固结体系矮塔斜拉桥施工监控技术要点

王成

摘要 为了更好地解决固结体系矮塔斜拉桥施工问题，文章以云南红河州元蔓高速浪滩坡特大桥工程为依托，对其固结体系矮塔斜拉桥斜拉索施工监控技术进行深入地分析。该桥采用梁塔墩互为固结体系，介于斜拉桥与连续梁之间[1]。拉索对主梁起加劲作用，可起到优化主梁受力的目的，减小主梁和塔柱的变形。因此在浪滩坡特大桥施工监控工作中，建立了完善的施工监控体系，以更好地对桥梁施工过程中的线形、应力及索力进行监测，提出更具体且有针对性的监控内容及技术要点，以期为国内同类型桥梁工程施工监控工作提供参考，确保桥梁的施工质量与安全。

关键词 固结体系;矮塔斜拉桥;施工监控

中图分类号 U448.23 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0085-06

0 引言

矮塔斜拉桥自1980年在瑞士问世以来，由于它拥有较好的结构性能，经济指标良好，广泛得到国内外桥梁工程的应用。随着当前组合式结构的不断应用与发展，越来越多的桥梁开始尝试采用中央双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥结构应用到各地桥梁建设中，这无疑对施工提出了更高要求。为了给现场施工提供正确的指导，保证质量和安全，必须高度重视并做好施工监控，明确施工监控各项技术要点。

1 施工监控意义

矮塔斜拉桥从开工建设直至通车运行，经历主要工况分别为：基础施工、墩身及塔柱施工、悬臂施工、拉索张拉及桥面系施工等。当前成熟的理论可便捷地求出各主要施工阶段的预拱度值及变形，但结构在施工过程中的实际变形未必能够完美达到预期理论目标值，主要源于诸多因素的直接或间接的干扰，如设计弹性模量值及强度、混凝土的收缩徐变系数、施工临时荷载及结构尺寸等，和工程实例的相应参数表现不完全吻合，在施工全过程保证主梁三维姿态偏差不超过容许值，怎样保证合龙后大桥线形顺畅，怎样避免施工过程主梁应力超限等问题，怎样确保成桥状态与设计要求相吻合等都需进行施工监测调控解决。大桥施工阶段，施工误差和工序工法的调整以及临时施工荷载的作用都会让大桥结构线形与内力变化，影响大桥在全施工周期至成桥的状态结构的安全。

施工监控可以为桥梁建设过程保驾护航，为其在运营期能够更好地发挥设计服务能力打下坚实基础。目前，国内外特大跨径矮塔斜拉桥、矮塔斜拉桥出现了因混凝土徐变、收缩、预应力损失等因素产生的结构损伤现象。为保证浪滩坡大桥在施工过程中结构成桥线形、索力及内力处于安全可控状态，满足相关规范要求，需对该桥进行施工全过程监控监测。

2 工程概况

浪滩坡特大桥位于元蔓高速公路红河段，为元蔓高速公路控制性工程之一。主桥桥跨布置为：（136+240+136）m固结体系矮塔斜拉桥，主桥桥长512 m。

大橋主梁采用变截面单箱三室斜腹箱梁，主梁根部梁高为8.2 m，梁端部等截面段梁高为4 m。梁高按二次抛物线变化。0节段块长12 m，梁高变化段两侧各86 m，边跨等高梁段每侧44.79 m，中跨等高梁段58 m。箱梁顶宽26.8 m，底宽14.224～16.324 m。悬臂板长4.5 m，顶板厚28 cm，底板厚度由跨中32 cm逐渐加大至根部为140 cm，0节段内底板厚170 cm。主塔采用等截面矩形实心断面，平面尺寸为6 m（纵向）×2.6 m（横向），桥面以上塔高44 m，位于中央分隔带，与主梁固结。主墩采用钢筋混凝土薄壁空心变截面墩，墩底设正方形承台加群桩基础，桥台均为重力式桥台。桥型布置图如图1所示。

3 监控内容

3.1 几何（变形）控制

无论采用何种工法，大桥施工控制原则是以变形控制为主，变形和应力综合考虑，严格控制各关键截面的变形和偏位，通过理论计算分析预测挠度发展趋势。主梁线形控制主要依据施工过程仿真计算和主梁各节段挠度及立模高程来实现，主梁挠度及高程调控是通过对梁顶、底高程进行监测，再结合理论分析值进行调控实现控制目标，前提要设立相应的施工监控网，通过对施工阶段主梁每节段高程实时跟踪监测，观测施工全程大桥线形的变化状况，以确保悬浇施工的合龙平面高差控制在规定允许的范围[2]。

