徐鹽高速鐵路新洋港斜拉橋施工控制研究

李方柯 鄒孔慶 王冰

（1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600；2.中鐵四局集團鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，合肥 230022）

1 工程概況

新洋港斜拉橋位于鹽城市亭湖區(qū)通榆河和新洋港交口位置，設(shè)計采用（72+96+312+96+72）m 雙塔雙索面連續(xù)鋼桁斜拉橋，是徐州至鹽城高速鐵路的全線控制性工程［1］。結(jié)構(gòu)采用帶縱向阻尼約束的半漂浮體系；主梁采用雙主桁、三角形桁式，節(jié)間距12 m，桁高14 m，主桁中心距15 m，主桁采用焊接整體節(jié)點形式，桿件與節(jié)點之間采用高強度螺栓連接；橋面系采用正交異性鋼橋面；橋塔采用129 m 高的花瓶形結(jié)構(gòu)，單塔每側(cè)設(shè)12對拉索。大橋立面布置如圖1所示。

圖1 大橋立面布置（單位：m）

新洋港斜拉橋的基礎(chǔ)和橋塔采用常規(guī)方法施工，鋼桁梁采用散拼法施工。為保證施工過程中結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性，采用支架單向懸拼的方案（圖2），先在承重支架上安裝邊跨和次邊跨鋼梁，再利用2 臺70 t 全回轉(zhuǎn)架梁吊機單向懸拼架設(shè)主跨鋼梁，并掛設(shè)斜拉索，主梁在中跨跨中實現(xiàn)強制合龍［2］。

圖2 支架單向懸拼法架設(shè)

2 施工控制概述

2.1 施工控制原則

斜拉橋施工控制的根本目的是對結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)和理想狀態(tài)的差異進行判別和修正，從而保證施工過程安全可控，使成橋結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力狀態(tài)逼近設(shè)計理想狀態(tài)。鐵路鋼桁梁斜拉橋的二期恒載和活載占比較大，施工過程中主梁內(nèi)力通常不控制設(shè)計，主要通過控制線形以保證主梁順利合龍。高速列車通行對橋面平順度要求較高，在成橋狀態(tài)控制主梁線形以滿足列車通行需求更為重要。因此，有別于傳統(tǒng)斜拉橋“線形內(nèi)力雙控”理念，鐵路鋼桁梁斜拉橋的施工控制宜采用線形控制為主、內(nèi)力控制為輔的原則。

2.2 施工控制方法

斜拉橋施工控制以自適應(yīng)控制法為主［3］，通過參數(shù)修正使理論計算模型更接近結(jié)構(gòu)實際情況，從而對結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)進行判斷和控制。

斜拉橋施工控制的核心在于處理結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)與理論狀態(tài)的偏差。產(chǎn)生偏差的原因包括：結(jié)構(gòu)實際參數(shù)和設(shè)計參數(shù)存在差異、計算模型簡化導致的結(jié)構(gòu)力學行為和實際情況不一致、結(jié)構(gòu)制造和安裝誤差、施工監(jiān)測誤差等。

新洋港斜拉橋采用自適應(yīng)控制法消除參數(shù)誤差，鋼桁梁采用幾何控制法［4-5］降低監(jiān)測誤差。但栓接鋼桁梁的線形在桿件制造完成后已基本確定，后期安裝標高調(diào)整量很小，鋼梁的制造和拼裝誤差、仿真分析誤差等造成的鋼梁線形偏差只能通過斜拉索索力來調(diào)整。由于鋼桁梁斜拉橋的索力線形敏感度相對較低，為保證鋼梁線形，斜拉索索力可能出現(xiàn)較大的偏差。因此，新洋港斜拉橋施工控制在基于自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上，采用“線形精確控制+索力近似控制”的方法。

2.3 施工監(jiān)控監(jiān)測手段

新洋港斜拉橋施工監(jiān)控計算基于無應(yīng)力狀態(tài)法［6-7］，采用三維空間有限元分析軟件MIDAS 和TDV進行監(jiān)控計算。橋塔、鋼桁梁桿件等結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，鐵路正交異性鋼橋面板采用板單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，全橋按實際施工過程考慮幾何非線性進行分析。

橋塔采用預(yù)埋式應(yīng)變計進行應(yīng)力、溫度監(jiān)測，塔柱采用棱鏡進行位移監(jiān)測；鋼桁梁采用外貼式應(yīng)變計進行應(yīng)力和溫度監(jiān)測，采用全站儀和電子水準儀進行線形監(jiān)測；斜拉索采用頻譜式索力計監(jiān)測索力。應(yīng)變計采用自動化數(shù)據(jù)采集與分析。

