空间扭背索斜拉桥施工控制技术探究

汤 少 青

(漳州市交通发展集团有限公司，福建 漳州 363000)



空间扭背索斜拉桥施工控制技术探究

汤 少 青

(漳州市交通发展集团有限公司，福建 漳州 363000)

采用有限元分析软件，对某斜拉桥进行了建模分析，探讨了桥梁施工阶段主要控制的内容及方法，从混凝土主梁施工、钢主梁预制、拉索预制、桥面铺装等方面，提出了处理施工各阶段异常情况的对策，从而确保桥梁的质量。

斜拉桥，主梁，拉索，桥面铺装

0 引言

桥梁结构理想的几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关，还依赖于科学合理的施工控制方法。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是由于施工中诸多因素的影响事先难以精确估计，而且在实际施工过程中由于施工误差，会使实际结构与原设计不符。所以在施工中对桥梁结构进行的实时监测，以及根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应的调整十分重要。

对于空间扭背索斜拉桥，其内部与外部均为高次超静定的结构体系，由于结构复杂、施工难度较大，施工控制显得尤为重要，如何通过施工时的主梁拼装标高与拉索索力调整来获得预先设计的应力状态和几何线形，是该类型桥梁施工中非常关键的问题。

1 工程概况

福建省漳州市厦漳同城大道沙洲岛西溪特大桥桥跨组合为：(88+200独柱斜塔斜拉桥)+(4×40 预应力分体小箱梁)+(40+45+40预应力现浇箱梁)+(5×36预应力现浇箱梁)+(8×30预应力分体小箱梁)。其中88+200独柱斜塔斜拉桥为主桥，跨越九龙江西溪支流。

主桥为独塔扭背索斜拉桥，墩、塔、梁固结，跨径组成为(88+200)m。主梁边跨88 m为预应力混凝土箱梁，预应力混凝土箱梁伸过桥塔15.0 m，通过钢混结合段与主跨钢箱梁连接。斜拉索间距混凝土箱梁侧为4 m，钢箱梁侧为12 m，边跨侧为双索面空间扭面索，主跨为准单索面。桥塔为独柱式斜塔，桥面以上塔柱轴线向边跨侧倾斜8°，桥面以上塔高117 m。桥型布置图如图1所示。

2 过程仿真

利用有限元分析软件对该桥进行建模分析，结构模型中全桥共划分成161个单元，219个节点，32个施工阶段。图2是结构计算模型图，表1是结构计算工况表。

模型初步计算时，混凝土主梁与主塔考虑一次性成型，主塔边界按塔底固结考虑，未计入基础刚度。

表1 西溪主桥施工计算工况表

工况号施工内容1主塔和混凝土主梁施工2钢箱梁2号节段安装、1号拉索第一次张拉3吊机前移、1号拉索第二次张拉4钢箱梁3号节段安装、2号拉索第一次张拉5吊机前移、2号拉索第二次张拉6钢箱梁4号节段安装、3号拉索第一次张拉7吊机前移、3号拉索第二次张拉8钢箱梁5号节段安装、4号拉索第一次张拉9吊机前移、4号拉索第二次张拉10钢箱梁6号节段安装、5号拉索第一次张拉11吊机前移、5号拉索第二次张拉12钢箱梁7号节段安装、6号拉索第一次张拉13吊机前移、6号拉索第二次张拉14钢箱梁8号节段安装、7号拉索第一次张拉15吊机前移、7号拉索第二次张拉16钢箱梁9号节段安装、8号拉索第一次张拉17吊机前移、8号拉索第二次张拉18钢箱梁10号节段安装、9号拉索第一次张拉19吊机前移、9号拉索第二次张拉20钢箱梁11号节段安装、10号拉索第一次张拉21吊机前移、10号拉索第二次张拉22钢箱梁12号节段安装、11号拉索第一次张拉23吊机前移、11号拉索第二次张拉24钢箱梁13号节段安装、12号拉索第一次张拉25吊机前移、12号拉索第二次张拉26钢箱梁14号节段安装、13号拉索第一次张拉27吊机前移、13号拉索第二次张拉28钢箱梁15号节段安装、14号拉索第一次张拉29吊机前移、14号拉索第二次张拉30钢箱梁16号节段安装、拆除边跨支架31二期3210年徐变

