某獨(dú)塔單索面斜拉橋施工過程質(zhì)量控制分析

■姚天塔

（泉州交通發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司，泉州 362000）

斜拉橋是力學(xué)上典型的高次超靜定結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)與施工密切相關(guān)，施工方法不同，不但影響施工階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)建成后橋梁的最終應(yīng)力狀態(tài)和幾何線性也有很大的影響[1]。 不同于梁橋的施工，斜拉橋施工工況多，施工工期長(zhǎng)，施工精度、材料參數(shù)及外部約束條件等因素與理想?yún)?shù)的偏離，均可能造成橋梁結(jié)構(gòu)與理想設(shè)計(jì)狀態(tài)的偏差，且施工過程偏差還將隨施工的進(jìn)程不斷積累，逐步發(fā)散。 若建設(shè)過程中各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差得不到有效控制，則成橋狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)也將在所難免，最終將影響橋梁使用的舒適性和安全性。 因此，在施工階段就要對(duì)可能產(chǎn)生誤差的各種因素進(jìn)行甄別、追蹤，制定糾偏措施，以期盡量接近理想成橋狀態(tài)。

1 工程概況

背景橋梁為一獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋，跨徑布置為38+42+56+96+42+38=312 m，全橋采用墩、塔、梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系（圖1）。 索塔由主塔柱和裝飾帆曲臂組成， 其中主塔為鋼混組合結(jié)構(gòu)，包含鋼塔柱錨固區(qū)和混凝土下塔柱兩部分。 主梁梁體為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，設(shè)置單箱五室斷面，全橋按29.1 m 斷面等寬布置。 全橋于橋塔兩側(cè)分別設(shè)置6 對(duì)斜拉索，拉索編號(hào)見圖2，單個(gè)編號(hào)包含2 根斜拉索。

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 斜拉索編號(hào)示意圖

主要施工步驟如下：（1）下部墩臺(tái)基礎(chǔ)及橋塔施工；（2）滿堂支架主梁分節(jié)段施工并張拉預(yù)應(yīng)力；（3）鋼橋塔及裝飾帆施工；（4）斜拉索張拉；（5）主梁支架移除；（6）二期鋪裝及附屬設(shè)施施工。

2 施工過程監(jiān)控

2.1 監(jiān)控方法

本橋施工監(jiān)控采用自適應(yīng)控制理念，各施工階段完成后需對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，收集各項(xiàng)結(jié)構(gòu)受力參數(shù)，分析造成結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)偏差的主要原因， 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正，并對(duì)主梁立模標(biāo)高和斜拉索安裝索力等施工參數(shù)調(diào)整量提出施工建議值。 斜拉橋施工監(jiān)控過程總體可歸結(jié)為以下內(nèi)容：（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；（2）誤差因素識(shí)別；（3）計(jì)算模型修正；（4）施工參數(shù)調(diào)整計(jì)算。 監(jiān)控流程見圖3。

圖3 斜拉橋施工監(jiān)控流程

2.2 施工監(jiān)控模型建立

為精細(xì)化分析橋梁在各施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等效應(yīng)，采用Midas/Civil 軟件建立結(jié)構(gòu)各施工狀態(tài)的仿真模型。 根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件建立空間桿系模型（圖4）。全橋包含182 個(gè)單元和323 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中橋、塔、梁采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用只受拉桁架單元模擬。 結(jié)構(gòu)荷載主要考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、斜拉索索力等。 根據(jù)施工組織擬定的工序和工期安排考慮混凝土的收縮、徐變等效應(yīng)。

圖4 斜拉橋Midas/Civil 有限元模型

2.3 監(jiān)控內(nèi)容

2.3.1 斜拉索索力監(jiān)控

斜拉索索力大小是影響主梁線形及內(nèi)力的重要因素。 現(xiàn)有的所有索力監(jiān)測(cè)方法中，頻率法原理及操作相對(duì)簡(jiǎn)單，精度也能滿足工程應(yīng)用的需求，在工程領(lǐng)域中使用最為廣泛。 根據(jù)張緊弦理論，斜拉索索力和其自振頻率有如下關(guān)系[2]：

其中：T 為斜拉索拉力（N）；m 為斜拉索單位長(zhǎng)質(zhì)量（kg/m）；l 為鋼索兩嵌固點(diǎn)之間的長(zhǎng)度（m）； fn為斜拉索主振動(dòng)頻率（Hz）；n 為主振頻率的階次。

