基于支架法施工的獨(dú)塔斜拉橋施工監(jiān)控分析

余小勇

(中鐵二十四局集團(tuán)浙江工程有限公司 浙江杭州 310009)

1 引言

斜拉橋是一種多次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力與施工方式有關(guān)，合理的施工監(jiān)控是確保橋梁結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求的重要保證[1]。對(duì)于斜拉橋施工分析通常有兩種方法:一是倒拆分析法[2]，另一種為正裝分析法[3]。但此兩種方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工分析，均會(huì)導(dǎo)致斜拉橋各控制值與目標(biāo)值不一致的情況。因此，在施工過程中，如何利用有效的控制方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工遇到的實(shí)際問題進(jìn)行分析，調(diào)整斜拉橋成橋后各結(jié)構(gòu)控制值在規(guī)范允許范圍內(nèi)是保證工程順利完工、結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的關(guān)鍵。

本文所研究工程背景斜拉橋主跨鋼箱梁采用支架法施工，支架的設(shè)計(jì)、變形及其體系轉(zhuǎn)換是施工中的重點(diǎn)，索的張拉順序和張拉力大小的優(yōu)化以及過程控制是本項(xiàng)目的難點(diǎn)，如何控制索的張拉精度是本橋施工重點(diǎn)。因此，需要注重對(duì)該橋的施工監(jiān)控，以保證橋梁施工高質(zhì)量、安全順利完成。

2 工程概況

(1)主橋基本信息:南溪大橋是永康市區(qū)四環(huán)線跨越南溪的控制性工程，橋梁工程包括主線橋與慢行橋。其中主線橋全長(zhǎng)267 m，主橋?yàn)?108＋80)m獨(dú)塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全寬40 m。橋塔整體造型為倒“Y”型，拉索區(qū)上塔柱結(jié)構(gòu)斷面為箱型空心斷面，外形尺寸為(3.0×4.0)m；下塔柱結(jié)構(gòu)斷面為矩形實(shí)心斷面，外形尺寸為(3.0×4.0)m，輔柱尺寸為(2.5×4.0)m。拉索集中布置在上塔柱內(nèi)。塔頂標(biāo)高155.0 m，承臺(tái)以上塔高69 m，橋面以上塔高約57 m。全橋縱向布置8對(duì)斜拉索，共8×4＝32根斜拉索。

(2)主橋總體施工方法:在主橋東岸布置施工基地。預(yù)制好板單元并拼裝好鋼箱梁節(jié)段，然后吊裝到主橋貝雷支架上，逐段拼裝焊接，直至安裝完成全部鋼箱梁；然后張拉斜拉索，完成橋面系統(tǒng)及涂裝后落架，再進(jìn)行2次拉索。橋梁具體布置情況如圖1、圖2所示。

圖1 南溪大橋主橋總體布置(單位:cm)

圖2 南溪大橋主橋橫斷面(單位:mm)

3 施工監(jiān)控概述

3.1 施工監(jiān)控原則

施工監(jiān)控過程中須遵循以下原則[4－5]:

(1)受力要求:斜拉橋主要是主梁、索塔和索三大構(gòu)件受力，索力是三大構(gòu)件最重要的影響因素。故索力控制顯得尤為重要，關(guān)系到斜拉橋整體結(jié)構(gòu)安全。

(2)線形要求:一是各節(jié)段主梁的標(biāo)高，二是橋塔偏位。對(duì)于本工程而言在支架法架設(shè)主梁過程施工中，要控制主梁的標(biāo)高滿足線形要求，在調(diào)索過程中，要控制各施工步驟下塔頂?shù)钠屏繚M足規(guī)范要求。

(3)內(nèi)力與線形調(diào)控要求:索力調(diào)整是受力狀態(tài)調(diào)整的直接手段，調(diào)整立模標(biāo)高是主梁線形調(diào)整的直接手段，兩者相互影響。本工程采用支架法施工，主梁架設(shè)完成后再進(jìn)行斜拉索張拉，故節(jié)段立模對(duì)索力的影響較小，可以忽略。

3.2 施工監(jiān)控手段

在本項(xiàng)目施工控制中，采用自適應(yīng)方法[7]進(jìn)行施工控制。該方法是在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，再加上一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別過程，是預(yù)告—施工—現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集—參數(shù)識(shí)別—誤差分析—修正—再預(yù)告的過程，如圖3所示。在施工過程中，每一工況施工完成后采集數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比并計(jì)算偏差，根據(jù)偏差對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果盡量一致，再重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)，按反饋控制方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。多個(gè)工況的反復(fù)調(diào)整之后，模型就能更接近實(shí)際施工狀態(tài)，對(duì)監(jiān)控任務(wù)具有更好的指導(dǎo)作用[6－7]。

