钢桁斜拉桥施工控制的线形误差分析

秦照付 徐 伟

(1.中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司 南京 210061； 2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050)

随着高铁及城际铁路的快速发展，跨越大江大河也不断面临新的挑战，跨江跨河的桥梁形式需具备“高强、大跨、轻型、整体及新结构”的特点，铁路桥梁对刚度要求高，其结构形式也在不断发展变化，由早期的连续钢桁梁结构发展到钢桁拱桥、斜拉桥[1]，目前大多以桁式结构为主，并且最大跨度也在不断刷新，向千米级铁路桥梁建设迈进。

由于钢桁斜拉桥具有刚度大、结构受力合理，跨越能力大的特点，其可满足高速行车总体静力、动力要求，近些年在铁路或公铁两用桥梁中应用较多[2]，目前的钢桁梁桥具有以下特点[3]。

1) 大跨、重载、高速。主跨长度由武汉长江大桥的128 m增长为已通车运营的武汉天兴洲桥的504 m，荷载由双线铁路荷载到4线及6线铁路荷载外加6车道公路荷载，最高运行速度也由早期的50，60 km/h提高到现在的350 km/h。

2) 结构形式变化较大。由于需承载多线铁路和公路通行，截面形式由双主桁发展到三主桁空间结构，有利于结构受力及制造、施工，以往的明桥面也逐渐被整体桥面结构所代替。

3) 大量采用新材料、新工艺、新技术。由于是大跨、多线、公铁共用，因此，无论恒载还是活载均较以往有较大区别，单个构件受力大，施工工艺复杂，需采用高强度钢材等。

1 钢桁梁桥架设主要方法

钢桁梁桥拼装基本架设方法有以下4种，现场施工时可根据施工机具及现场条件同时采用几种方法[4-6]。

1.1 支架架设法

支架法主要适用于位于无通航要求的河流、水深较浅及岸滩的连续钢桁桥梁，大跨径桥梁一般在边跨采用支架拼装。支架由于搭设方便，在节点处均有支撑点，因此拼装线形及受力均易于保证，施工难度较小。

1.2 浮运架设法

浮运架设法是在岸上或工厂将钢梁拼成整体后利用浮船将其运至桥位处就位，此方法适用条件有限，仅适用一些小跨度桥梁，结构整体性好，减少了水上及高空作业量，降低了拼装控制的技术难度。

1.3 顶推或拖拉施工法

顶推或拖拉施工法是通过液压千斤顶将在岸上或拼装平台上事先组拼好的钢梁逐步顶推或拖拉到位的一种施工方法，由于钢梁的拼装主要在岸上或拼装平台上进行，工作条件相对较好，因此，质量能够达到要求。

1.4 悬臂架设法

悬臂架设法是大跨度桥梁常用的一种施工方法，既有全伸臂架设又有半伸臂架设安装，全伸臂施工时不设中间支点，大跨结构主要依靠拉索或吊索塔架辅助受力，而半伸臂架设施工主要考虑结构受力、变形及悬臂稳定增加部分中间支点。悬臂架设过程中应主要对结构的线形和内力进行控制。

目前悬臂拼装主要包括杆件散拼、多节间的桁片拼装及整个节间的整节段拼装，无论是哪种拼装，基本均采用高强螺栓进行连接，随着制造及设计技术的提高，逐渐由节点散拼过渡到节点外整体拼装，大大降低了现场拼装的工作量及难度。

2 施工控制概述

由于桥梁施工方法不同，结构内力及线形调整方法也不尽相同，施工过程中的控制要求也大不一样。对于支架法及整体拼装的浮运法，相对来说具有可控性，而顶推或悬臂架设法则调整手段有限、控制难度大。

目前大跨斜拉桥的施工控制方法大多采用自适应控制法[7]，它是目前斜拉桥施工控制较理想的方法，其重点是对结构进行参数识别和误差分析，在施工过程中采用索力和标高双控，同时以结构的内力作为安全校核[8]。