對(duì)于特定的斜拉索，上述公式的m、l 均為確定值，因此只需識(shí)別斜拉索的主振頻率和其階次即可求得索力值。 監(jiān)控采用環(huán)境激勵(lì)法測(cè)量拉索振動(dòng)參數(shù)，其主要激勵(lì)為環(huán)境風(fēng)力，也可以通過人工對(duì)拉索施加沖擊荷載。 通過傳感器捕捉拉索振動(dòng)信號(hào)，傳導(dǎo)至儀器進(jìn)行濾波和放大，生成拉索振動(dòng)譜，依據(jù)頻譜圖可獲得拉索的自振頻率。 需要提及的是，張緊弦理論在計(jì)算索力的精確度上將受到頻率識(shí)別精度的影響，斜拉索張拉力越大，其狀態(tài)越逼近張緊弦，計(jì)算索力和千斤頂張拉數(shù)值吻合性越好。 測(cè)量?jī)x器及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況如圖5 所示。

圖5 測(cè)量?jī)x器及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況

本橋斜拉索采用兩次調(diào)索的施工方案，主梁澆筑完畢后開始進(jìn)行第一次斜拉索張拉，二期鋪裝結(jié)束之后進(jìn)行調(diào)索。斜拉索張拉順序?yàn)閺目拷鼧蛩?cè)往遠(yuǎn)離橋塔方向依次對(duì)稱張拉?？紤]到早期張拉的斜拉索索力會(huì)隨著后期斜拉索張拉而發(fā)生變化，第一次張拉的斜拉索索力應(yīng)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果取用。橋面鋪裝結(jié)束后，通過微調(diào)部分拉索索力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)斜拉橋體系受力狀態(tài)的最優(yōu)化，即所謂的二次調(diào)索。

2.3.2 主梁變位監(jiān)控

主梁采用滿堂支架施工工藝，支架及模板系統(tǒng)在主梁澆筑之前均經(jīng)過預(yù)壓處理。 因此，主梁脫架之前的變位較小，主要關(guān)注斜拉索張拉前后、脫架前后以及二次調(diào)索前后的主梁線形變化，以及成橋狀態(tài)下主梁標(biāo)高與設(shè)計(jì)理想標(biāo)高的偏差。

2.3.3 主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

通過在主梁梁體內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，測(cè)得各個(gè)施工階段的應(yīng)變水平，繼而計(jì)算得到不同狀態(tài)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。 應(yīng)變計(jì)埋設(shè)位置選擇主要考慮跨中、墩頂、墩塔梁固結(jié)等內(nèi)力較大的位置。 監(jiān)控?cái)嗝娣植家妶D6。

圖6 主橋應(yīng)力測(cè)試斷面分布示意圖

3 施工監(jiān)控效果分析

3.1 斜拉索索力

索力監(jiān)測(cè)主要關(guān)注3 個(gè)工況：（1）拉索安裝；（2）二期鋪裝；（3）二次調(diào)索。 拉索安裝工況的目的是校核斜拉索安裝時(shí)的拉索張拉力；二期鋪裝工況的目的是獲取二期鋪裝完成后索力以及橋面標(biāo)高等結(jié)構(gòu)參數(shù)，用以擬定二次調(diào)索的張拉力；二次調(diào)索工況的目的是檢測(cè)調(diào)索索力是否張拉到位，同時(shí)校核最終成橋索力與設(shè)計(jì)索力的差距。

3.1.1 拉索安裝工況

主梁節(jié)段澆筑完成一次張拉斜拉索后，大部分拉索索力均小于設(shè)計(jì)成橋索力，越靠近橋塔的斜拉索與成橋索力差值越大，其中B1/Z1/Z2 斜拉索差值較大，分別達(dá)到了818、1 075 和1 037 kN。 而遠(yuǎn)離橋塔的斜拉索索力則與設(shè)計(jì)成橋索力相近, 主要原因是靠近橋塔的斜拉索先行張拉，隨著后續(xù)拉索逐步張拉完成，先期張拉的斜拉索所承擔(dān)的荷載逐步被后續(xù)張拉的斜拉索分擔(dān)，導(dǎo)致斜拉索松弛，索力下降。 雖然在斜拉索張拉過程中已經(jīng)對(duì)先行張拉的斜拉索進(jìn)行了一定的超張拉，但斜拉索實(shí)際索力分布與模擬結(jié)果仍存在一定偏差。

表1 橋塔一次張拉與設(shè)計(jì)成橋索力對(duì)比

3.1.2 二期鋪裝完成后工況

二期鋪裝完成后，索力在一次張拉的基礎(chǔ)上有所增加，靠近橋塔部分斜索與設(shè)計(jì)成橋索力水平差距進(jìn)一步減小，其中差值較大的B1/Z1/Z2 索力差值分別為773、769 和848 kN。

