無背索斜拉橋施工控制技術(shù)探討

無背索斜拉橋以其線型優(yōu)美、造型獨特在城市景觀橋梁中優(yōu)勢顯著。以成都某橋施工監(jiān)控為例，通過建立有限元模型，并實時監(jiān)測其實際施工過程中的拉索索力以及主梁主塔應(yīng)力變化，將理論值與實際值進行比對，及時調(diào)整施工誤差，保證其結(jié)構(gòu)滿足變形和受力要求，達到成橋理想狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)計提供參考。

斜拉橋； 施工控制； 索力監(jiān)測； 應(yīng)力測試； 變形測量

U445.4A

［定稿日期］2023-04-03

［作者簡介］張永琦（1998—），男，碩士，從事橋梁與隧道工程工作。

0 引言

隨著國內(nèi)斜拉橋理論及應(yīng)用的日趨成熟以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在滿足日常通行需求的同時，也被賦予了更多的美學特性［1］。無背索斜拉橋作為一種對傳統(tǒng)斜拉橋美學造型的突破，通過將橋塔進行傾斜，仿若一艘揚帆破浪的巨船，繼而展現(xiàn)出一種獨特的設(shè)計與力量感，在景觀橋梁中得到了建設(shè)者的青睞［2-5］。

無背索斜拉橋僅存在單側(cè)索，主要通過傾斜橋塔的自重力矩與斜拉索的傾覆力矩相平衡，受力較為復雜，對施工控制技術(shù)要求較高，因此整體修建數(shù)量較少［6］。本文以成都某橋為依托工程，通過建立有限元計算模型，對其施工過程進行模擬，為實橋施工監(jiān)控提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

本橋為雙索面無背索斜拉橋（拱形鋼塔），塔梁墩固結(jié)，橋梁全長108.16 m（橋臺側(cè)墻末端），全寬38.5 m。橋梁跨徑為70 m+26 m，立面布置如圖1所示。主梁采用全鋼、全焊接、正交異性橋面板的縱橫梁格體系，拱形橋塔采用鋼箱結(jié)構(gòu)作為主要受力結(jié)構(gòu)，并填充C30微膨脹混凝土配重，斜拉索采用雙索面豎琴形布置，全橋共計6對拉索，水平夾角25°。橋梁主塔主梁節(jié)段采用工廠預制，現(xiàn)場拼裝的方式，主塔拼裝、混凝土填芯、斜拉索張拉交替施工。

1.2 施工控制要求

為保證成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形在合理狀態(tài)，需對橋梁施工時的線形、應(yīng)力和索力進行監(jiān)測，同時建立有限元模型進行校核比對［7］。

線形測量主要是保證主梁施工及成橋后標高、主梁軸線偏位、索塔偏位等在允許范圍內(nèi)；應(yīng)力測量主要是結(jié)合計算模型在橋梁關(guān)鍵控制截面布置應(yīng)變傳感器，保證各階段施工和成橋后結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全；索力測量主要是結(jié)合計算模型指導斜拉索張拉，控制索力大小。同時對成橋后索力進行調(diào)整，結(jié)合變形和應(yīng)力測量使得橋梁結(jié)構(gòu)達到理想狀態(tài)。

2 施工測點布置方案

2.1 變形監(jiān)測

在鋼主梁附近設(shè)置高程控制基準點，并在主梁兩側(cè)拉索錨固區(qū)設(shè)置觀測點，共計6個斷面12個測點，以測量拼裝好的主梁節(jié)段是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，測點布置如圖2所示。

2.2 應(yīng)力監(jiān)測

根據(jù)設(shè)計與施工控制分析理論計算結(jié)果，對主梁主跨L/4、L/2、3L/4，以及邊跨L/2截面安裝附著式應(yīng)變計進行應(yīng)變監(jiān)測，并在每個截面布置7個應(yīng)變測點，如圖3、圖4所示。

同時在橋塔與墩臺連接處、橋塔與主梁連接處、以及橋塔中部3個控制截面安裝附著式應(yīng)變計，每個截面布置4個應(yīng)變測點，如圖5、圖6所示。

2.3 索力監(jiān)測

對于無背索斜拉橋而言，索力監(jiān)測是重中之重，索力大小會直接影響到主梁和主塔的線形和內(nèi)力分布，因此要確保拉索索力不低于或者超過設(shè)計值的5%。

