獨(dú)塔中央索面鋼混組合梁斜拉橋施工控制技術(shù)研究

吳連盛 WU Lian-sheng

（上海公路投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200335）

0 引言

組合梁斜拉橋是由鋼主梁與混凝土橋面板通過(guò)剪力釘、濕接縫形成組合截面共同受力的一類組合結(jié)構(gòu)橋梁，它除具有結(jié)構(gòu)自重小，跨越能力強(qiáng)，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)外，還能夠節(jié)省鋼材用量，避免鋼橋面瀝青鋪裝的耐久性問(wèn)題，且其剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性優(yōu)于鋼箱梁。近年來(lái)在中國(guó)橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

相對(duì)于鋼主梁斜拉橋，組合梁斜拉橋的施工過(guò)程比較復(fù)雜，懸臂施工時(shí)，先進(jìn)行主梁的連接安裝，再澆筑濕接縫，形成組合截面[2]。由于組合前后的主梁截面剛度的差異，必須根據(jù)實(shí)際工序模擬來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算施工過(guò)程各階段橋梁結(jié)構(gòu)的受力和變形，從而加以管控，使其成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

本文以閔浦三橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)合本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn)，介紹了本項(xiàng)目的施工控制原理、具體實(shí)施工作及施工控制成效，可作為同類型橋梁工程施工控制工作的參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

閔浦三橋主橋?yàn)楠?dú)塔中央雙索面四跨連續(xù)鋼混組合梁斜拉橋，跨徑布置為（50+2×220+50）m，總長(zhǎng)540m，如圖1所示。主梁采用整體式箱型斷面，雙層布置，上層供機(jī)動(dòng)車輛通行，下層挑臂供行人及非機(jī)動(dòng)車通行。

圖1 閔浦三橋立面布置圖（mm）

1.2 主梁設(shè)計(jì)

主梁截面采用開口鋼箱與混凝土橋面板構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)，主橋全長(zhǎng)采用統(tǒng)一的截面高度，主梁中心高度3.945m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)9m，重約240t。主梁頂面設(shè)2.0%的雙向橫坡，如圖2所示。鋼主梁材質(zhì)為Q345qD，頂寬21.4m，底寬18.6m。中央布索區(qū)設(shè)封閉箱室，底部設(shè)置長(zhǎng)4.8m的挑臂，作為下層人非混行車道。主梁在塔墩處設(shè)置縱向固定支座，錨墩及過(guò)渡墩均設(shè)置縱向活動(dòng)支座。主墩及過(guò)渡墩設(shè)置橫向阻尼支座。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

1.3 主塔設(shè)計(jì)

主塔采用鉆石型，塔高136m，橋面以上高度103.8m，主梁下方設(shè)置一道橫梁。塔柱截面為帶倒角的箱形截面，采用C50混凝土。斜拉索在塔內(nèi)采用鋼錨梁錨固方式。為方便內(nèi)模施工，鋼錨梁的支承牛腿為鋼結(jié)構(gòu)。上塔柱錨索區(qū)塔柱內(nèi)壁設(shè)置一層鋼板（可兼作施工內(nèi)模），鋼牛腿焊接在鋼板上，鋼板通過(guò)剪力釘或穿孔鋼板與混凝土塔壁連接。

1.4 斜拉索設(shè)計(jì)

全橋合計(jì)84根斜拉索，采用中央雙索面扇形布置，橫向間距為1.0m，斜拉索梁端通過(guò)鋼錨箱錨固于鋼主梁中間箱室，縱向索距為9m。斜拉索材質(zhì)為單絲涂敷環(huán)氧涂層鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa，采用雙層PE護(hù)套防護(hù)。

1.5 施工方法

上部結(jié)構(gòu)B1～B16梁段采用橋面吊機(jī)懸臂拼裝架設(shè)工藝，邊跨主梁及部分主跨主梁采用支架滑移安裝。具體步驟為：①主塔施工完成后，利用浮吊吊裝主梁B0-1和B0-2節(jié)段至塔旁托架，并在塔旁支架上完成；②在己經(jīng)施工的B0主梁頂面安裝橋面吊機(jī)，雙懸臂對(duì)稱拼裝B1～B16節(jié)段主梁，并相應(yīng)對(duì)稱張拉該節(jié)段斜拉索；③B17～B29節(jié)段主梁利用浮吊吊裝至滑移支架，由江側(cè)向岸側(cè)逐段滑移至設(shè)計(jì)位置；④以S9節(jié)段作為合龍段段完成主跨合龍，張拉剩余斜拉索；⑤張拉縱向預(yù)應(yīng)力，調(diào)整全橋索力，從而完成主梁施工。

2 施工控制策略及特點(diǎn)分析

2.1 施工控制策略

鋼-混組合梁斜拉橋在不同的施工階段，因結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)不同，所采取的施工控制策略也存在差異。

塔柱施工期間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力較為明確，只要按照預(yù)定的施工工序及加載方式進(jìn)行施工，內(nèi)力即可達(dá)到控制的要求。因此控制的直接目標(biāo)是塔柱的外形尺寸，當(dāng)外形達(dá)到要求后，內(nèi)力控制目標(biāo)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。此階段從控制論的角度應(yīng)采用開環(huán)控制的控制策略。