3 施工控制的主要内容及方法

3.1 施工监控参数选取

本项目选取下列参数作为施工监控的主要控制指标：

1)主梁线形。通过调整拼装位置、索力等手段来确保主梁高程、轴线等线形指标满足要求。

2)拉索索力。通过建立完善的误差调整与参数识别体系并采用多种方式对索力进行监测来保证索力误差满足要求。

3)主梁焊缝宽度。主梁焊缝宽度过大通常来源于制造线形与拼装线形不匹配，过大的焊缝将导致焊接困难及局部不可恢复的折角，因此应将焊缝宽度作为控制指标。

4)主梁应力。一般而言，钢斜拉桥主梁应力在施工阶段均留有较大的安全储备，如果索力及主梁线形均没有太大的误差的情况下，主梁应力也不会出现异常。因此，主梁应力可以仅作为误差控制的辅助指标和结构施工过程安全监测的预警指标。

5)主塔偏位。主塔的偏位将直接影响到主塔的内力，而本斜拉桥为塔、梁固接体系，主塔的偏位也会影响到塔附近主梁的受力，所以本桥主塔偏位的监控也很重要。

6)主塔应力。主塔应力监控主要是结合主塔偏位与斜拉索张拉，作为误差控制的辅助指标和结构施工过程安全监测的预警指标。

3.2 监控计算内容

本桥监控计算主要包含以下内容：

1)施工过程安全复核计算。利用现场采集的参数对本桥施工过程的安全性进行复核计算，主要包括：施工过程主梁应力及稳定性、施工过程拉索应力、施工过程索塔的应力及稳定等。

2)拉索、主梁无应力制造线形/长度的计算。拉索的制造长度及主梁无应力制造线形属于几何控制中的重要内容，其误差或错误将直接导致拉索安装失败或主梁拼装无法达到预定高程或过大的焊缝宽度等问题，因此应对其进行复核计算。

3)施工控制误差分析及参数识别。施工控制过程中必然存在一定的误差，某些误差将会导致发散的结果，因此，应对施工控制反馈数据的误差进行误差分析，对误差形态进行定性，避免恶性误差的出现。通过对误差进行参数识别，找到造成误差的真正原因，从而指定出合理的误差解决策略。

4)施工控制实时计算。施工控制计算不可能一蹴而就，由于部分计算参数(如梁重，混凝土徐变等)无法在施工控制开始就精确确定下来，因此，施工控制过程必须根据实测的结构响应来对计算参数进行调整，以形成更为准确的计算模型来指导后期的施工。

3.3 施工监控结构分析初步计算结果

分别对本桥施工阶段主梁应力、施工阶段主梁竖向位移、施工阶段主塔应力、施工阶段主塔水平位移和竖向位移等进行理论计算分析，计算结果显示：1)整个施工过程中，主跨纵梁的最大挠度-197 mm，发生在主跨M11拉索处，塔顶最大水平位移-213 mm，最大竖向位移-49.6 mm。2)整个施工过程中，主梁钢结构最大压应力为58.4 MPa，出现在二期铺装施工之前。主梁混凝土最大压应力为10.6 MPa，出现在二期铺装施工之前，整个施工过程中混凝土未出现拉应力；塔身最大压应力11.3 MPa。3)索力 张拉次数及时机需根据现场情况与相关单位协商而定。4)由于施工过程存在不确定因素，施工过程中需根据实际情况对模型及计算进一步修正完善。

4 施工各阶段异常情况的对策

4.1 混凝土主梁施工阶段

混凝土主梁现浇阶段对后期监控影响最大的就是支架的变形。支架搭设好后，要对支架进行充分预压。预压荷载为支架实际承受荷载最大重量的1.1倍～1.2倍。可根据现场具体条件，选择合适的预压法。

为了解支架沉降情况，在加载预压之前测出各测量控制点标高。在加载50%和100%后均要复测各控制点的标高，加载到100%预压荷载并持荷24 h后要再次复测各控制点标高，如果加载100%后所测数据与持荷24 h后所测数据变化很小时，表明地基及支架已基本沉降到位，可卸载，否则还须持荷进行预压，直到地基及支架沉降到位方可卸载。卸载完成后，要再次复测各控制点标高，以便得出支架和地基的弹性变形量，用总沉降量减去弹性变形量为支架和地基的非弹性变形量。预压完成后要根据预压结果通过顶托调整支架的标高。