3 重難點及解決措施

3.1 結(jié)構(gòu)制造及安裝線形

根據(jù)成橋線形、受力狀態(tài)確定合理的結(jié)構(gòu)制造及安裝線形是斜拉橋施工控制的前提。傳統(tǒng)方法一般根據(jù)施工階段模擬計算確定從制造到成橋過程中結(jié)構(gòu)的幾何變位，然后采取各種方式加以幾何補償。目前，大跨度斜拉橋多采用無應(yīng)力狀態(tài)法確定構(gòu)件的制造和安裝線形，即根據(jù)成橋狀態(tài)確定構(gòu)件的無應(yīng)力長度、無應(yīng)力曲率、相對幾何關(guān)系等參數(shù)，再輔以施工過程控制，最后達到預(yù)定的成橋狀態(tài)。傳統(tǒng)方法原理清晰、操作簡便，對于大跨度橋梁則會出現(xiàn)較大的誤差?？刂茦?gòu)件的制造尺寸和幾何關(guān)系對于超大跨度斜拉橋適應(yīng)性較好，但過程繁瑣，特別是幾何控制量和制造、安裝精度相近時則難以控制。因此，對于實際結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合幾何控制參數(shù)、施工便利性等條件確定合理的線形控制方案。

新洋港斜拉橋鋼梁按水平設(shè)計，各跨按1/2 靜活載撓度設(shè)置預(yù)拱度，并通過橋面道砟進行豎曲線擬合，最終形成0.44‰的人字坡（圖3）。主跨設(shè)143 mm預(yù)拱度，其中92 mm 通過調(diào)整上弦節(jié)點間距實現(xiàn)，51 mm通過張拉斜拉索實現(xiàn)。

圖3 鋼梁成橋線形布置（單位：m）

根據(jù)監(jiān)控結(jié)果計算得到鋼梁梁端壓縮量約為50 mm，各桿件的無應(yīng)力長度比設(shè)計長度僅多出1～3 mm，與桿件制造誤差在同一量級，控制幾何尺寸較為困難。按無應(yīng)力長度和桿件間無應(yīng)力幾何關(guān)系控制時，桿件拼接、腹板傾角、平聯(lián)及橫聯(lián)角度均有較小的調(diào)整，不僅增加了制造復雜度，還會影響后期線形控制的判斷。因此，該橋梁制造線形采用按設(shè)計長度制造+局部幾何補償?shù)姆椒ū容^合理。因橋塔處設(shè)置了鋼梁縱向頂推裝置，鋼梁選用強制合龍方案；考慮到梁端壓縮值相對較小，鋼梁最終采用梁端補償?shù)姆桨浮?/p>

新洋港斜拉橋橋塔采用花瓶形混凝土塔，采用爬模分段現(xiàn)澆施工。橋塔線形控制按2 階段計算、一次性補償考慮。第1 階段：計算橋塔施工階段自重和收縮徐變引起的豎向變形、橫向變形。第2階段：計算斜拉索張拉和后期收縮徐變引起的豎向變形、橫向變形。疊加2 階段橋塔變形作為塔柱初始施工的預(yù)偏值，同時考慮橋塔上墊石以及斜拉索錨點的預(yù)抬量。斜拉索直接按照無應(yīng)力狀態(tài)法進行加工和控制。

綜上所述，該橋施工控制最終采用無應(yīng)力狀態(tài)法+幾何補償法的方式來確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造和安裝線形。線形監(jiān)測結(jié)果表明，采用該方法成橋后梁、塔線形與理論線形吻合良好，各項線形誤差均小于規(guī)范限值。

3.2 鋼梁懸拼線形控制

新洋港斜拉橋鋼梁采用單懸臂拼裝，鋼梁懸拼線形控制總體采用自適應(yīng)控制原理，根據(jù)鋼梁架設(shè)過程中的實際線形對計算模型進行不斷修正，但模型修正無法消除計算模型簡化誤差和鋼梁制造安裝誤差。新洋港斜拉橋鋼梁前6 個節(jié)段的模型修正結(jié)果顯示，僅調(diào)整主梁自重和斜拉索彈性模量2項對鋼梁線形最敏感的參數(shù)，鋼梁的理論線形和實際線形難以吻合。