因此，斜拉桥悬臂架设过程中主要控制指标有斜拉索索力、主塔及钢桁梁杆件应力及位移相关参数，其中位移相关参数包括标高、主梁纵向压缩位移、主桥轴线偏移及塔偏等方面，其中施工监测的内容包括环境物理量参数(如温度、时间等)的测试、应力应变及索力监测、几何变形量的测试等。

3 施工控制线形误差分析

在钢桁梁桥的制造、安装架设过程中，由于种种原因会造成实际与理论之间的偏差。悬臂拼装的钢桁斜拉桥是空间结构，而误差既有空间位置的偏差，又有内力索力的偏差，下面主要分析竖向变形方面的误差。

根据《铁路桥涵工程施工质量验收标准》的规定，钢桁梁桥立面拱度偏差允许范围见表1。

表1 钢梁立面拱度偏差允许范围

3.1 钢梁制造产生的误差

对于悬臂拼装的钢桁梁桥来说，对线形影响较大的主要有杆件的制造长度及栓孔的钻孔精度，其主要受放样与下料精度、焊接变形及环境温度等影响。《铁路钢桥制造规范》对于杆件制造尺寸及螺栓孔距允许偏差规定如表2，并且近几年一些主要钢桥也会根据具体情况制定适合自身的制造规则，其主要偏差范围可能会大于规范规定。

表2 主桁杆件允许偏差范围 mm

而钢桁梁桥的预拱度基本是通过上弦节点处的间距尺寸调整来实现，一般数值均较小，大多仅几毫米到十几毫米，如果存在偏差将对结构线形产生一定的影响，且最前端的变形会随着后续节间的拼装而呈线形增大。

由于杆件制造误差有正有负，并无规律可循，且在实际架设过程中无法准确测量，因此给监控工作判断分析造成了一定的困难。

3.2 钢梁拼装产生的误差

钢梁开始拼装时一般先在临时支架或托架上拼装几个节间，随后则可能采用顶推施工或悬臂架设施工。

1) 临时托架上拼装钢梁。对于采用高强螺栓连接的钢桁梁桥来说，初始定位的准确性是非常重要的。但在实际施工过程中托架支点高程误差及托架变形对拼装线形会造成影响。

首先应将托架上各点高程误差控制在±5 mm以内，且相邻节点、同一节点上下游高差也控制在5 mm以内。其次无论采用何种形式的支架或托架，在托架受力后或多或少的存在弹性或非弹性变形，因此，在托架上拼装钢梁时应注意托架的变形，在高强螺栓施拧前必须将托架压缩变形量考虑到调整量中。

2) 悬臂拼装钢梁。钢桁梁桥由单根杆件采用螺栓进行散拼连接，其连接质量与制造精度至关重要。而悬臂拼装时一般先安装一定数量的冲钉，规范要求不得少于孔眼总数的50%，其余孔眼布置螺栓，且拼梁冲钉的公称直径宜小于设计孔径0.1～0.3 mm，因此，理论上冲钉与栓孔存在一定间隙，在悬臂拼装时钢梁杆件由于自重作用绕节点转动，从而会造成前端位移误差，根据几何关系前端位移计算公式如下。

式中：Δ为杆件前端位移，mm；l为节点螺栓群安装定位冲钉对角线长度，m；L为杆件长度，m。

一般杆件高度在0.7～1.4 m，而节间长度为8～15 m、与杆件高度相差约10倍，因此，对于安装时0.1～0.3 mm的栓孔间隙至少会造成每个节间前端1～3 mm的高程误差，并会随着节间的增加逐步累积，因此悬臂拼装施工时应利用桥面吊机进行杆件前端标高调整，调整到位并测量复核后方可进行施拧。