监控过程中应根据弹性变形量及施工预抛高给出主梁结构的定位值，并在主梁施工时监测主梁应力及挠度变化。

4.2 钢主梁预制阶段

钢主梁工厂预制阶段对后期监控影响最大的就是主梁的预拼装线形，主梁梁段加工完成后需要根据预拼装线形在胎架上对多个梁段进行组拼，并对相邻梁段的接缝宽度进行复核或调整，最终安装工地连接匹配件并进行U肋高强螺栓拼接板号孔以及轴线定位标记的刻画。这个工作一旦完成后主梁现场安装新老梁段间的转角关系就确定下来。过程中应对主梁预拼线形进行复核，并指导钢箱梁加工单位进行预拼线形。主梁预制线形出现异常将导致现场拼装无法达到预定标高，对于这种情况不宜一味通过焊缝宽度来调整高程，焊缝宽度最大不宜超过20 mm，过大的焊接变形将导致较差的焊接质量及较大的焊接收缩量，如果依然无法完成高程调整则应该牺牲部分标高绝对值以保障主梁的匀顺，而这部分标高误差可以考虑通过索力的调整来修正，即在安全的范围内将主梁的几何误差转换为索力(内力)误差。

4.3 拉索预制阶段

拉索预制阶段索长的控制也是个极其重要的指标，其加工精度将直接影响拉索张挂是否成功。应对拉索预制长度进行复核，当拉索长度出现过长或过短等异常情况导致拉索无法正常锚固的时候可以通过增加垫片或安装锚杯延伸筒来确保正常施工能够延续。

4.4 钢主梁拼装阶段

主梁安装阶段放样高程的确定非常重要，考虑温度的变化会影响已成梁段同时也影响放样高程，因此，放样高程应在同时监测已成梁段的基础上确定。

主梁安装阶段放样高程的调整可以考虑将新老梁段的顶部部分临时连接，预先连接起来以避免被吊梁段的晃动造成测量困难，但不得同时连接腹板及底板的匹配件(此时标高调整将不再是无应力的调整)。

主梁安装阶段还存在新旧梁段接口处顶板凹凸交错的问题，这个问题可以通过马板+千斤顶进行码平。

4.5 桥面铺装及二期恒载

桥面铺装及二期恒载阶段监控任务相对较少，但仍然应进行以下几个方面的工作：1)复核铺装及二期恒载顺序是否有危及安全的情况出现；2)监测桥面铺装时钢箱梁的温度，避免局部出现过大的温度应力。

4.6 事后调整斜拉索力

桥面铺装完成后的最后一次斜拉索张拉为控制工况，由于本次张拉完成后斜拉索索力基本不需要再进行调整，所以这次张拉的吨位控制对监控而言非常重要。本项目计划采用索力动测仪进行索力监测，同时配合高程测量就可以将张拉阶段索力控制到较高的精度。

一般而言钢结构斜拉桥由于钢梁能够承受较大的拉应力，所以基本上不需要进行合龙后的调索。但监控过程如果出现较大误差的时候则需要进行二次调索，二次调索整个过程需要在严密组织和监测之下进行。一般而言，如果出现标高低索力小的情况则比较容易做出决定，而出现标高低索力反而大的情况则需要根据具体情况加以考虑，这时可能需要对牺牲标高精度还是索力精度做出选择。

4.7 成桥恒载状态

通过施工阶段的仿真跟踪分析及桥面铺装完成后的高程及索力的监测给出桥梁结构的恒载内力及刚度状态，这个状态作为桥梁出生的“零”状态，以后结构内力及刚度改变均基于这个“零”状态。

5 结语

针对本桥特殊的桥型结构，利用有限元分析软件对该桥进行建模分析，考虑施工监控中主要控制参数，对全桥施工过程进行理论分析研究。此外本文综合考虑各施工阶段可能出现的异常情况，对各种情况提出针对性处置对策，以期最终实现：

1)确保施工过程中结构的安全；

2)成桥后结构线形平顺，内力状况满足设计要求；

3)成桥后斜拉索力满足设计要求。

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Exploration on construction control technology of space twisted back cable cable-stayed bridge

Tang Shaoqing

(ZhangzhouTrafficDevelopmentGroupLimitedCompany,Zhangzhou363000,China)

Using the finite element analysis software, this paper made modeling analysis on a cable-stayed bridge, discussed the main control contents and methods in bridge construction stage, from the concrete main girder construction, steel main girder prefabricated, cable prefabricated, bridge deck pavement and other aspects, put forward the measures to deal with anomalies in each construction stage, so as to ensure the bridge quality.

cable-stayed bridge, main girder, cable, bridge deck pavement

1009-6825(2016)11-0167-03

2016-01-26

汤少青(1959- )，男，高级工程师

U448.27

A