混凝土斜拉桥的施工控制参数敏感性分析

吴斌暄

（上海城投公路投资（集团）有限公司，上海市 200110）

0 引言

斜拉桥属于高次超静定结构，施工中误差出现有其必然性，由于各种因素（如构件刚度、结构自重偏差、斜拉索张拉索力等）的影响，以及在测量等方面存在误差，特别是某些偏差具有累积的特性，施工过程中实测值会不同程度地偏离理想状态。国内外学者对各种误差在斜拉桥施工过程中对结构的影响进行了大量研究。但以往的研究还存在以下问题，大多数仅是针对施工过程中的某些特定状态来进行的，很少将施工过程与误差分析紧密结合起来研究。而误差对于结构的影响实际上与整个施工过程是高度相关的，仅仅针对特定状态的研究往往得到了一些不恰当的结论。

本文结合某混凝土斜拉桥的施工监控，考虑施工过程，对有关参数进行灵敏度分析，通过进行各参数的变异对结构响应的敏感性分析来分辨主要影响参数与次要影响参数，在施工中做到把握现在、预估未来，进一步对主要影响参数进行重点的监测、识别和控制，为大桥施工过程中的参数调整提供理论依据，为该项目桥梁的顺利投入运营和长期健康监控提供可靠的依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

某主桥采用独塔单索面斜拉桥，塔梁墩固结体系。引桥采用预应力简支T梁，桥面连续。主桥跨度为105 m+140 m=245 m，北引桥为3×30 m+4×40 m=250 m，南引桥为4×40 m=160 m，桥梁全长655 m，见图 1。

主桥桥塔采用混凝土桥塔，塔全高130 m，桥面以上塔高82 m主塔采用C50混凝土，两塔在桥面以下交叉。桥塔整体为一个梯形断面，通过对梯形断面挖槽及倒角来实现桥塔线条的变化，通过设置横梁增强桥塔的稳定性（见图2）。主梁采用单箱五室截面形式，梁高3.8 m，采用纵向、桥面板横向及竖向三向预应力体系，纵向按全预应力构件设计，桥面板横向按A类构件设计（见图3）。

拉索采用高强度、低松弛平行钢丝拉索，规格为 PES（C）7-127～211。，斜拉索塔上锚固于混凝土索塔内置的钢锚箱上，主梁上锚固在箱室中室的顶板上，其中塔端为固定端，梁端为张拉端。索塔处无索区左右各15 m，中跨拉索的标准间距6 m，为了平衡悬臂浇筑时的重量，边跨1#至9#拉索的间距取6 m，10#至19#拉索的间距取3 m，桥塔锚固区的间距根据拉索锚固的空间要求从1.8 m变化到3.1 m。主桥基础采用桩基础，端承桩，桩径2.0 m，24根桩。

1.2 施工步骤

主桥主梁采用悬臂浇筑施工、引桥T梁采用先预制后架桥机架设的施工方案。主要施工步骤如下：

（1）桥梁桩基、承台、桥墩台施工。

（2）搭设索塔支架及劲性骨架，浇筑主塔下塔柱混凝土；分段吊装上塔柱钢锚箱，同时分段浇筑上塔柱混凝土，上塔柱拉杆外侧混凝土与塔柱混凝土一同浇筑。

图1 主桥结构布置图（单位：m）

图2 桥塔底部断面图（单位：mm）

（3）搭设主梁0#块支架，支架现浇主梁0#块混凝土，张拉相应预应力束。

（4）挂篮悬臂浇筑主梁1#～9#节段，达到要求的强度及龄期后张拉预应力钢筋；每浇筑一节段，安装并张拉一对斜拉索。

（5）支架现浇边跨合龙段，张拉边跨合龙预应力束。

（6）悬臂浇筑主梁主跨10#～19#节段，每浇筑一节段，安装并张拉主跨、边跨斜拉索。

（7）支架现浇主跨合龙段，张拉主跨合龙预应力束。

1.3 现场监测与控制

施工控制是以全面的理论计算为指导，而实际的施工状态与理论计算之间由于各种原因将出现不一致性，因此，现场监控流程是一个施工—量测—判断—修正—预告—施工的循环过程。本桥的现场测试主要内容包括：主梁各施工工况的标高、斜拉索的全桥索力、主梁和塔的控制断面的应力、主塔位移、温度监测等。在每一工况返回量测数据后，进行综合分析和判断，以了解已存在的误差并进行误差原因分析，尽量予以消除产生误差的原因，给出下一工况的监控指令，在施工中形成良性循环。

当主梁线形出现偏差时，可以通过以后混凝土节段安装时立模标高进行修正；当结构受力状态出现偏差时，则须通过索力的调整进行修正。施工控制中通过对主梁立模标高和斜拉索索力的调整既要实现全桥的成桥目标状态，也要实现中间施工阶段目标状态，以保证每一施工阶段结构的内力和线形都处于预测和控制之中，并使本桥最终达到设计要求。

