大跨径钢箱梁斜拉桥施工控制关键技术

邹晓琴

摘 要：大跨徑钢箱梁斜拉桥不但可以实现更大的通航需求，还可以简化桥梁基础在复杂环境下的施工难度，被广泛应用于跨海大桥的建设中。为了确定合理的成桥目标状态，并建立施工过程中线形和内力的控制方法。本文对跨海交通工程大跨径钢箱梁斜拉桥的施工控制关键技术进行了研究。通过明确桥梁施工过程若干关键控制要点，借助基于自适应控制原理的施工全过程有限元计算分析，并有针对性的建立现场监测方法和控制策略，为钢梁悬臂施工阶段的线形控制提供有效的理论指导依据，并为建立系统而有效的施工控制系统打下坚实的理论基础。

关键词：钢箱梁;斜拉桥;施工控制;自适应控制;有限元分析;线形控制

中图分类号：U422.5 文献标识码：A

0 引言

当前，大跨径钢箱梁斜拉桥因为其所具备的独特特点，在跨海大桥建设中的应用非常的广泛。为了确保大跨径钢箱梁斜拉桥建设质量，接下来主要就结合具体的工程实例，对大跨径钢箱梁斜拉桥施工控制技术进行了分析。

1 工程概况

跨海交通工程主跨跨径为580 m的整幅钢箱梁斜拉桥，大桥全长1 170 m，位于半径25 000 m的竖曲线上，两侧桥面纵坡2.0%，桥面宽43.5 m，设2.5%双向横坡。大桥为5跨连续结构，采用半漂浮结构体系，跨径组成为（110+185+580+185+110）m，边主跨比0.509。

大桥先施工主塔、过渡墩及辅助墩，再安装索塔区主梁，标准节段主梁施工采用桥面吊机施工。主梁合龙按照先边跨、后中跨的顺序进行。最后进行桥面附属设施和局部索力调整。

2 施工控制的关键问题

综合大跨径钢箱梁斜拉桥的结构特点和海上施工条件，施工控制中的关键问题分析如下：

（1）大跨度钢主梁斜拉桥在悬臂施工阶段主梁的线形控制。采用自适应控制思路，悬臂施工阶段在施工前几个节段时，出现误差后及时分析误差发生的原因，识别设计参数后及时修正计算模型，通过修改施工索力计划调整线型误差，使理论计算更逼近于实际响应，并且修正后的有限元模型得到的新索力计划必然比原计划更加合理，因而出现误差的可能性减小，在以后的施工中索力调整的要求将越来越少。

（2）悬臂拼装施工斜拉桥过程控制。该桥斜拉索倾角变化大，结构空间效应明显，在拉索索力作用下，结构将承受较大的线形和内力变化，因此必须准确模拟精确监控，制定合理的斜拉索初张力，保证施工过程中主塔柱间受力平衡，并将理论计算和监测结果对比分析，以便对各阶段斜拉索张拉力进行调整[1]。

（3）结构自身的参数及环境参数的全过程实时监控。结构自重参数的估计直接影响结构的线形控制，施工临时荷载的估计需要充分考虑现场的实际施工条件;日照作用、昼夜温差对主塔、主梁、索的线形和应力均会产生很大影响，因此全过程精准实时监测温度变化及其影响量，并进行修正计算，以便最大程度的减小温差所带来的影响。

3 施工控制全过程计算分析内容及方法

3.1 成桥状态和施工过程控制目标的确定

学者们自斜拉桥建设时就开始研究成桥状态确定施工安装索力及构件安装线形的算法，如倒退分析、无应力状态法等。无应力状态法从成桥状态确定的每个施工步骤控制数据，在桥梁体系转换时仍采用倒退法分析，需要施加强迫力才能达到成桥状态。为避免上述问题需将成桥状态与施工过程同时考虑[3]。

根据斜拉桥的受力特点，采用最小弯曲能量法，即主梁弯矩较小时接近最优[4]。以此来确定施工过程中的索力方案，该桥施工阶段张拉力及成桥索力如图1所示。

3.2 关键施工控制数据的确定

对于该桥，由于通过施工过程斜拉索合理的张拉方案将主梁施工累积变形控制在比较小的范围内，且变形形状较为平顺，钢箱梁制造时可不考虑设置制造预拱度（该桥钢梁制造线形如图2所示），即按照竖曲线线形（设计高程）进行制造，悬臂施工过程中通过微调相邻梁段间焊缝宽度的方式来调整相应梁段施工累积位移从而达到无应力状态。

