施工中先逐步張拉單根鋼絞線，成索后再進(jìn)行整體張拉。為保證各單根鋼絞線索力均勻，施工中常采用等值張拉法[10]，但由于現(xiàn)場測力傳感器、千斤頂誤差等因素的客觀存在，很難保證各鋼絞線索力的均勻性。本橋以幾何控制法控制各鋼絞線的施工，在張拉過程中以控制其伸長量為主，張拉力為輔。張拉過程需保證橋塔兩側(cè)斜拉索同步進(jìn)行，重要施工階段前后需對(duì)斜拉索索力進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

主梁施工過程中為保證測試精度需多次測量，控制斜拉索索力誤差5 %以內(nèi)，如圖3所示為合龍前14#塔側(cè)20對(duì)共80根斜拉索索力誤差情況，誤差均小于5 %，索力最大誤差為4.8 %，索力控制精度滿足預(yù)定目標(biāo)。

圖3 主梁施工階段索力偏差

4.5 主梁施工控制

4.5.1 疊合梁線形控制

主梁的控制以主梁線形調(diào)控為主，內(nèi)力調(diào)控為輔的原則進(jìn)行。在制造階段準(zhǔn)確計(jì)算鋼主梁無應(yīng)力構(gòu)形是成橋時(shí)滿足設(shè)計(jì)線形的重要保證，鋼主梁無應(yīng)力構(gòu)形主要體現(xiàn)在構(gòu)件制造長度和構(gòu)件間梁端夾角上。在梁段安裝時(shí)，待拼裝梁段根據(jù)相鄰梁段上控制點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系確定安裝位置，在計(jì)算控制點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系時(shí)，需考慮溫度修正及梁段上下游吊裝先后順序?qū)刂泣c(diǎn)的影響。梁段施工的各關(guān)鍵階段需準(zhǔn)確測量主梁線形，分析誤差原因及調(diào)整措施。

主梁施工階段嚴(yán)格控制各梁段標(biāo)高，滿足目標(biāo)高程。成橋后，對(duì)全橋各梁段控制點(diǎn)進(jìn)行通測，疊合梁高程實(shí)測結(jié)果與理論值偏差如圖4所示。

圖4 成橋階段疊合梁高程偏差

圖中以里程坐標(biāo)為橫坐標(biāo)，小里程方向?yàn)榱_龍岸側(cè)，疊合梁各測點(diǎn)高程為縱坐標(biāo)，對(duì)比實(shí)測線形與成橋設(shè)計(jì)線形，兩者差異很小，各高程偏差為-50～51mm，高程偏差最大為51mm，滿足主梁線形控制誤差主跨±156mm，邊跨±83mm。

4.5.2 混凝土梁控制

江南岸邊跨混凝土主梁采用支架現(xiàn)澆施工，澆筑階段監(jiān)控重點(diǎn)為主梁線形及支架變形，主要通過調(diào)整立模標(biāo)高對(duì)其線形進(jìn)行調(diào)整。在完成混凝土主梁澆筑，開始懸拼中跨主梁時(shí)，由于混凝土主梁自重大、剛度大，對(duì)線形影響很小，此時(shí)主要監(jiān)控混凝土主梁的應(yīng)力。成橋階段江南岸邊跨混凝土梁最大壓應(yīng)力為14.4MPa，最大拉應(yīng)力為0.8MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.6 中跨合龍控制

宜賓南溪長江公路大橋主跨合龍采用配切合龍方案，由兩側(cè)橋機(jī)吊裝合龍段鋼主梁栓接合龍，鋼主梁合龍后再完成橫梁、小縱梁安裝，拆除臨時(shí)固結(jié)，施工橋面板等。在合龍前需對(duì)合龍口進(jìn)行連續(xù)觀測，確定合龍口兩側(cè)狀態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合氣候情況，確定合龍溫度，得到合龍段制造長度及兩端拼接角度。由于制造誤差、測量誤差等因素的客觀存在，合龍時(shí)合龍口狀態(tài)很難達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)，需制定相應(yīng)合龍調(diào)控措施。

4.6.1 合龍段寬度確定

配切合龍方案很難對(duì)合龍口寬度進(jìn)行調(diào)整，只能通過對(duì)合龍前連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定合龍溫度，準(zhǔn)確計(jì)算合龍段長度。如圖5，為合龍前觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁厍闆r預(yù)測合龍溫度為10℃，合龍當(dāng)天為陰雨天氣，結(jié)構(gòu)溫度與大氣溫度接近，根據(jù)合龍口觀測結(jié)果，確定合龍口寬度為7.055m，考慮合龍段與兩側(cè)梁段縫寬分別20mm，擬定合龍段長度為7.015m。

圖5 合龍口寬度觀測結(jié)果

4.6.2 高程調(diào)整

合龍前需使合龍口兩側(cè)懸臂端標(biāo)高達(dá)到目標(biāo)位置，在進(jìn)行合龍觀測前即已調(diào)整合龍口兩側(cè)高程基本滿足目標(biāo)位置，對(duì)總體高程可通過兩側(cè)斜拉索ZN21、ZS20索力進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算表明分別調(diào)整ZN21、ZS20索力100kN，可分別調(diào)節(jié)合龍口兩側(cè)懸臂端高程25mm和21mm。上下游高差也可通過ZN21、ZS20索力進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算表明調(diào)整ZN21或ZS20上下游索力差100kN，可使上下游高差調(diào)整23mm。

4.6.3 轉(zhuǎn)角調(diào)整

合龍口轉(zhuǎn)角調(diào)整目的是使合龍時(shí)拼接板能順利打入沖釘，通過分析，可以調(diào)整合龍口兩側(cè)附近斜拉索ZN19～ZN21、ZS18～ZS20對(duì)合龍口轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整。

在合龍當(dāng)天，需連續(xù)觀測合龍口狀態(tài)，根據(jù)合龍口狀態(tài)做相應(yīng)調(diào)整，待合龍口寬度、高程等均滿足目標(biāo)狀態(tài)時(shí)開始合龍?，F(xiàn)場合龍時(shí)，結(jié)構(gòu)實(shí)際溫度與預(yù)測溫度基本一致，依據(jù)調(diào)整措施快速完成調(diào)整，整個(gè)合龍過程較為順利。

5 結(jié)束語

在宜賓南溪長江公路大橋的施工控制中，根據(jù)幾何控制理念，確定橋塔、主梁、斜拉索等的合理控制目標(biāo)，從制造到安裝進(jìn)行全過程控制。實(shí)現(xiàn)了施工過程的高精度監(jiān)控，保障了全橋的順利合龍，確保了成橋后滿足預(yù)定的成橋目標(biāo)狀態(tài)，總體控制效果良好，可為其他同類型橋梁的施工監(jiān)控提供一定的借鑒。