圖3 斜拉橋施工控制流程

(1)主梁施工采用支架法。在該施工階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反饋計(jì)算完成后，按照調(diào)整后標(biāo)高指令進(jìn)行施工。

(2)斜拉索采用二次張拉方案。其中第一次張拉于鋼箱梁在支架上拼裝完成后進(jìn)行脫架和體系轉(zhuǎn)換工作后進(jìn)行，第2次張拉是成橋后的調(diào)索，兩次張拉均需對(duì)索力進(jìn)行精確控制，因此該階段施工控制手段是以索力控制為主。

4 施工監(jiān)控過程分析

4.1 施工初始狀態(tài)復(fù)核

為了更好完成監(jiān)控任務(wù)，首先有必要對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行基本復(fù)核。對(duì)斜拉橋主體結(jié)構(gòu)建立空間模型，如圖4所示。全模型共618個(gè)節(jié)點(diǎn)、865個(gè)單元。主梁及橋塔用梁?jiǎn)卧M，拉索采用桁架單元模擬。主梁截面分為5片縱梁，根據(jù)整體箱梁的抗扭參數(shù)，單片縱梁的抗扭參數(shù)按面積進(jìn)行分配；在有橫隔板的位置建立橫向聯(lián)系，修正橫梁剛度，保證截面整體變形協(xié)調(diào)。

圖4 南溪大橋計(jì)算模型

在給定荷載條件下，確定合理成橋索力。在兼顧主梁位移的情況下，本次計(jì)算優(yōu)先考慮橋塔偏位最小，通過迭代計(jì)算給出成橋索力，見表1。斜拉索的號(hào)碼從靠近橋塔位置開始編號(hào)，依次為A1、J1→A8、J8，其中A為主跨、J為邊跨。

表1 成橋索力計(jì)算結(jié)果

從表1可看出，成橋索力與設(shè)計(jì)索力偏差均小于2%，施工過程分析仍將以設(shè)計(jì)索力為目標(biāo)索力。

利用該組索力對(duì)施工過程進(jìn)行分析，針對(duì)本工程支架法施工的特點(diǎn)將施工步驟細(xì)化為:

(1)結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支座激活，施加第一輪壓重(占?jí)褐刂档?/3)；

(2)第一輪索力張拉(約為目標(biāo)索力的90%)；

(3)一次落架；

(4)二期鋪裝，施加第二輪壓重；

(5)第二輪索力張拉。

通過分析，得到各階段主塔應(yīng)力均為壓應(yīng)力，主梁應(yīng)力最大為42 MPa(壓應(yīng)力)，且落架后主梁最大應(yīng)力相較于初張拉時(shí)減小1 MPa。最終調(diào)整索力與目標(biāo)索力偏差均小于0.2%。橋塔順橋向偏位最大為6.4 mm＜(H/4 000)＝17.25 mm(H為塔高)。表明張拉方案合理，理論結(jié)果符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4.2 索力控制結(jié)果分析

該橋采用二次張拉[9]方案。其中第一階段的張拉值為目標(biāo)索力的90%，經(jīng)測(cè)量初張拉完成后實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力偏差如圖5所示，均小于1%。最大橋塔偏位為56 mm，縱橋向向西偏位較大，主塔應(yīng)力均為壓應(yīng)力，主梁應(yīng)力最大為36 MPa，均在控制范圍內(nèi)。

圖5 南溪大橋初張拉索力偏差

待體系轉(zhuǎn)換及后續(xù)施工總體完成后，對(duì)全橋索力進(jìn)行一次通測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，提出二次張拉方案，進(jìn)行二次調(diào)索。本工程二次索力調(diào)整采用自適應(yīng)方法。在索力調(diào)整過程中，將獲取的實(shí)測(cè)數(shù)值與理論模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出相應(yīng)的偏差，并對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，盡量使實(shí)測(cè)結(jié)果與模型結(jié)果相吻合?？傻玫礁魇┕るA段新的理想狀態(tài)，按反饋控制方法[10－12]對(duì)索力進(jìn)行控制。永康南溪大橋共8對(duì)斜拉索，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及施工方案從外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐步對(duì)稱調(diào)整索力，調(diào)整順序?yàn)锳8、J8→A1、J1，各施工步驟完成后斜拉索實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力的偏差情況如圖6所示。

圖6 成橋狀態(tài)斜拉索索力對(duì)比

該階段，每調(diào)整1對(duì)斜拉索，對(duì)全橋斜拉索的索力進(jìn)行測(cè)量。最終調(diào)索完成后與成橋設(shè)計(jì)索力做對(duì)比，得到施工完成后各斜拉索的索力誤差。由圖6可得出，最終索力值與目標(biāo)值吻合良好，偏差均小于5%。