鋼混組合梁斜拉橋的主梁控制分為邊跨支架段、懸拼段和合龍段幾部分。在主梁懸臂拼裝施工階段，施工過(guò)程中循環(huán)的步驟較多，各個(gè)工況的線形變化和受力狀態(tài)往往會(huì)偏離設(shè)計(jì)所確定的理想目標(biāo)，從施工特點(diǎn)的角度宜采取自適應(yīng)控制的策略，控制流程如圖3所示。對(duì)于采用支架滑移安裝的邊跨主梁節(jié)段，在確定了安裝線形后，其線形測(cè)控相對(duì)較為簡(jiǎn)單，同樣采用開環(huán)控制的控制策略。

圖3 閔浦三橋懸臂施工階段控制流程

2.2 施工控制特點(diǎn)分析

2.2.1 主梁線形控制

B1～B16梁段采用橋面吊機(jī)懸臂拼裝的施工工藝，主梁線形在預(yù)制階段就已確定，為保證焊接質(zhì)量，施工過(guò)程中的標(biāo)高誤差通過(guò)調(diào)節(jié)頂、底板焊縫寬度的方式對(duì)標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整的幅度非常有限[3]。此外，索梁溫差和主梁溫度梯度對(duì)于主梁前端標(biāo)高有較大的影響，嚴(yán)重影響了鋼箱梁的精確定位和線形測(cè)量工作。為消除日照溫差引起的梁體撓曲，線形測(cè)量選擇在溫度變化小、氣溫穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量工作。

2.2.2 橋塔線形控制

主塔在施工和成橋狀態(tài)通過(guò)斜拉索均承擔(dān)相當(dāng)部分的梁體重量。在不平衡荷載和大氣溫差及日照等影響下，均會(huì)使主塔產(chǎn)生不同程度的偏位。為了不影響主梁的架設(shè)施工，必須掌握主塔線形在自然條件下的變化規(guī)律以及在索力影響下偏離平衡位置的程度。

2.2.3 橋面板面內(nèi)應(yīng)力控制

現(xiàn)行橋梁規(guī)范著重于頂?shù)装暹吘壍睦瓑菏芰透拱宓膹澕羰芰Ψ治鯷4]，傳統(tǒng)橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作往往也注重于截面上、下緣的正應(yīng)力，包括縱向和橫向應(yīng)力，而對(duì)頂、底板的面內(nèi)主應(yīng)力關(guān)注較少。因此并沒(méi)有真正反映出組合梁梁斜拉橋應(yīng)力狀態(tài)，也無(wú)法判斷和預(yù)防頂?shù)装逍绷芽p的發(fā)生。為保障大橋施工過(guò)程的安全，提高橋面板抗裂的風(fēng)險(xiǎn)控制能力，應(yīng)通過(guò)空間網(wǎng)格計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)閔浦三橋的精細(xì)化分析提供全面可靠的數(shù)據(jù)支撐和實(shí)橋驗(yàn)證。

2.2.4 索力控制

大跨徑組合梁斜拉橋鋼梁剛度較小，索力及臨時(shí)荷載在懸臂拼裝階段對(duì)高程的影響非常明顯[5]，斜拉索索力準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到主梁的線形，橋面板的受力狀態(tài)，乃至整個(gè)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)安全。因此，組合梁斜拉橋施工中必須確保斜拉索的初張力值合理，索力測(cè)試結(jié)果正確可靠。

3 施工監(jiān)控成效分析

3.1 監(jiān)控計(jì)算

采用MIDAS Civil有限元分析軟件建立全橋空間桿系模型，主梁及橋塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用桁架單元進(jìn)行模擬，全橋共離散為762個(gè)單元，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 閔浦三橋全橋有限元模型

主梁節(jié)段的空間網(wǎng)格模型采用WISEPLUS橋梁結(jié)構(gòu)空間分析軟件建立，混凝土橋面板劃分為13根縱梁?jiǎn)卧?，鋼主梁劃分?0根縱梁?jiǎn)卧?。空間網(wǎng)格模型中混凝土橋面板與鋼主梁對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)獨(dú)立的剛臂單元連接，如圖5所示。

圖5 主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段網(wǎng)格模型示意圖

空間效應(yīng)受力分析將包含設(shè)計(jì)采用的所有荷載工況，包括施工階段恒載、斜拉索施工索力、混凝土徐變收縮、非線性溫度效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)畸變效應(yīng)、剪力滯效應(yīng)等，以反映組合箱梁斷面的各階段受力狀況。

3.2 橋塔線形

主塔偏位監(jiān)測(cè)包括順橋向和橫橋向兩個(gè)方向偏位值的測(cè)量。分別在中塔柱、上塔柱和塔頂布設(shè)線形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)定在主梁懸臂施工過(guò)程中，索塔沿縱、橫向的水平位移，主塔共計(jì)6個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。主橋二期鋪裝完成后，主塔實(shí)測(cè)偏位為4～6mm，與理論偏位（0mm）基本接近。