3.3 测试造成的误差

由于每种仪器均存在精度问题，结构测试不可避免的存在着误差，为减少测试因素造成的误差可以从仪器测试精度、定期检验与标定、选择专业测试人员等方面进行质量控制。

斜拉桥索力测试由于方法及手段较多，方法不同可能会造成差异，如较多使用的频谱法，主要通过经验公式进行推定索力，计算结果与两端约束条件相关，不同假定会有一定的差别；斜拉桥线形测量时，由于存在环境条件、仪器及人为观测等误差，从而产生一定影响，尤其是由于风荷载及架梁吊机等引起钢梁晃动或振动，悬臂端的最大振幅达到厘米级[9]，将给测试造成困难，数据有一定的不确定度。

3.4 仿真分析造成的误差

结构仿真分析主要会在以下方面造成误差。

1) 模型简化及参数的不确定性。施工监控仿真计算模型中通常会进行一些简化和假定，如材料的弹性模量、容重、尺寸、截面特性等主要根据设计图纸及规范采用，同时结合实测数据进行修正，由于结构材料的离散性、结构尺寸误差、模型模拟得不准确等，理论模型与实际结构总是有一定差异从而造成计算值与实测值的误差。

2) 结构的环境条件与理论计算状态有差别，尤其是温度对钢结构的影响相对更大，虽然可以选择在夜间或环境影响较小的时间段进行测试，但影响难以避免：①结构的温度场不相同，如钢梁、混凝土桥塔及斜拉索的温度存在差别，钢梁上下弦温度场也会不同；②体系温度也在不断变化。因此，在计算时无法准确模拟温度。

3) 施工方案及工序造成的误差。如桥面板与钢桁结构之间的焊接顺序及部位与计算时所考虑的不一致,从而造成结构刚度误差。

综上所述，制造、拼装、测试及计算分析所造成的误差，均呈现一定的规律性，可通过仪器设备及人员、环境等方面采取相应措施避免，或通过参数识别调整模型数据达到与实际结构尽可能一致。

4 实例分析

4.1 桥梁概述

某铁路斜拉桥上部结构采用81.75 m+135 m+432 m+135 m+81.75 m钢桁梁双索面斜拉桥，节段长度为13.5 m，桁宽18.0 m，宽跨比为1/24，桁高14.0 m, 高跨比1/30.9。主桁上下弦均采用箱形截面，上弦外高1.3 m、内宽1 m、杆件板厚24～40 mm。下弦内高1.4 m、内宽1 m、杆件板厚24～44 mm。腹杆采用箱形及H形截面，插入节点板内与弦杆拼接。箱形杆件外高0.8～1 m、外宽1 m、板厚30～40 mm。H形杆件翼缘板宽0.76～0.9 m、外宽1 m、板厚30～36 mm。桥面板采用正交异性板整体钢桥面结构，其上铺设混凝土道碴槽板，顶面设2%横坡，高度2 m，桥面板标准节段横向宽15.6 m，纵向长6.75 m。全桥钢梁总质量约为17 000 t。

斜拉索采用直径7 mm的镀锌高强平行钢丝斜拉索，抗拉强度为1 670 MPa，弹性模量为1.95 GPa，全桥共计5种规格、共112根。斜拉索施工时在索塔内张拉。

该桥钢梁拼装以塔为中心，先采用临时支墩滑移拼装墩顶四节间，然后再利用架梁起重机对悬臂拼装其余节间，到辅助墩后起顶安装支座形成单悬臂，继续对称架设边跨到边墩、中跨至跨中进行合龙。

墩顶四节间钢梁在临时托架上拼装时各节点高程误差见表3；当对称拼装至最大悬臂状态时(见图1)，钢梁最前端位移误差见表4。

表3 墩顶托架拼装时节点高程实测误差

图1 最大双悬臂拼装状态示意(单位：m)

