固結體系矮塔斜拉橋施工監(jiān)控技術要點

王成

摘要 為了更好地解決固結體系矮塔斜拉橋施工問題，文章以云南紅河州元蔓高速浪灘坡特大橋工程為依托，對其固結體系矮塔斜拉橋斜拉索施工監(jiān)控技術進行深入地分析。該橋采用梁塔墩互為固結體系，介于斜拉橋與連續(xù)梁之間[1]。拉索對主梁起加勁作用，可起到優(yōu)化主梁受力的目的，減小主梁和塔柱的變形。因此在浪灘坡特大橋施工監(jiān)控工作中，建立了完善的施工監(jiān)控體系，以更好地對橋梁施工過程中的線形、應力及索力進行監(jiān)測，提出更具體且有針對性的監(jiān)控內(nèi)容及技術要點，以期為國內(nèi)同類型橋梁工程施工監(jiān)控工作提供參考，確保橋梁的施工質(zhì)量與安全。

關鍵詞 固結體系;矮塔斜拉橋;施工監(jiān)控

中圖分類號 U448.23 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0085-06

0 引言

矮塔斜拉橋自1980年在瑞士問世以來，由于它擁有較好的結構性能，經(jīng)濟指標良好，廣泛得到國內(nèi)外橋梁工程的應用。隨著當前組合式結構的不斷應用與發(fā)展，越來越多的橋梁開始嘗試采用中央雙索面預應力混凝土矮塔斜拉橋結構應用到各地橋梁建設中，這無疑對施工提出了更高要求。為了給現(xiàn)場施工提供正確的指導，保證質(zhì)量和安全，必須高度重視并做好施工監(jiān)控，明確施工監(jiān)控各項技術要點。

1 施工監(jiān)控意義

矮塔斜拉橋從開工建設直至通車運行，經(jīng)歷主要工況分別為：基礎施工、墩身及塔柱施工、懸臂施工、拉索張拉及橋面系施工等。當前成熟的理論可便捷地求出各主要施工階段的預拱度值及變形，但結構在施工過程中的實際變形未必能夠完美達到預期理論目標值，主要源于諸多因素的直接或間接的干擾，如設計彈性模量值及強度、混凝土的收縮徐變系數(shù)、施工臨時荷載及結構尺寸等，和工程實例的相應參數(shù)表現(xiàn)不完全吻合，在施工全過程保證主梁三維姿態(tài)偏差不超過容許值，怎樣保證合龍后大橋線形順暢，怎樣避免施工過程主梁應力超限等問題，怎樣確保成橋狀態(tài)與設計要求相吻合等都需進行施工監(jiān)測調(diào)控解決。大橋施工階段，施工誤差和工序工法的調(diào)整以及臨時施工荷載的作用都會讓大橋結構線形與內(nèi)力變化，影響大橋在全施工周期至成橋的狀態(tài)結構的安全。

施工監(jiān)控可以為橋梁建設過程保駕護航，為其在運營期能夠更好地發(fā)揮設計服務能力打下堅實基礎。目前，國內(nèi)外特大跨徑矮塔斜拉橋、矮塔斜拉橋出現(xiàn)了因混凝土徐變、收縮、預應力損失等因素產(chǎn)生的結構損傷現(xiàn)象。為保證浪灘坡大橋在施工過程中結構成橋線形、索力及內(nèi)力處于安全可控狀態(tài)，滿足相關規(guī)范要求，需對該橋進行施工全過程監(jiān)控監(jiān)測。

2 工程概況

浪灘坡特大橋位于元蔓高速公路紅河段，為元蔓高速公路控制性工程之一。主橋橋跨布置為：（136+240+136）m固結體系矮塔斜拉橋，主橋橋長512 m。

大橋主梁采用變截面單箱三室斜腹箱梁，主梁根部梁高為8.2 m，梁端部等截面段梁高為4 m。梁高按二次拋物線變化。0節(jié)段塊長12 m，梁高變化段兩側(cè)各86 m，邊跨等高梁段每側(cè)44.79 m，中跨等高梁段58 m。箱梁頂寬26.8 m，底寬14.224～16.324 m。懸臂板長4.5 m，頂板厚28 cm，底板厚度由跨中32 cm逐漸加大至根部為140 cm，0節(jié)段內(nèi)底板厚170 cm。主塔采用等截面矩形實心斷面，平面尺寸為6 m（縱向）×2.6 m（橫向），橋面以上塔高44 m，位于中央分隔帶，與主梁固結。主墩采用鋼筋混凝土薄壁空心變截面墩，墩底設正方形承臺加群樁基礎，橋臺均為重力式橋臺。橋型布置圖如圖1所示。