1.4 施工监控技术指标

监控的预期目标是主梁线形和索力“双控”在合理范围内。需满足以下要求：

（1）主梁线形平顺，满足设计要求；

（2）边、中跨的高精度合龙，合龙时主梁环口各控制点标高误差±2 cm之内，避免采用压重等措施强迫合龙，而采用温度可控范围内的自然合龙；

（3）斜拉索索力误差±5%之内；结构受力状态满足安全要求。

图3 主梁横断面图（单位：mm）

2 施工参数误差对结构的影响分析

2.1 斜拉桥考虑施工过程对结构力学性能分析的影响

斜拉桥作为高次超静定结构体系，施工过程中体系转换多，以一次成桥计算方法和考虑施工过程计算方法分别对索力误差+5%的情况进行敏感性分析，见图4。

图4 主桥有限元计算模型图

图5结果显示，考虑施工过程，合龙后：除个别张拉拉索外，其余拉索的索力变异系数均处于-5%～5%范围内；中跨拉索总索力为12 635.2 t，中跨总索力误差为0.97%；边跨总索力为12 036.5 t，边跨总索力误差为0.64%。故对于主梁刚度较大的混凝土斜拉桥而言，由于拉索的被动受力，会使得误差积累效应减小。故以下计算均考虑施工过程，对结构进行参数敏感性分析。

图5 考虑施工过程，索力变异系数图

2.2 施工参数误差对主梁的影响

在斜拉桥施工监控过程中，为保证桥梁的顺利合龙，合龙前最大悬臂节段的主梁线形是首要控制目标。主梁最大悬臂阶段时，结构刚度较小，施工参数误差对主梁的线形和应力影响显著，本文选取主跨最大悬臂工况对施工参数误差对主梁的影响进行研究。

在对其进行静力分析时，取拉索索力、施工梁段自重、拉索的刚度、主梁刚度为参数变量，比较各种误差对于结构的影响，各个变量的变异系数见表1，图6所示主梁截面为典型截面，图7显示了在各种因素作用下的，主梁上、下缘的最不利正应力包络计算结果，图8显示了各种因素作用下，主梁的变形位移计算结果。

变量 变异系数拉索张拉力 ±0.05梁节段自重 ±0.05主梁刚度 ±0.05拉索刚度 ±0.05

从图7～图8的计算结果可以看出：

（1）对主梁正应力影响的因素是主梁自重误差，特别是主梁自重的正误差；次要影响因素为斜拉索索力误差。

（2）主梁梁段自重是影响主梁线形的关键因素，在斜拉桥主梁线形测量前，应尤其注意清除主梁上的大型施工机具及重量较大堆载物，以确保测量的准确性。

（3）由于斜拉索索力对主梁线形——特别主跨悬臂端较大的状态下——有较大的影响，在悬臂施工过程中，应适当地调整斜拉索索力以调整主梁线形，以助于主梁顺利合龙。

（4）由于该桥梁是刚梁刚塔体系，主梁刚度和拉索刚度的变异对结构受力影响极小，在±5%刚度的误差内，对主梁应力的误差在±1%以内，对主梁线形的误差在±8%以内。故在混凝土斜拉桥施工中可以适当放宽对混凝土弹模的要求，但要着重控制斜拉索张拉力和主梁自重等施工关键参数。

2.2 索力误差对主塔的影响

对于主塔，拉索索力误差、结构自重误差等各种类型的误差在全桥范围内以主塔为中性轴沿边、中跨对称出现时，将不会导致主塔结构响应的显著恶化。故本节重点对索力误差反对称出现时的主塔力学性能进行探讨，见表2。

表2结果显示：

（1）当出现最不利的边、中跨索力误差时，索力不对称误差在5%时，主塔最大压应力由14.8 MPa变为16.6 MPa；塔顶水平位移也发生了较大的波动，最大水平位移达到264.5 mm。

图7 主梁截面应力及应力变异系数图

图8 主梁节点位移及位移变异系数图

（2）经对本文所列出的两种荷载工况下主塔计算结果的对比可知，塔顶水平位移和主塔最大应力对边跨拉索索力正变异的敏感性大于中跨拉索索力正变异的敏感性；不对称的索力误差，所造成的主塔的受力的不均匀性会导致主塔压应力和塔顶水平位移超过规范限值，施工中要着重控制主梁节段对称施工，特别是拉索张拉，应重点控制为同向误差，减少异向误差发生。

表2 索力误差对主塔响应的影响

（3）由于主塔水平位移对施工过程中的边、中跨施工荷载不平衡力较敏感，应加强对主塔水平位移的监控量测。

3 结语

通过对混凝土斜拉桥的施工误差进行敏感性分析，可以得到以下结论：

（1）在本文中考虑到的各种误差中，对主梁正应力影响最大的是主梁节段自重误差，其次是斜拉索索力误差，结构刚度误差对主梁的受力状态影响较小。

（2）结构刚度误差对主梁的位移状态影响较小，主梁梁段自重和斜拉索索力是影响主梁线形的两大关键因素，在施工监控量测过程中应在测量前及时清除桥上的大型施工机具和重量较大堆载物，以确保主梁线形测量及立模的准确性。

（3）在施工过程中，主塔结构的压应力偏差，与主塔顺桥向偏位紧密相关，在主梁悬臂施工过程中需加强塔顶水平位移的监控量测。

（4）由于塔顶位移及主塔最大应力对拉索索力的不均匀变异较敏感，故应在施工监控过程中要重视索力张拉的对称性。

（5）随着施工过程的发展，线形误差会产生一定的积累，由于全桥结构受力和主梁线形对斜拉索索力的变化较敏感，可以通过及时修正计算模型，调整部分斜拉索索力，消除施工误差对全桥结构线形的影响。

（6）研究各种误差对结构的影响时必须计入施工过程，否则会得到错误的结论。随着施工过程的发展，误差会产生一定的积累，但对于斜拉桥而言，由于拉索的被动受力，会使得误差积累效应减小。