该工程矮塔斜拉桥施工控制高程以成桥后10年作为混凝土收缩、徐变影响的控制条件，特殊情况下可根据实际情况适当延长计算影响时间。

3.2 应力监控

大桥的应力测试成果既可用于评判大桥施工过程中结构安全和成桥后的状态，反映大桥在各工况下的应力水平，又可用来评价施工质量，为同类型桥梁设计理论提供可靠依据。针对该桥梁而言，受设计参数、施工状态和桥梁计算分析模型误差等因素的影响，大桥实际应力水平与设计应力很难完全契合。对此，需要剔除结构非受力应变，在布设工作应力元件时，同时布设无应力计，测试结构非工作应力，从而计算获得大桥结构的实际工作应力[3]。

该工程在大桥上部结构及3号、4号桥墩的左右幅控制断面布设应力监测点，监测结构控制断面的应力变化及分布情况。可判定大桥在施工及成桥后主应力是否在设计及规范要求的控制范围内。

3.3 索力控制

对于该项目，拉索索力控制为最关键控制因素之一，其直接影响主梁及主塔的内力和线形。大桥在全施工周期精准测试各工况下的真实索力水平，再与理论值进行分析对比，对确保成桥后结构的设计内力和线形是相当重要的[4]。对此，要在上部结构施作之前对斜拉索的每步工况进行详尽地分析计算，并在大桥上部施工阶段，对拉索索力进行实时观测，适时调控，保证施工阶段结构受力和变形状态始终满足控制指标，保证顺利合龙。

该桥采用基频法进行索力测试，同时结合穿心式锚索计进行相互比对校核。由拉索张力与其基频之间建立关系，后续通过换算获得索力[5]。

3.4 主塔控制

主塔的结构强度应满足设计强度要求，关键截面实测应力值需不大于施工阶段理论计算容许应力，索塔尺寸和垂直度应在容许偏差范围;同时斜拉索的索力、倾角等均应满足设计要求[6]。索塔施工监测的主要内容有：主塔的标高、位移及倾斜度量测，主塔塔身控制断面应力测试等;拉索的锚点的位置复核，套管的倾角复核等。

主塔施工监控的目标是为了让大桥在所有施工步骤和成桥后恒载作用下的最终目标线形能够满足要求。主塔的施工控制有两个主要内容，包括：（1）塔柱根部应力监控;（2）塔柱线形监控。

4 仿真计算

在对浪滩坡特大桥施工阶段模拟计算分析时，计算模型利用有限元软件迈达斯Civil，将其简化为空间三维梁单元，斜拉索采用桁架单元建立，每个节段的悬臂现浇工况划分为：挂篮就位与调模→节段悬浇→预应力张拉→拉索张拉四个工序阶段。全桥结构的形成分为施工和运营阶段，让全施工阶段出现的荷载、边界约束、时程工序的调整都能在计算模型中得到直观地展现[7]。其计算结构模型如图2所示。

对于采用悬浇法施工的矮塔斜拉桥，后续节段是通过预应力束及混凝土与前一节段相接而成，因此，每节段施工工况都是紧密关联的。分析每个施工节段及成桥后结构的线形和受力特点就变得不可或缺。为了让结构成桥状态能达到设计及规范的要求，确定每个施工节段线形和控制应力是大桥悬浇施工过程中首要任务之一，控制主梁每节段的预拱度尤为重要。因为合龙前，两悬臂端高差应该尽量保持在同高程上。大桥施工和运营阶段，上部结构的线型及应力变化较为频繁，对此，可根据各施工阶段以及成桥状态的预测结果，在主梁施工之前，应对后续节段施工过程的内力和形变进行预测，作为后续节段施工过程控制的指标，在后续节段施工完成后，需根据实测值和理论计算值对比的结果，如果实测值与理论值存在较大差异，需分析产生差异因素并在后续节段施工中采取对应的调整措施。

为了更好地解决上述问题，在浪滩坡特大桥的施工控制工作中，从正装计算分析和实时跟踪监测分析两方面着手，相互矫正，让成桥状态的大桥线形、内力等方面均能满足设计指标要求。

5 监控成果分析

5.1 主梁线形及应力控制成果

线形及应力监测数据是评价成桥线形及内力状态最主要的依据。为尽量减小桥址环境温度的影响，变形的监测需安排在温度较为恒定的时间段，在早晨结构未受阳光辐射气温影响之前进行。在全施工过程，重点监测工况包括：每施工节段浇筑前后、张拉预应力后和合龙前后的线形、应力变化值。应力监测与变形观测同步。