3 監(jiān)控內(nèi)容

3.1 幾何（變形）控制

無論采用何種工法，大橋施工控制原則是以變形控制為主，變形和應力綜合考慮，嚴格控制各關鍵截面的變形和偏位，通過理論計算分析預測撓度發(fā)展趨勢。主梁線形控制主要依據(jù)施工過程仿真計算和主梁各節(jié)段撓度及立模高程來實現(xiàn)，主梁撓度及高程調(diào)控是通過對梁頂、底高程進行監(jiān)測，再結合理論分析值進行調(diào)控實現(xiàn)控制目標，前提要設立相應的施工監(jiān)控網(wǎng)，通過對施工階段主梁每節(jié)段高程實時跟蹤監(jiān)測，觀測施工全程大橋線形的變化狀況，以確保懸澆施工的合龍平面高差控制在規(guī)定允許的范圍[2]。

該工程矮塔斜拉橋施工控制高程以成橋后10年作為混凝土收縮、徐變影響的控制條件，特殊情況下可根據(jù)實際情況適當延長計算影響時間。

3.2 應力監(jiān)控

大橋的應力測試成果既可用于評判大橋施工過程中結構安全和成橋后的狀態(tài)，反映大橋在各工況下的應力水平，又可用來評價施工質(zhì)量，為同類型橋梁設計理論提供可靠依據(jù)。針對該橋梁而言，受設計參數(shù)、施工狀態(tài)和橋梁計算分析模型誤差等因素的影響，大橋?qū)嶋H應力水平與設計應力很難完全契合。對此，需要剔除結構非受力應變，在布設工作應力元件時，同時布設無應力計，測試結構非工作應力，從而計算獲得大橋結構的實際工作應力[3]。

該工程在大橋上部結構及3號、4號橋墩的左右幅控制斷面布設應力監(jiān)測點，監(jiān)測結構控制斷面的應力變化及分布情況。可判定大橋在施工及成橋后主應力是否在設計及規(guī)范要求的控制范圍內(nèi)。

3.3 索力控制

對于該項目，拉索索力控制為最關鍵控制因素之一，其直接影響主梁及主塔的內(nèi)力和線形。大橋在全施工周期精準測試各工況下的真實索力水平，再與理論值進行分析對比，對確保成橋后結構的設計內(nèi)力和線形是相當重要的[4]。對此，要在上部結構施作之前對斜拉索的每步工況進行詳盡地分析計算，并在大橋上部施工階段，對拉索索力進行實時觀測，適時調(diào)控，保證施工階段結構受力和變形狀態(tài)始終滿足控制指標，保證順利合龍。

該橋采用基頻法進行索力測試，同時結合穿心式錨索計進行相互比對校核。由拉索張力與其基頻之間建立關系，后續(xù)通過換算獲得索力[5]。

3.4 主塔控制

主塔的結構強度應滿足設計強度要求，關鍵截面實測應力值需不大于施工階段理論計算容許應力，索塔尺寸和垂直度應在容許偏差范圍;同時斜拉索的索力、傾角等均應滿足設計要求[6]。索塔施工監(jiān)測的主要內(nèi)容有：主塔的標高、位移及傾斜度量測，主塔塔身控制斷面應力測試等;拉索的錨點的位置復核，套管的傾角復核等。

主塔施工監(jiān)控的目標是為了讓大橋在所有施工步驟和成橋后恒載作用下的最終目標線形能夠滿足要求。主塔的施工控制有兩個主要內(nèi)容，包括：（1）塔柱根部應力監(jiān)控;（2）塔柱線形監(jiān)控。

4 仿真計算

在對浪灘坡特大橋施工階段模擬計算分析時，計算模型利用有限元軟件邁達斯Civil，將其簡化為空間三維梁單元，斜拉索采用桁架單元建立，每個節(jié)段的懸臂現(xiàn)澆工況劃分為：掛籃就位與調(diào)模→節(jié)段懸澆→預應力張拉→拉索張拉四個工序階段。全橋結構的形成分為施工和運營階段，讓全施工階段出現(xiàn)的荷載、邊界約束、時程工序的調(diào)整都能在計算模型中得到直觀地展現(xiàn)[7]。其計算結構模型如圖2所示。

對于采用懸澆法施工的矮塔斜拉橋，后續(xù)節(jié)段是通過預應力束及混凝土與前一節(jié)段相接而成，因此，每節(jié)段施工工況都是緊密關聯(lián)的。分析每個施工節(jié)段及成橋后結構的線形和受力特點就變得不可或缺。為了讓結構成橋狀態(tài)能達到設計及規(guī)范的要求，確定每個施工節(jié)段線形和控制應力是大橋懸澆施工過程中首要任務之一，控制主梁每節(jié)段的預拱度尤為重要。因為合龍前，兩懸臂端高差應該盡量保持在同高程上。大橋施工和運營階段，上部結構的線型及應力變化較為頻繁，對此，可根據(jù)各施工階段以及成橋狀態(tài)的預測結果，在主梁施工之前，應對后續(xù)節(jié)段施工過程的內(nèi)力和形變進行預測，作為后續(xù)節(jié)段施工過程控制的指標，在后續(xù)節(jié)段施工完成后，需根據(jù)實測值和理論計算值對比的結果，如果實測值與理論值存在較大差異，需分析產(chǎn)生差異因素并在后續(xù)節(jié)段施工中采取對應的調(diào)整措施。