考慮鋼梁懸拼的首要目的是保證線形，實現(xiàn)合龍，所以允許斜拉索索力出現(xiàn)一定偏差。針對本橋提出了模型修正和索力調(diào)整相結(jié)合的控制方式：①對鋼梁拼裝施工過程進行計算，分析各斜拉索張拉對當前階段梁端位移及合龍口位移的影響，引入索力敏感性參數(shù)β；②根據(jù)前3個懸拼節(jié)段線形修正計算模型關(guān)鍵參數(shù)，此時鋼梁制造誤差和拼裝累積誤差較小，模型修正效果較好；③在其后的3個懸拼節(jié)段施工過程中，根據(jù)索力敏感性分析結(jié)果調(diào)整索力，保證實際線形和理論線形一致。同時根據(jù)實際索力和鋼梁變形對索力敏感性參數(shù)β進行修正。④此后每拼裝3 個鋼梁節(jié)段，對索力敏感性參數(shù)β再進行一次修正。

按照上述步驟建立鋼梁懸拼線形與索力控制數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對鋼梁懸拼過程實時控制。實際施工情況表明，鋼梁合龍前梁端高程和理論值差值小于5 mm，現(xiàn)場僅通過小幅調(diào)整中跨尾索就能實現(xiàn)鋼梁合龍。

3.3 斜拉索初張拉拔出量

斜拉索的拔出量指索力在一定變化范圍內(nèi)，斜拉索的張拉伸長值（張拉端的拔出量）。斜拉索的拔出量主要有以下特點：①斜拉索在自重作用下會產(chǎn)生一定的垂度，索力增大時斜拉索的拔出量包括彈性伸長量以及克服垂度導致的伸長量；②由于斜拉橋為柔性體系結(jié)構(gòu)，在斜拉索張拉過程中，塔端和梁端的錨點會產(chǎn)生一定的位移，影響斜拉索的拔出量；③斜拉索在自然狀態(tài)下會產(chǎn)生一定的彎曲的扭轉(zhuǎn)，在索力相對較小的區(qū)段內(nèi)，索力變化值和索長變化值呈現(xiàn)強烈的非線性關(guān)系。因此，斜拉索的拔出量不僅與索的自重、彈性模量等參數(shù)有關(guān)，還與索力、索長、索的垂度、結(jié)構(gòu)體系剛度等密切相關(guān)。分析和控制拉索的拔出量不僅是對其物理參數(shù)的校核，也可對結(jié)構(gòu)的剛度進行驗證。

分析索拔出量理論值時，初始索長通常按斜拉索在無自重作用下自由安裝時的索長考慮（即無應(yīng)力索長），即斜拉索安裝前梁、塔端錨點的直線距離（圖4（a））；最終索長按拉索張拉完成狀態(tài)計算（圖4（b）），此時斜拉索承受自重和張拉力F，塔端、梁端錨固點分別產(chǎn)生豎向變位ω1，ω2和水平變位υ1，υ2。索的理論拔出量=斜拉索的最終無應(yīng)力索長-初始索長。

斜拉索張拉拉過程（圖5）包括：①機動位移階段。該階段張拉力保持不變，索在張拉力作用下產(chǎn)生剛體位移，索的支承狀態(tài)逐步由多點彈性支承轉(zhuǎn)變?yōu)殄^點支承；②垂度抵抗階段。該階段張拉力逐漸增大，索的拔出量不斷增加，拔出量中以抵抗垂度產(chǎn)生的變形量為主；③彈性伸長階段。該階段張拉力進一步增大，索的拔出量不斷增加，拔出量中以索的彈性伸長量為主。

圖5 斜拉索實際張拉階段

從斜拉索的實際張拉過程可以看到，其理想的初始狀態(tài)（圖4（a））并不存在，只有當張拉力達到一定程度時，其實際狀態(tài)才與理想狀態(tài)相對應(yīng)。理論上應(yīng)先根據(jù)錨固點坐標確定拉索的初始無應(yīng)力索長，對斜拉索提前標記，待張拉完成后再次標記，將2次標記點的差值作為實測拔出量。由于實際的索錨點幾何位置與理論存在偏差，且斜拉索制造先于錨點成型，斜拉索的初始標記可能存在較大誤差，因此實際施工時一般不采用該方法。

基于斜拉索的實際張拉階段和工作特性，提出2種方法對斜拉索拔出量的實測值和理論值進行對比：①零點彈性伸長對比。以斜拉索自由安裝（計自重）變形后的索端拉力作為零點索力，以零點索力作為拉索張拉的垂度抵抗階段和彈性伸長階段的界限，假定后期拉索伸長量均為彈性伸長量。拉索拔出量校核僅考慮零點索力至初張力范圍。②等效彈性伸長對比?？紤]索力相對較大時，斜拉索基本已克服了垂度變形和彎曲扭轉(zhuǎn)變形，其伸長量基本為彈性伸長量。斜拉索拔出量實測值采用張拉后幾級的伸長量作等效替換，并與理論值進行對比。