观测成果的准确性是进行最优控制的前提。对每施工节段的变形及应力的监测，需进行详尽对比分析。这里仅给出大桥合龙后主梁挠度及应力实测数据与理论值的对比图，如图3。

该次对浪滩坡特大桥考虑成桥10年后收缩徐变系数设置了足够的预拱度值。经过对大桥合龙后实测高程值与理论高程值的对比分析、相对高差测量等，主梁实测高程值与理论高程值偏差较小，成桥线形满足设计及规范要求，达到了预期控制目标。

重点列举0号节段应力值，监测应力反映的是随施工过程该控制截面的应力变化（如图4、图5）。成果显示大桥施工阶段应力变化均匀，未见异常，应力值偏差控制在容许范围，满足設计及规范要求。

5.2 索塔位移及应力控制成果

在浪滩坡特大桥施工监控过程中，对每一工况，依据监测数据不断调整施工控制参数，从而精确的模拟分析结构真实状态，见表1。针对每个工况，均对实际监测应力数据参照理论值对比分析，对实测数据作详细分析。现将塔身每节浇注完成和主梁浇筑后实测结果与理论结果对比如图6、图7。

5.3 拉索索力监控成果

对于斜拉桥，斜拉索索力是最为关键因素之一，会直接影响主梁及主塔内力、挠度，对此，不仅要在施工之前对大桥的索力在主梁每节段进行详细的计算及分析，还要在施工全过程，对已张索力实时跟踪监测，根据实际情况择机调索，确保大桥在全施工过程的结构应力和形变始终满足设计及规范要求，保证顺利合龙。

浪滩坡特大桥对斜拉索的监测主要体现在斜拉索施工张索阶段以及成桥后索力监测阶段，每根斜拉索均设测点，测点位于拉索根部和主梁上部1.2 m处。为了保证斜拉索索力满足设计和施工要求，施工中采用锚索计和频谱法两种方法对斜拉索索力进行索力监测，主要以锚索计监测为主，频谱法为辅。在成桥索力监测中，以频谱法为主，锚索计监测为辅。现将拉索实测索力与理论索力对比如图8。

6 结语

综上所述，对大桥全施工过程予以严格控制来满足安全方面的要求。其中，高程偏差不超过±20 mm，相邻两个阶段的高差不超过10 mm，合拢高差不超过20 mm，合龙时悬臂端高差满足小于技术指标限值，全桥线形平顺度良好，体系转化后内力状态与设计及规范吻合。对关键控制截面进行应力监测，所有块段挂篮移动前后→浇筑→张拉分别测量各控制截面实际内力，根据关键控制截面应力实时监测结果为后续桥梁施工提供精确指导。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，处于施工状态的预应力结构，主梁混凝土强度等级为C55时，最大压应力不超过24.85 MPa，最大拉应力不超过1.918 MPa，该桥有效预应力可靠，主梁应力未超限，大桥实际受力状态满足设计及规范要求。实测索力值在允许±3%范围内，成桥后主塔基本垂直，倾斜度偏差小于塔高的H/3000，索力、塔偏满足设计文件及相关规范。在浪滩坡特大桥施工过程，监控单位密切跟踪每个施工环节，成功将施工控制技术用于该桥的工程建设中，由此确保该桥顺利合龙，并正常通车运营。该桥梁项目的施工监控在不同方面都得到了很大的提高，形成总体报告，可以为之后其他类似桥梁施工提供参考借鉴。

参考文献

[1]史娣.西岭互通特大桥矮塔斜拉桥设计[J].高速铁路技术，2010（Z1）：181-185.

[2]张志刚，向艳华.悬臂灌注大跨度刚构连续箱梁线形控制[J].科学之友，2008（18）：119-121.

[3]李嘉.浅谈斜拉桥结构应力及斜拉索索力监测[J].建设科技，2014（10）：115-116.

[4]刘振勇.桥梁施工监控方案[J].交通世界，2009（7）：86-87.

[5]刘志军，芮筱亭，王国平，等.考虑垂度效应的索力振动测量的传递矩阵法[J].南京理工大学学报，2013（4）：608-612.

[6]郭彬立，韩学敏，陈庆军.苏拉马都跨海大桥主桥上部结构设计[J].公路，2011（1）：86-93.

[7]杨奇，冷伍明，聂如松，等.大跨径预应力混凝土连续刚构桥施工监控分析[J].铁道科学与工程学报，2010（1）：11-15.