為了更好地解決上述問題，在浪灘坡特大橋的施工控制工作中，從正裝計算分析和實時跟蹤監(jiān)測分析兩方面著手，相互矯正，讓成橋狀態(tài)的大橋線形、內(nèi)力等方面均能滿足設計指標要求。

5 監(jiān)控成果分析

5.1 主梁線形及應力控制成果

線形及應力監(jiān)測數(shù)據(jù)是評價成橋線形及內(nèi)力狀態(tài)最主要的依據(jù)。為盡量減小橋址環(huán)境溫度的影響，變形的監(jiān)測需安排在溫度較為恒定的時間段，在早晨結構未受陽光輻射氣溫影響之前進行。在全施工過程，重點監(jiān)測工況包括：每施工節(jié)段澆筑前后、張拉預應力后和合龍前后的線形、應力變化值。應力監(jiān)測與變形觀測同步。

觀測成果的準確性是進行最優(yōu)控制的前提。對每施工節(jié)段的變形及應力的監(jiān)測，需進行詳盡對比分析。這里僅給出大橋合龍后主梁撓度及應力實測數(shù)據(jù)與理論值的對比圖，如圖3。

該次對浪灘坡特大橋考慮成橋10年后收縮徐變系數(shù)設置了足夠的預拱度值。經(jīng)過對大橋合龍后實測高程值與理論高程值的對比分析、相對高差測量等，主梁實測高程值與理論高程值偏差較小，成橋線形滿足設計及規(guī)范要求，達到了預期控制目標。

重點列舉0號節(jié)段應力值，監(jiān)測應力反映的是隨施工過程該控制截面的應力變化（如圖4、圖5）。成果顯示大橋施工階段應力變化均勻，未見異常，應力值偏差控制在容許范圍，滿足設計及規(guī)范要求。

5.2 索塔位移及應力控制成果

在浪灘坡特大橋施工監(jiān)控過程中，對每一工況，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整施工控制參數(shù)，從而精確的模擬分析結構真實狀態(tài)，見表1。針對每個工況，均對實際監(jiān)測應力數(shù)據(jù)參照理論值對比分析，對實測數(shù)據(jù)作詳細分析?，F(xiàn)將塔身每節(jié)澆注完成和主梁澆筑后實測結果與理論結果對比如圖6、圖7。

5.3 拉索索力監(jiān)控成果

對于斜拉橋，斜拉索索力是最為關鍵因素之一，會直接影響主梁及主塔內(nèi)力、撓度，對此，不僅要在施工之前對大橋的索力在主梁每節(jié)段進行詳細的計算及分析，還要在施工全過程，對已張索力實時跟蹤監(jiān)測，根據(jù)實際情況擇機調(diào)索，確保大橋在全施工過程的結構應力和形變始終滿足設計及規(guī)范要求，保證順利合龍。

浪灘坡特大橋?qū)π崩鞯谋O(jiān)測主要體現(xiàn)在斜拉索施工張索階段以及成橋后索力監(jiān)測階段，每根斜拉索均設測點，測點位于拉索根部和主梁上部1.2 m處。為了保證斜拉索索力滿足設計和施工要求，施工中采用錨索計和頻譜法兩種方法對斜拉索索力進行索力監(jiān)測，主要以錨索計監(jiān)測為主，頻譜法為輔。在成橋索力監(jiān)測中，以頻譜法為主，錨索計監(jiān)測為輔。現(xiàn)將拉索實測索力與理論索力對比如圖8。

6 結語

綜上所述，對大橋全施工過程予以嚴格控制來滿足安全方面的要求。其中，高程偏差不超過±20 mm，相鄰兩個階段的高差不超過10 mm，合攏高差不超過20 mm，合龍時懸臂端高差滿足小于技術指標限值，全橋線形平順度良好，體系轉(zhuǎn)化后內(nèi)力狀態(tài)與設計及規(guī)范吻合。對關鍵控制截面進行應力監(jiān)測，所有塊段掛籃移動前后→澆筑→張拉分別測量各控制截面實際內(nèi)力，根據(jù)關鍵控制截面應力實時監(jiān)測結果為后續(xù)橋梁施工提供精確指導。依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》，處于施工狀態(tài)的預應力結構，主梁混凝土強度等級為C55時，最大壓應力不超過24.85 MPa，最大拉應力不超過1.918 MPa，該橋有效預應力可靠，主梁應力未超限，大橋?qū)嶋H受力狀態(tài)滿足設計及規(guī)范要求。實測索力值在允許±3%范圍內(nèi)，成橋后主塔基本垂直，傾斜度偏差小于塔高的H/3000，索力、塔偏滿足設計文件及相關規(guī)范。在浪灘坡特大橋施工過程，監(jiān)控單位密切跟蹤每個施工環(huán)節(jié)，成功將施工控制技術用于該橋的工程建設中，由此確保該橋順利合龍，并正常通車運營。該橋梁項目的施工監(jiān)控在不同方面都得到了很大的提高，形成總體報告，可以為之后其他類似橋梁施工提供參考借鑒。

參考文獻

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