以新洋港斜拉橋北岸側(cè)1031#橋塔1～4 號索為例，按上述2 種方法對拉索拔出量進行驗證，見表1。其中，S1′為邊跨1 號索，S1 為中跨1 號索，-1 為東側(cè)索，-2 為西側(cè)索。實際拉索按初張力分5 級張拉，第1級直接張拉至理論零點索力，等效彈性伸長對比時采用后3 級伸長量等效替換得到的實際拔出量。由表1可知，斜拉索實際拔出量和理論值誤差均在6%以內(nèi)，驗證了斜拉索彈性模量和理論值相符，結(jié)構(gòu)整體剛度與理論值接近。表明按照零點索力法或等效彈性法進行斜拉索初張拉拔出量校核可靠。

3.4 二次調(diào)索

對于鐵路鋼桁梁斜拉橋，二次調(diào)索的目的是保證鋼梁線形和設(shè)計線形盡量一致，并使斜拉索索力接近設(shè)計值。一般采用調(diào)整拉索拔出量的方法進行二次調(diào)索。由于斜拉索的實際長度與結(jié)構(gòu)實際剛度、施工誤差、溫度、張拉力等諸多因素相關(guān)，因此采用相對調(diào)整法進行二次調(diào)索。

表1 斜拉索初張拉拔出量對比

按照二次調(diào)索前后的計算模型即可確定斜拉索拔出量。斜拉索在調(diào)索前后的狀態(tài)如圖6 所示。其中，A，B，C，D 為錨固點，DE 段為張拉拔出段，調(diào)索前后索力分別為F1，F(xiàn)2。令A(yù)B 段、CD 段、DE 段的無應(yīng)力長度分別為L1，L2，L0，DE 段實際長度為ΔL?？紤]溫度T，線膨脹系數(shù)α，斜拉索的彈性模量E和面積A。根據(jù)無應(yīng)力長度不變原則，忽略DE 段垂度影響可以得到ΔL=（L1-L2）［1+F2/（EA）+αT］。

圖6 斜拉索張拉前后狀態(tài)

根據(jù)斜拉索實際工作參數(shù)F2=5000 kN，T=30 ℃，E=195 GPa，A=13431 mm2，α=1.2×10-5計算得到F2/（EA）+αT=0.00226，該項可忽略。因此，二次調(diào)索拔出量計算公式可簡化為ΔL=L1-L2。理論上僅需要計算出二次調(diào)索前后模型各斜拉索的無應(yīng)力長度即可。

根據(jù)鋼梁懸拼線形控制結(jié)果可知，鋼梁合龍后其線形與理論線形基本相同，但索力實測值和理論值不符，且不成比例。為避免成橋后斜拉索索力出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)基于實際情況采用相對調(diào)整法進行二次調(diào)索。由于二次調(diào)索與索力絕對值無關(guān)，決定鋼梁線形達到理想線形的指標是索力的變化量，即張拉拔出（Fn為第m根斜拉索的索力）和鋼梁線形差方和量。因此，以斜拉索索力差方和2（Hn為第n個鋼梁控制點的高程）最小作為控制指標，對調(diào)索前模型進行調(diào)整，使索力理論值接近實測值。結(jié)合調(diào)索前后模型即可確定各斜拉索的二次調(diào)索拔出量。

二次調(diào)索后鋼梁東、西側(cè)各控制點高程實測值和理論值的差值見圖7，1031#墩斜拉索索力實測值和理論值見圖8?？芍?，鋼梁實際線形和理論線形吻合良好，高程誤差基本在20 mm 以內(nèi)；斜拉索索力實測值與理論值吻合較好，實際索力約為理論值的1.08 倍，差值主要由鋼梁預(yù)拱方法以及制造和拼裝誤差引起。實測結(jié)果表明鋼梁線形、斜拉索索力均滿足設(shè)計要求。

圖7 鋼梁高程實測值與理論值的差值

圖8 1031#墩斜拉索索力實測值與理論值

4 設(shè)計優(yōu)化建議

4.1 成橋線形

鐵路斜拉橋在列車通行時將產(chǎn)生較大的豎向位移，應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度以保證線路的平順性。傳統(tǒng)方法是按照恒載+1/2 靜活載的撓度曲線設(shè)置預(yù)拱度。鐵路客車、貨車設(shè)計荷載分別為64（ZK），85 kN/m（ZKH），而實際運營荷載僅為28，66 kN/m，且按傳統(tǒng)方法設(shè)置預(yù)拱度會導致線路不平順。因此，預(yù)拱度設(shè)置時應(yīng)結(jié)合實際活載考慮。