表2 橋塔二期鋪裝與設(shè)計(jì)成橋索力對(duì)比

3.1.3 二次調(diào)索工況

斜拉索的成橋索力必須結(jié)合主梁線形來綜合考慮， 根據(jù)主梁線形和二次鋪裝后索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)索力差值較大的B1/Z1/Z2 3 對(duì)斜拉索進(jìn)行二次調(diào)索。 在二期調(diào)索階段，通過對(duì)索力的微調(diào)，達(dá)到結(jié)構(gòu)受力和主梁線形的最優(yōu)狀況。 從索力的測(cè)量結(jié)果來看， 調(diào)索后全橋12 對(duì)索中有6 對(duì)索的索力和設(shè)計(jì)成橋索力差距在5%范圍內(nèi)， 有5 對(duì)索的索力誤差在5%～8%， 索Z4 和設(shè)計(jì)成橋索力在10%左右。應(yīng)力監(jiān)控測(cè)量結(jié)果顯示主梁應(yīng)力狀態(tài)較好；全橋線形平順，標(biāo)高和設(shè)計(jì)值吻合良好；斜拉索索力安全系數(shù)也在規(guī)定允許范圍之內(nèi)。 上述幾項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示橋梁已處于較理想狀態(tài)，因此不再對(duì)其余斜拉索索力進(jìn)行調(diào)整。

表3 橋塔二次調(diào)索與設(shè)計(jì)成橋索力對(duì)比

3.2 主梁標(biāo)高及線形

主梁標(biāo)高及線形的控制直接影響運(yùn)營(yíng)階段橋梁行車的舒適性和安全性，是斜拉橋施工監(jiān)控的重要內(nèi)容。 本項(xiàng)目主梁滿堂支架施工之前，現(xiàn)澆支架及模板系統(tǒng)在主梁澆筑之前均按要求進(jìn)行了預(yù)壓，消除支架、模板及基礎(chǔ)變形等因素帶來的影響。 各梁段施工前后主梁標(biāo)高的測(cè)量結(jié)果顯示，主梁脫架之前標(biāo)高基本符合施工精度要求，且變形很小。 主梁標(biāo)高及線形的監(jiān)控重點(diǎn)關(guān)注斜拉索張拉、主梁脫架及成橋等工況。

通過對(duì)成橋后主梁標(biāo)高和線形進(jìn)行測(cè)量，并與設(shè)計(jì)值對(duì)比，結(jié)果見圖7。 從圖7 可知，成橋主梁標(biāo)高和線形與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)吻合良好，全橋標(biāo)高偏差均小于10 cm，滿足規(guī)范[3]規(guī)定的主梁軸線偏位的規(guī)定。梁體最大偏位值均出現(xiàn)在主跨跨中位置。其中，橋塔往小樁號(hào)側(cè)主跨最大標(biāo)高偏差為2.2 cm，與跨徑的比值為1/2545；橋塔往大樁號(hào)側(cè)主跨最大偏差為2 cm，與跨徑的比值為1/4800。

圖7 主梁成橋標(biāo)高及標(biāo)高偏差示意圖

3.3 主梁應(yīng)力

主梁的應(yīng)力水平在施工階段全程監(jiān)測(cè)。 由于邊界約束條件不一致、箱梁剪力滯效應(yīng)、局部應(yīng)力釋放、混凝土局部澆筑質(zhì)量差異導(dǎo)致的彈性模量差異，以及測(cè)量?jī)x器本身存在誤差等因素的影響，箱梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與模型計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出一定的離散性，但整體仍處于可控范圍內(nèi)。 主梁應(yīng)力監(jiān)控測(cè)點(diǎn)在施工各階段均處于受壓狀態(tài)，且應(yīng)力水平在規(guī)范規(guī)定的材料容許應(yīng)力范圍內(nèi)。塔梁固結(jié)根部（6 號(hào)截面）、主跨跨中（8 號(hào)截面）以及主跨邊墩墩頂（9 號(hào)截面）3 個(gè)典型斷面在主梁預(yù)應(yīng)力張拉完畢以及斜拉索張拉完畢脫架后2 個(gè)工況的應(yīng)力水平見表4。

表4 主梁3 個(gè)典型斷面應(yīng)力

4 結(jié)論

以1 座滿堂支架施工的獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過將結(jié)構(gòu)各施工階段及成橋?qū)崪y(cè)參數(shù)與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：（1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)和有限元仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了造成結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)和理想狀態(tài)存在差異的原因，并對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行干預(yù)和調(diào)整， 及時(shí)糾正施工過程與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)的偏差，避免偏差的疊加和發(fā)散，最終實(shí)現(xiàn)斜拉橋成橋狀態(tài)接近設(shè)計(jì)理想狀態(tài)；（2）通過一定的施工監(jiān)控手段，可以很好地控制該類型橋梁的成橋狀態(tài)，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。