圖6 索塔偏位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.3 主梁線形

主梁線形監(jiān)測(cè)是保證大橋達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵。每節(jié)段主梁在懸臂前端設(shè)置一個(gè)線形監(jiān)測(cè)斷面，在橫向左右兩側(cè)邊護(hù)欄內(nèi)側(cè)和結(jié)構(gòu)中心布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。在梁段吊裝前，根據(jù)已拼裝梁段的實(shí)測(cè)標(biāo)高提供待拼梁段的安裝定位標(biāo)高，定位誤差控制在±5mm以內(nèi)，軸線與已成相鄰梁段的偏差控制在±2mm以內(nèi)。此外，在每一施工循環(huán)各主要工況作用前后，監(jiān)測(cè)主梁各控制點(diǎn)的標(biāo)高，以掌握結(jié)構(gòu)在施工階段過(guò)程中的變形響應(yīng)，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)誤差分析修正計(jì)算模型，使理論計(jì)算值接近實(shí)際的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

成橋階段主梁線形觀測(cè)結(jié)果如圖7所示。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，橋面鋪裝后，主梁線形整體平順。小里程（閔行側(cè)）主梁高程平均偏差為-28～44mm，大里程（奉賢側(cè)）主梁高程平均偏差為-20～49mm，各控制點(diǎn)絕對(duì)偏差均控制在±50mm以內(nèi)，滿足±（L/5000+30）=64mm的規(guī)范要求。

圖7 成橋階段橋面實(shí)測(cè)線形及偏差折線圖

3.4 主梁應(yīng)力

3.4.1 縱向應(yīng)力

橋梁施工過(guò)程的應(yīng)變測(cè)試，不僅起到驗(yàn)證成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)符合度的作用，也是多方數(shù)據(jù)校驗(yàn)、快速鎖定誤差來(lái)源的重要依據(jù)。根據(jù)理論計(jì)算，選擇近塔根部、主跨跨中、輔助墩頂與邊跨跨中等施工過(guò)程中受力較大的斷面開展應(yīng)變測(cè)試工作，每個(gè)斷面在鋼梁上、下緣布置應(yīng)變傳感器，如圖8所示。

施工全過(guò)程的主梁縱向應(yīng)力監(jiān)測(cè)表明，實(shí)測(cè)應(yīng)力水平、應(yīng)力變化趨勢(shì)與理論計(jì)算基本一致。以成橋階段跨中斷面主梁應(yīng)力測(cè)試結(jié)果為例，如圖9所示，主梁鋼梁應(yīng)力誤差在-7.4～+5.8MPa之間，與理論計(jì)算偏差在15%以內(nèi)，儲(chǔ)備較為充裕，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 跨中斷面成橋階段主梁應(yīng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.4.2 橋面板面內(nèi)應(yīng)力

在空間網(wǎng)格模型分析基礎(chǔ)上，選取懸臂施工節(jié)段LS2、LS5、LS10、LS15，以及滿堂支架滑移節(jié)段LS21、LS27共計(jì)6個(gè)主梁節(jié)段，10個(gè)特征測(cè)試斷面進(jìn)行橋面板板內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，以確定混凝土橋面板面內(nèi)應(yīng)力實(shí)際發(fā)展情況。測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 橋面板面內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置

以LS5梁段橋面板為例，各關(guān)鍵施工階段下，橋面板面內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比如圖11所示。由對(duì)比結(jié)果可知，各關(guān)鍵施工階段下，橋面板面內(nèi)應(yīng)力與空間網(wǎng)格分析結(jié)果能夠較好地符合，且應(yīng)力水平較理論計(jì)算值偏小，橋面板應(yīng)力處于安全狀態(tài)。

圖11 LS5斷面橋面板面內(nèi)應(yīng)力對(duì)比示意圖

3.5 斜拉索索力

鋼絞線斜拉索索力測(cè)量方法主要為磁通量法，并同時(shí)與張拉千斤頂油壓讀數(shù)，錨下壓力傳感器讀數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)索力的精確控制。

橋面系鋪裝完成后，對(duì)全橋斜拉索索力進(jìn)行通測(cè)，索力理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖12所示。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)測(cè)成橋索力與理論值分布趨勢(shì)一致，相對(duì)偏差在-6.2%～+4.3%之間，除個(gè)別3根斜拉索外，索力誤差范圍基本控制在±5%范圍以內(nèi)，滿足控制要求[6]。由此可見，成橋狀態(tài)下，本橋?qū)嶋H索力與理論值吻合度較好，斜拉索張拉控制達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖12 成橋階段索力及索力偏差分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

以上海市閔浦三橋?yàn)楣こ瘫尘?，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，對(duì)獨(dú)塔組合梁斜拉橋控制工作的原理、方法和具體實(shí)施工作進(jìn)行了總結(jié)和闡述。監(jiān)控結(jié)果表明：成橋階段主梁實(shí)際線形與成橋目標(biāo)線形偏差較小，鋼主梁及橋面板應(yīng)力狀態(tài)均處于合理范圍內(nèi)，斜拉索成橋?qū)崪y(cè)索力與設(shè)計(jì)成橋索力吻合度較好，施工控制達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。