表4 最大悬臂拼装时前端节点高程实测误差

4.2 误差原因分析

1) 托架拼装阶段。由表3可见，墩顶节间高程误差总体较小，最大仅6 mm，而边跨侧比中跨侧误差略大，呈现两端低中间E16处高，即转角比理论小一些。

在托架上拼装时主要受到支点标高定位不准、支架或托架变形，以及钢梁制造误差影响，而钢桁梁的预拱度主要通过墩顶节间上弦尺寸调整形成一定转角来实现，如果定位不准及制造误差大将对后续标高影响较大，因此，在墩顶钢梁架设初始定位时应充分重视，控制托架两端如E14，E18节点处为正误差，即转角略大一些。

2) 悬臂拼装阶段。由表4可见，悬臂前端高程误差逐步偏大，而边跨侧比中跨侧误差大，边跨最前端E6最大达77 mm，中跨最前端E27最大达38 mm，上下桁之间也存在一定偏差，总体上是实测结果较理论结果低。

根据前述误差因素对悬臂前端高程的影响并结合表3数据分析如下。

①墩顶4个节间拼装误差可能对最大悬臂前端的影响示意见图2，计算如下。

E6(10个节间):

E27(11个节间):

图2 墩顶误差对悬臂前端影响示意(单位：mm)

②悬臂拼装时由于冲钉间隙误差可能对最大悬臂前端的影响见表5。

因此由①②2项误差可能造成节点前端的线形误差分别为：

E6:Δ1+Δ7-14=33.5+48.4=81.9 mm

E27:Δ2+Δ18-26=17.75+50.5=68.25 mm

表5 最大悬臂拼装时前端节点高程误差计算值mm

4.3 参数识别调整

通过结构内力及位移的理论值与实测值的对比，分析结构的实际状态与理想状态的偏差，识别引起这种偏差的主要设计参数，并进一步对结构参数分析判定，通过修正设计参数，确定出结构参数的综合效应真实值，为结构分析提供可靠的数值，以达到控制桥梁结构实际状态与理想状态的偏差的目的。

桥梁施工过程中存在的误差可以分为3类：第一类是可以测量的误差，比如构件尺寸、材料容重、材料弹性模量等，通过实测得到实际结构参数，并根据该实测参数对计算数据进行修正，从而解决该类误差问题；第二类是无法准确测量的误差，比如模型简化误差、构件实际刚度误差、人为操作误差等可通过平差计算来解决；第三类就是实际环境因素对结构的影响所造成的误差，通过选取稳定状态进行测试予以解决。

5 结论

对钢桁梁桥来说，大多还是采用悬臂拼装架设并以高强螺栓连接为主，为保证拼装过程中的结构线形与设计一致，避免误差过大应重点注意以下内容。

1) 应对杆件制造质量严格控制，尤其应控制墩顶处设置预拱度杆件的制造尺寸精度，并通过工厂预拼检查制造质量；其次对于杆件的制造长度误差，即两端栓孔群中心距尺寸和拼接板栓孔精度要严格控制。

2) 现场墩顶处钢梁拼装时的高程控制要准确。因其对后续节点的标高有一定影响，随着拼装节间的增加，高程误差有逐步增大的趋势，当有预拱度设置时应适当保持拱角度稍大一些。

3) 由于悬臂拼装时冲钉与栓孔之间本身存在间隙，且冲钉经常使用磨损导致直径减小，会造成拼装杆件绕节点转动，导致杆件前端偏低，而转动角度与栓孔群安装冲钉的对角线尺寸、冲钉直径及杆件长度相关，因此冲钉应尽量沿栓孔群四周均匀布置，并经常检查冲钉直径是否符合要求，拼装时利用架梁吊机将杆件前端适当吊起，适当调整标高后及时施拧部分高强螺栓。

4) 由于大跨度钢桁梁桥在设计及制造时也确定了预拱度，并通过上弦节点板孔距进行设置，为保证悬臂拼装过程中线形与设计一致，可以考虑在设计时适当调整该值以抵消由于栓孔间隙造成的线形误差。