對于鋼桁梁斜拉橋的成橋線形，若按主梁水平設(shè)計在各跨分別設(shè)置預(yù)拱度，則預(yù)拱度曲線在支點處會出現(xiàn)不連續(xù)的情況，成橋后還需要對軌道線形進行擬合。該傳統(tǒng)方法僅適用于有砟軌道。預(yù)拱度的設(shè)置受預(yù)拱方法、施工誤差影響，控制困難。同時，鋼梁成橋線形受溫度影響較大，成橋后軌道線形擬合困難，易出現(xiàn)成橋軌道線形和設(shè)計軌道線形不一致的情況［8］。設(shè)計時可根據(jù)鋼梁預(yù)拱度將線路局部調(diào)整為人字坡，鋼梁直接按照實際人字坡線形進行設(shè)計和制造。

4.2 構(gòu)造設(shè)計

除制造和拼裝誤差外，鋼桁梁的拼裝工藝和預(yù)拱度設(shè)置方法是影響鋼梁線形控制的主要因素。鋼桁梁的拼裝工藝主要有焊接和栓接2 種，新洋港斜拉橋鋼梁均采用栓接連接，施工時采用散拼的方式。由于桿件栓接拼裝時可能繞節(jié)點轉(zhuǎn)動，會造成拼裝線形誤差并逐步累積。因此，在施工條件允許的情況下，鋼桁梁宜采用整節(jié)段先焊接后拼裝或多節(jié)段先焊接后拼裝的工藝，便于施工線形控制。

鋼桁梁的預(yù)拱度成形方法主要有調(diào)整上弦節(jié)點間距尺寸、張拉斜拉索起拱、調(diào)整鋼梁制造線形等。調(diào)整上弦節(jié)點間距尺寸是實現(xiàn)鋼桁梁預(yù)拱的傳統(tǒng)方法，但調(diào)整尺寸一般較小，鋼桁梁的節(jié)點剛域難以準確考慮［9-10］，線形控制困難。張拉斜拉索起拱會增大索力，邊跨壓重也需增加，一般僅適用于對斜拉索剛度需求高且壓重便利（或不需壓重）的鋼箱混合梁斜拉橋。調(diào)整鋼梁制造線形的方法更有利于鋼桁梁的線形控制。考慮鋼梁的制造、拼裝誤差等，采用調(diào)整鋼梁制造線形為主、張拉斜拉索起拱為輔的方案較為合理，且鋼桁梁邊跨壓重應(yīng)具備足夠的富裕度。

從鋼梁線形的敏感性分析來看，鋼梁自重是主要影響因素，斜拉索剛度是次要影響因素。對于鋼桁梁斜拉橋，索力變化對鋼梁線形的敏感度相對較低，當自重、二期恒載出現(xiàn)偏差或制造、拼裝誤差導致鋼梁實際線形和設(shè)計不一致時，需要調(diào)整的索力較大。因此，鋼桁梁斜拉橋設(shè)計時斜拉索宜留有足夠的富裕度，以保證成橋后斜拉索的強度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1）基于自適應(yīng)控制原理，采用“線形精確控制+索力近似控制”的原則。施工控制采用無應(yīng)力狀態(tài)法+幾何補償法的方式確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造和安裝線形。鋼梁懸拼線形采用線形精確控制+索力近似控制的方式，有效保證了鋼梁合龍線形。

2）采用零點索力法或等效彈性法在斜拉索初張拉階段實現(xiàn)了索力和拔出量雙控，能夠及時發(fā)現(xiàn)斜拉索及其相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量問題，是斜拉索施工控制的重要手段。

3）采用無應(yīng)力狀態(tài)法結(jié)合實際索力進行二次調(diào)索，在保證成橋線形的基礎(chǔ)上，各斜拉索索力應(yīng)盡可能逼近設(shè)計成橋索力。

4）對于鐵路鋼桁梁斜拉橋，設(shè)計預(yù)拱度宜結(jié)合實際活載設(shè)置，采用人字坡線路來擬合鋼梁預(yù)拱度。預(yù)拱度設(shè)置宜采用調(diào)整鋼梁制造線形為主、張拉斜拉索起拱為輔的方案。為保證成橋鋼梁線形，設(shè)計時斜拉索宜留有足夠的富裕度來消除各項誤差。

新洋港斜拉橋于2016年3月開工建設(shè)，2018年8月鋼桁梁順利合龍，2019年12月正式通車運營。大橋?qū)崪y線形、內(nèi)力狀態(tài)良好，達到了設(shè)計的理想狀態(tài)。