4.3 塔頂偏位監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，索塔兩側(cè)橋跨采用不對(duì)稱布置，主塔容易在不對(duì)稱荷載下產(chǎn)生較大偏位[11]。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，從斜拉索初張拉至2次調(diào)索完成，塔頂偏位趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 南溪大橋塔頂偏位示意

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，斜拉索初張拉完成后橋塔縱橋向偏位較大，達(dá)到－56 mm(負(fù)號(hào)表示向主跨偏移)，隨著二次調(diào)索的逐步進(jìn)行，橋塔偏位逐漸減小，至調(diào)索完成偏位值控制在－25.7 mm，橋塔變形滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 主梁變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

主梁撓度監(jiān)控是確保橋面線形是否滿足設(shè)計(jì)要求的重要環(huán)節(jié)，也是確保支架穩(wěn)定性、張拉合理性的檢驗(yàn)手段。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，從斜拉索初張拉至二次調(diào)索完成，主次跨最大撓度變形趨勢(shì)如圖8所示。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，斜拉索初張拉完成后主梁長(zhǎng)跨及短跨最大撓度分別達(dá)到－17 mm和－27 mm(負(fù)號(hào)表示變形方向豎值向下)，隨著二次調(diào)索的逐步進(jìn)行，長(zhǎng)短跨最大撓度逐漸減小，至調(diào)索完成偏位值控制在－3.0 mm和－14.0 mm，撓度變形滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了兩次張拉方案的合理性。

圖8 梁段最大變形趨勢(shì)

4.5 應(yīng)力及支座反力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

主梁、索塔和拉索三大構(gòu)件的內(nèi)力或應(yīng)力狀況反映了斜拉橋整體受力狀態(tài)。對(duì)于支架法施工的獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋來說，為了了解落架后關(guān)鍵截面應(yīng)力狀況以及斜拉索是否正常發(fā)揮作用，應(yīng)力及支座反力[12]監(jiān)測(cè)非常必要。

監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知:各階段完成時(shí)主塔應(yīng)力均為壓應(yīng)力，二次張拉過程中橋塔墩支座處未出現(xiàn)負(fù)反力，表明未發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。斜拉索二次張拉過程中，主梁應(yīng)力最大為35 MPa，所有構(gòu)件受力均處于安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

(1)對(duì)于施工監(jiān)控任務(wù)，在開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)任務(wù)之前有必要對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行基本核復(fù)，了解設(shè)計(jì)意圖，從而制定合理的監(jiān)測(cè)方案。

(2)本工程采用自適應(yīng)方法進(jìn)行施工控制。通過多次實(shí)測(cè)數(shù)值與理論模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出相應(yīng)的偏差，再對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，可得到各施工階段新的理想狀態(tài)，按反饋控制法對(duì)索力進(jìn)行控制。該方法很好地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，具有一定的施工參考價(jià)值。

(3)針對(duì)斜拉橋支架法施工，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示采用初張拉完成落架體系轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行二次調(diào)索的施工過程中，主梁受力合理，梁體撓度、橋塔偏位及索力值等均在控制范圍內(nèi)，表明該施工方案的合理性。

(4)二次調(diào)索過程中，根據(jù)各階段實(shí)測(cè)數(shù)值結(jié)果反饋，可知斜拉索初張拉完成后橋塔縱橋向偏位較大，達(dá)到－56 mm(負(fù)號(hào)表示向主跨偏移)，隨著二次調(diào)索的逐步進(jìn)行，橋塔偏位逐漸減小，至調(diào)索完成偏位值控制在－25.7 mm，橋塔變形滿足設(shè)計(jì)要求。在斜拉索索力方面，最終調(diào)索完成后索力值與目標(biāo)值吻合良好，偏差均小于5%。主梁撓度變形方面，隨著二次調(diào)索的逐步進(jìn)行，長(zhǎng)短跨最大撓度逐漸減小，至調(diào)索完成撓度值控制在－3.0 mm和－14.0 mm，撓度變形滿足設(shè)計(jì)要求。主要構(gòu)件應(yīng)力及支座反力方面，各階段完成時(shí)主塔應(yīng)力均為壓應(yīng)力，二次張拉過程中橋塔墩支座處未出現(xiàn)負(fù)反力，表明均未發(fā)生支座脫空。主梁應(yīng)力最大為35 MPa，所有構(gòu)件受力均處于安全范圍內(nèi)。以上結(jié)果驗(yàn)證了二次張拉方案的合理性。