3.3 钢梁横向变形计算

考虑到本桥钢箱梁横桥向宽度达46 m（含风嘴），因此需要对钢箱梁结构在施工全过程中的横桥向变形进行计算。但由于全桥空间杆系有限元计算模型无法计算钢梁本身的横向变形，因此需建立相应的板壳空间局部模型进行横向变形分析，确定是否有必要设置相应的横向预拱度，从而保证成桥阶段钢梁横坡满足设计要求。

根据计算结果，在一期+二期荷载作用下，钢梁中心与翼缘位置横向变形差仅为23.3 mm（无隔板位置）和22.1 mm（有隔板位置），对横坡影响约为1/1 000，可不设置钢梁横向预拱度。

3.4 钢梁悬拼阶段计算分析

该阶段计算分析的目的是得到斜拉桥施工过程中各阶段恒载及施工荷载等外力作用下结构的内力和变形并与现场采集数据（包括节段重量、索力、标高、塔偏、应变、温度等）进行对比分析。钢梁节段安装过程中根据当前状态下实际荷载、边界条件、实际参数和误差状况等因素进行结构实时响应分析。

根据响应分析对当前梁段进行调整，使实际状态逼近施工阶段理想状态，对当前结构状态进行评估，并对下一梁段的施工和斜拉索张拉进行预测。

4 现场监测与控制技术

施工过程监测是施工控制系统中获取反馈的必要组成部分，施工监测系统的完善与否将直接影响控制系统的精度及结构安全。

4.1 常规监测内容

首先，根据现场情况建立的各桥平面控制网和高程控制网点，设立监控高程控制点，在钢结构下料完成后应对结构无应力制造线形进行复核。在后续主梁悬臂拼装阶段中，及时对主塔的基础沉降、主塔线形（偏位、高程、塔柱倾斜度）、主梁各节段线形（主梁高程、轴线、横坡等）以及斜拉索力进行跟踪监测，保证施工过程中的线形与监控指令及时核对，确定理论值与实测值的偏差，并通过自适应原理及时修正拼装误差[5]。

4.2 考虑特殊条件下的主梁线形控制方法

由于大跨径斜拉桥钢主梁刚度较柔，主梁前端标高受索梁温差和主梁温度梯度影响很大，在施工过程中，通常采取限制钢梁安装定位和测量的时间来避免温度效应的影响，然而迫于工期紧张、海上施工环境差等客观因素，不得不选择不利自然条件下施工，这将严重影响钢梁的精确定位和线形测量工作，为此确保下一节段匹配的精度是主梁架设阶段需要解决的重要问题[6]。

本桥采用无应力线形配合切线拼装的方法，对节段间的夹角进行控制，从而回避温度、风等不利自然条件影响，达到匹配阶段主梁标高控制的目的。主梁安装时只需将制造阶段主梁预拼无应力线形恢复，则成桥后主梁内力与变形状态即是目标状态。因此，匹配时需严格控制主梁无应力夹角、曲率、轴线。通过调整梁段间相对标高关系控制梁段间的无应力夹角，使主梁线形平顺。当然，实际施工中需考虑已拼梁段高程误差、转角误差以及待拼梁段N在吊装过程中自重弯曲变形误差影响。

5 结语

本文对跨海交通工程进行系统分析，对大跨径钢箱梁斜拉桥的施工控制关键技术进行了研究。充分考虑了大跨径双塔钢箱梁斜拉桥结构及环境特点，明确了该类桥梁在施工控制中的关键控制要点，借助基于自适应控制原理的有限元计算分析与现场监测手段完善线形控制策略和施工控制系统。本文在综合现有理论研究与实践成果的基础上，对大跨径双塔斜拉桥的施工控制策略进行了系统介绍，可为跨海交通工程高质量实施提供参考。

参考文献：

[1]林元培.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]梁鹏，肖汝诚，等.斜拉桥索力优化实用方法[J].同济大学学报，2003（11）：1270-1274.

[3]颜东煌.斜拉桥合理设计状态确定与施工控制[D].湖南大学，2001.

[4]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]尼尔斯丁吉姆辛（姚玲森等译）.缆索承重桥梁[M].北京：人民交通出版社，1992.

[6]常英.大跨钢箱梁斜拉桥施工控制要点分析[J].公路交通科技，2001（1）：39-43.