索力測量采用CDJM-DC2動測儀，使用臨時固定在拉索上的高精度傳感器得到拉索振動時的脈沖信號，經(jīng)過傅里葉變換得到拉索自振頻率，進而得到其張拉索力。索力監(jiān)測在每次掛索時均進行已安裝拉索索力的測量，并在適時進行調(diào)索。

3 無背索斜拉橋施工過程有限元模擬

根據(jù)設(shè)計圖紙和設(shè)計參數(shù)，使用Midas/Civil建立無背索斜拉橋有限元模型。從理想成橋階段出發(fā)，根據(jù)“倒拆-前進”計算原理，計算得到橋梁施工階段結(jié)構(gòu)斜拉索初張力及結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力和變形［8］。結(jié)構(gòu)整體模型以及施加二期恒載后的主梁應(yīng)力如圖7～圖9所示，成橋索力理論值如表1所示。

4 監(jiān)控結(jié)果

4.1 高程控制結(jié)果

成橋后在高程控制基準點處架設(shè)觀測棱鏡，采用全站儀對主梁測點高程進行測量，6個斷面高程相對高程差值如圖10所示?？梢钥闯龈叱滩钪稻?5 mm以內(nèi)，主梁未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，滿足成橋要求。

4.2 應(yīng)力控制結(jié)果

在每次橋梁掛索施工時對主梁關(guān)鍵截面測點的應(yīng)變進行測量，并與理論值進行比對。圖11給出6對斜拉索掛索及調(diào)索完成這7個關(guān)鍵階段（CS1～CS7）主梁在其控制截面處的實測平均應(yīng)力（黑線）與理論平均應(yīng)力（紅線）變化?？梢钥闯霰O(jiān)控結(jié)果與理論值基本吻合，結(jié)構(gòu)內(nèi)力位于安全范圍內(nèi)。

4.3 索力控制結(jié)果

為保證斜拉索索力平緩達到設(shè)計終值，在索力張拉時采用索力終值的15%、30%、60%、100%分級張拉，在測量索力時也應(yīng)多次測量取均值，減少誤差。圖12給出施加二期恒載后6對拉索實測索力與理論索力的比對以及相應(yīng)的誤差百分比。從圖中可以看出采用分級張拉以及適時調(diào)索后，索力實測值與理論值差距在5%以內(nèi)，滿足限值要求。

5 結(jié)論

（1）本次無背索斜拉橋施工控制結(jié)果是合理的、滿足規(guī)范要求的，可以為相關(guān)施工控制設(shè)計提供經(jīng)驗。

（2）采用有限元方法對無背索斜拉橋進行施工控制模擬是有效的，將建模與監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合可以很好的指導施工，避免較大的施工誤差。

（3）成橋后使用全站儀對主梁高程測量，梁體未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，位置精確，符合設(shè)計要求。

（4）在主梁、主塔以及橋墩關(guān)鍵截面布置應(yīng)力測點并進行測量后，與理論值差距較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力滿足控制要求，橋梁達到理想狀態(tài)。

（5）無背索斜拉橋掛索時采用分級張拉，并在掛索結(jié)束后適時調(diào)索，實測索力誤差在5%以下，滿足控制精度要求。

參考文獻

［1］ 梁艷，何畏，唐茂林.橋梁美學2020年度研究進展［J］.土木與環(huán)境工程學報（中英文），2021，43（S1）：234-241.

［2］ 彭旺虎，邵旭東，李立峰，等.無背索斜拉橋的概念、設(shè)計與施工［J］.土木工程學報，2007（5）：26-33.

［3］ 張光亮，鄭建平.無背索斜拉橋曲線形斜塔施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.公路交通科技，2019（7）：202-205.

［4］ 馮紹海，李清.城市無背索獨塔斜拉橋的景觀設(shè)計理念與選型分析［J］.城市道橋與防洪，2018（2）：69-71+11.

［5］ 武余波.雙斜塔無背索斜拉橋橋塔設(shè)計［J］.工程與建設(shè)，2020，34（3）：447-448.

［6］ 龐智慧. 無背索曲塔曲梁斜拉橋施工監(jiān)測與控制研究［D］.西安：長安大學，2018.

［7］ 馬健峰. 無背索斜拉橋的施工監(jiān)控分析研究［D］.鄭州：鄭州大學，2019.

［8］ 石雪飛，項海帆.斜拉橋施工控制方法的分類分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2001（1）：55-59.