公轨两用钢桁梁斜拉桥合龙监测方案分析

蔡送宝， 耿文宾， 韦永斌， 林金地， 张 伟， 强伟亮

（1.中国建筑第六工程局有限公司，天津300451；2.中国建筑股份有限公司技术中心，北京101300；3.中建工程产业技术研究院有限公司，北京101300）

跨中合龙是斜拉桥施工过程中的重要工序。合龙时钢梁结构为多次超静定结构，由于结构特点，合龙时温度、日照、湿度、位移、外力、边界条件等因素均对施工产生影响[1～2]。本文以红岩村嘉陵江大桥为工程背景，采用有限元软件建立全桥空间模型，对该桥成桥阶段进行静力分析并根据计算结果对桥塔以及钢桁梁关键构件施工监测点位进行布置，作为该桥合龙施工的依据。

1 工程概况

红岩村嘉陵江大桥为高低塔双索面公轨两用钢桁梁斜拉桥，跨径布置为91.4 m+138.6 m+375 m+120 m，见图1。

图1 桥梁总体布置

主塔是由上中下塔柱和上中下三道横梁组成的门式框架结构。塔柱为C50 多边形空心薄壁普通钢筋混凝土结构，横梁为带有造型的阶梯式变截面结构。P3主塔为高塔，总高202 m，P4主塔为低塔，总高150.75 m。

主梁采用双主桁等高度连续钢桁梁。主桁为三角桁架，桁宽28.2 m，桁高11.163 m，全桥钢桁梁共分为49 个节段，P1 交接墩至P3 塔范围内节间长度为15.4 m，P3塔至A5桥台范围内节间长度为15 m；标准节段钢梁包括上弦杆、下弦杆、上桥面板、下桥面板、斜腹杆5种构件，上层桥面板和下层桥面板均为正交异性钢桥面板。见图2。

图2 标准节段钢桁梁三维构造

钢桁梁在P1交接墩和A5桥台处的主桁下弦节点处分别设置双向活动球形钢支座，在P2 辅助墩和P4桥塔中横梁的主桁下弦节点处设置双向活动速度锁定球形钢支座，在P3桥塔中横梁的主桁下弦节点处设置可沿横桥向滑动的单向活动速度锁定球形钢支座。

2 监测测点布置原则及计算方法

2.1 布置原则

由于合龙段以前施工工序均已完成，故本文仅研究主梁合龙成桥后、桥面附属设施等二期荷载施工前工况下施工监测布点。监测点位的布置应能准确反映合龙后桥梁结构实际受力情况、主梁线形等信息，确保合龙后桥梁状态达到设计要求。

2.2 计算方法

采用Midas Civil建模，桥塔、主梁上下弦杆、腹杆、横梁等均采用梁单元模拟，拉索采用索单元模拟，见图3。

图3 全桥有限元计算模型

仿真分析为合龙成桥阶段、附属设施等二期荷载施工之前阶段的成桥索力、变形、主梁应力等。

3 监测方案及点位布置

3.1 温度监测

温度对合龙口宽度、主梁标高、斜拉索索力等关键参数均有影响，因此合龙时的温度测量是合龙工作的基础[3]。合龙时环境的实际温度与设计基准温度之间的差异会导致钢桁梁及斜拉索产生温度应力和形变，从而使合龙口宽度、两侧桥面的标高、角度发生变化；同时由于本桥为双层公轨两用桥，上下层桥面之间的温度差异同样会使上下弦杆产生差异。因此温度监测不仅应监测系统温度，还应监测上下层桥面间的温差，为施工提供更好地保障。

根据监测要求，沿纵向共设置8 个断面进行温度监测，每个断面处上下层桥面均布置无线温度仪进行测量，共计16个测点，见图4。

图4 温度测点布置

3.2 主塔塔顶位移监测

塔顶的水平位移是不对称荷载、索力、温度等因素的综合反映[4～5]。桥塔为钢筋混凝土结构，塔身高度较大，在钢梁架设过程中，塔顶位移一直处于变化状态。为保证塔顶位移处于监控要求范围内，在塔顶设置位移监控设施，随时监测塔顶位移。

分别在每个主塔塔顶用反光模做观测点，采用全站仪极坐标法进行多个测回测量。合龙后主塔塔顶位移计算结果见图5。

图5 合龙后主塔塔顶位移

由图5 可知，合龙后高塔塔顶位移为106 mm，矮塔塔顶位移为89 mm。

3.3 索力监测

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，索力不仅影响主梁的受力状态，还会影响成桥后主梁的线形[4～5]，为准确掌握斜拉索在合龙过程中的索力变化，在每根拉索锚区内均安装压力传感器进行索力监控。施工过程中需多次对索力进行监测，校核实际索力与监控计算索力是否吻合。见图6。

图6 合龙后索力

由图6 可知，合龙后最外侧拉索HA14、HJ14、LA7及LJ7索力最大，拉索索力随着靠近主塔而呈减小趋势，与设计所给成桥索力趋势相符，但数值小于设计所给索力。这是因为设计所给成桥索力为施加两侧压重以及桥面二期荷载以后最终的成桥索力，后期施工压重并适当调索后即可达到设计要求。

3.4 主梁应力监测

主梁合龙前后结构体系发生改变，引起主梁内力重新分布，合龙后主梁主要受力构件的内力是否与计算吻合意味着桥梁施工质量的好坏，根据计算结果在主梁受力构件关键节点布置应变传感器。掌握主梁合龙前后关键节点的应力变化对合龙施工具有重要作用[4～5]。合龙后主梁上下弦杆应力计算结果见图7。

图7 合龙后主梁应力

由图7 可知，合龙后主梁上弦杆最大应力为204 MPa，下弦杆最大应力为162 MPa，两个主塔位置弦杆位置应力较大。

根据计算结果，分别在主桁上下弦杆以及斜腹杆布置测点，监测合龙后主梁应力变化。见图8。

图8 主梁应力监测点位布置

3.5 主梁挠度及线形监测

合龙后主梁线形是桥梁受力状态的响应[4～5]。本工程钢桁梁共分为49个节段，在每一个施工节段端头上弦杆位置均设置一个标高监测点，监测各节段竖向挠度及合龙成功后主梁整体线形，作为施工指导依据。合龙后主梁挠度计算结果见图9。

图9 合龙后主梁线形

4 结语

在红岩村嘉陵江大桥跨中合龙施工监控过程中，通过确定主塔塔顶位移、斜拉索索力、主梁线形、主梁应力等监控目标，制定合理的监控方案，实现合龙施工过程的精确控制，保证合龙的精度与质量，为成桥目标状态的实现奠定基础。

合龙过程中的监控数据以及合龙后主梁线形、塔顶位移等监控数据与理论计算结果吻合良好，表明该桥施工过程规范，施工质量控制良好。□■