大跨度斜拉桥施工线形控制关键影响因素分析

韩 旭 （中新苏滁（滁州）开发有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

斜拉桥项目施工作业时，结构体系会随着边界条件与荷载的改变而出现变化，从而导致各施工环节的结构变形和内力状态发生改变。本文以斜拉桥的几何控制理论为依据，重点分析线形控制误差来源以及传统误差调整方法及其缺点，并深入研究探讨几何控制误差调整方法在斜拉桥桥梁施工中的具体应用。

1 斜拉桥的几何控制理论概述

无应力状态控制方法概念诞生于20世纪80年代末期，由我国桥梁工程专家秦顺全教授最早于1992年提出并成功应用于武汉第二长江大桥的建设中，取得了十分显著的应用效果。

无应力状态控制方法解决了桥梁工程中的施工控制问题，适用范围广泛且在大跨径斜拉桥建设工程中具有较高的适用性。无应力状态控制方法在大跨径斜拉桥工程建设中的应用可与有应力状态量相结合，充分利用两种状态量的突出特性，由此衍生出几何控制的概念。

几何控制方法的应用条件是以保证结构体系和作用系统状态不变为前提的，在此前提下可实现构件安装的无应力状态与对应的无应力状态保持一致。在施工控制过程中，只能够对每个构件进行无应力状态控制；在施工过程中对主梁安装线形的控制即是对无应力状态线形的控制。桥梁建设工程中，需要首先实现对于主梁线形的精准制造控制，在现场安装工作开始之前做到梁段之间的非应力相对位置匹配，确保每段桥梁都能满足安装条件，进而做到从整体上控制主梁形状。

2 线形控制误差的来源

在实际施工控制的过程中，由于现场环境、测量误差等方面因素的影响，有限元模型与现场实际情况存在一定偏差，偏差主要来源于以下几个方面。

2.1 计算参数误差

有限元模型以设计值为数据基础，但工程实际测量参数与设计参数之间难免存在误差，即理论值与测量值之间存在偏差。根据几何控制理论，叠合梁斜拉桥工程中所产生的误差主要由以下几个参数的计算过程导致。

2.1.1 荷载误差

①梁截面的重量误差

大跨度斜拉桥多采用混凝土和钢作为主要原材料，施工过程中会形成梁截面和钢梁的自重误差。

②施工临时荷载误差

在施工过程中，通常采用机械配合人工的安装方式，施工过程中所使用的机械设备即为临时荷载。桥面起重机前后理论值与支点反力的偏差以及桥面与吊篮的累计荷载都是临时荷载误差的主要来源。

2.1.2 几何设计参数误差

①钢梁的长度误差

钢梁的实际长度和设计长度之间的偏差会形成轴向偏差，除了影响合拢段长度外，还会造成梁端锚固点与设计位置之间的偏离。

②无应力的拉索长度偏差

拉索长度测量时需建立相应的计算模型，与材料种类、张力、温度等因素有关；在制造拉索的过程中会产生一定的误差，对施工过程造成不良影响。

③拉索锚固点的偏差

在进行索塔建设的过程中，因材料自身的形变和竖向分力的作用，拉索锚固点的位置会因此向下偏移。锚固点的坐标位置偏差会直接影响到索长，进而对主梁的高度和索力造成影响。

④索导管定位偏差

为了保持拉索与主塔混凝土之间保持足够距离，需要通过安装索导管的方式进行控制；在浇筑定型过程中，由于索导管无法完全固定，会引起索导管的位置偏离，导致拉索与索导管间产生磨损，使拉索索长产生偏差、主梁标高变化。

2.1.3 结构性能误差

①单元的抗弯刚度

在工程实际中，钢梁的横隔板和横向预应力对桥梁结构有一定的影响。但在建模过程中，这一因素常常被忽略，从而降低了钢梁的计算抗弯刚度。

②材料弹性模量

材料弹性模量的来源包括斜拉索弹性模量和钢梁弹性模量，其实测结果与理论值存在偏差。

2.2 环境因素引起的偏差

大跨度斜拉桥具有工期长、季节跨度大的特点，因不同季节天气因素影响而产生偏差。

2.3 测量误差

测量数据是大跨度斜拉桥设计的根本依据，但由于人为因素和仪器误差，会造成测量结果与实际存在偏差。

2.4 施工误差

在实际的施工过程中不能完全做到与设计的完全一致。对于施工误差，需要加强施工管理，使施工过程按照计划进行开展，避免产生较大误差。

3 误差调整常规方法分析

大跨度桥梁施工过程的误差消除方法主要包括最小二乘误差分析方法、无应力状态控制方法和基于施工全过程的自适应控制方法等。这些误差消除方法主要通过调整控制主梁标高和索力进行误差消除。一旦遇到误差较大的情况，需要重新测量主梁高度和拉索的施工应力，过程较为繁琐，在工程应用中具有一定的局限性，尤其是对于钢梁和斜拉索的出厂制造误差控制上，此类方法的适用性较差。当前，大跨度斜拉桥的施工控制方法多为几何控制方法，在出现计算参数变化时，可通过利用无应力基准状态原理实现误差消除。此外，可以把大跨度斜拉桥当做一个不确定性系统，在获得施工现场实际测量数据之后，对比与理论计算数据之间的差异，随后进行计算模型的修正工作，通过迭代式的仿真方法使模型设计更加贴合实际。从几何控制方法的控制概念可知，在保证完成状态的误差修正计算模型与原模型的无应力索长一致的前提下，可以消除误差对结构的影响。

桥梁工程结构图

4 误差调整方法应用实例

某斜拉桥主桥采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系，主塔采用布置在分隔带的独塔形式，塔在桥面以上高度32.5m，塔身采用矩形截面，在塔根部进行分叉镂空景观设计。主梁采用整体式单箱三室箱型截面，边腹板采用60°斜腹板形式；主梁截面高度在纵向按二次抛物线形变化；主梁采用三向预应力体系，预应力管道为PE塑料波纹管并采用真空压浆工艺。主桥斜拉索采用单索面双排索布置在主梁的分隔带处；全桥设置192根斜拉索，每个塔左右分别有48根索。该桥梁结构示意图如上图。

根据上述分析过程，本文提出了一种基于几何控制原理的误差调整方法，具体如下：将成桥状态无应力索长作为控制参数，将修正误差模型成桥状态无应力索长调整至基准状态，通过调整初始张拉索力，使成桥无应力索长接近最大值。在完成参数误差的识别和测量之后，对计算模型进行相应的更新，最终计算出新的无应力索长L'，其计算公式如下：

L'与基准状态下计算出的无应力索长L之间存在偏差ΔL。

将多次计算结果过进行比较分析，使得在重复无应力索长和参考状态之前，误差满足允许范围要求。由于无应力索长与索力之间的关系呈现出非线性，所以需要根据情况微调部分索力，以达到接近参考状态的目的。此方法可以规避传统误差修正方法的局限性，降低施工控制的操作难度，在较高程度上保证了结构线形和内力控制精度，在保证正常施工的前提下实现误差控制，对于大跨度斜拉桥钢梁具有较好的适用性。该方法属于先行误差调整方法，能够较快的计算出目标的无应力索长，并使基本状态的完整索力接近最大值。

从实验结果上看，使用此方法进行误差调整后，成桥索力的误差可控制在2%以内，基本满足误差要求。因此，基于几何控制方法原理所进行的误差调整在大跨度斜拉桥施工控制误差调整中具有较高的适用性，可以满足实际施工要求。