部分斜拉橋施工控制特點

孫測世，周水興，童建勝

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

部分斜拉橋是近年來興起的一種橋型，自1994年日本建成首座部分斜拉橋以來，瑞士、菲律賓、老撾、韓國等國也相繼修建［1］，在我國也有較大的發(fā)展。目前，我國已建和在建的部分斜拉橋超過30座，且越來越受到橋梁工作者的重視。部分斜拉橋受力良好，在跨度介于梁式橋和普通斜拉橋之間的橋梁和對剛度要求較高的鐵路橋梁中有很強的競爭力;當修建斜拉橋塔高受到限制或多塔剛度較難滿足時，也是很好的選擇［1］;同時在一些對美觀要求較高的市政橋梁中也占有重要地位。目前，對部分斜拉橋施工控制的研究很多，孫建淵等［2］介紹了漳州戰(zhàn)備大橋的施工控制基本原理與方法，王軍璽［3］、張善等［4］都建立了以主梁線型控制為主，兼顧斜拉索索力和主梁應(yīng)力的監(jiān)控體系，劉漢順等［5］從應(yīng)力、索力、位移的測試等方面介紹了蕪湖長江大橋的施工控制方法，高飛等［6］從主墩、主梁、主塔和斜拉索4方面介紹了平頂山市湛河一橋的施工控制。部分斜拉橋受力并不與普通斜拉橋完全相同，因此，其施工控制存在著自身的特點，值得注意。目前，對部分斜拉橋施工控制特點的探討較少且比較零散，谷定宇［7］提到了斜拉索索力對主梁線形控制及主梁撓度對斜拉索導(dǎo)管角度的影響特點，李傳習等［8］提到了索力測量時應(yīng)考慮短索單位索重修正的特點。筆者以龜韭溝大橋為例，從部分斜拉橋結(jié)構(gòu)尺寸和受力特點出發(fā)，結(jié)合實際施工控制的方法和成果，詳細地探討了部分斜拉橋施工控制特點。

1 龜韭溝大橋工程概況

龜韭溝大橋位于寧夏石嘴山市白銀路延伸段，是國道110線在大武口區(qū)的過境段。主體結(jié)構(gòu)為單塔雙索面部分斜拉橋，塔梁固結(jié)，梁底設(shè)支座，橋跨布置為30 m+2×70 m+30 m;橋面寬61 m，路線中心梁高2.8 m，斜拉索錨固處梁高2.48 m，雙箱三室截面。大橋位于圓曲線上，曲率半徑R=1 000 m。平行雙索面斜拉索，與水平面夾角25°，每個索面9對，從主梁根部向外編號依次為C 1～C 9。主梁道路中心線基本索距5 m，內(nèi)外側(cè)索距以此沿圓曲線徑向擴散推算，外側(cè)5.092 m，內(nèi)側(cè)4.912 m。主塔高33.50 m，塔上索距按角度推算，每根索均不同，曲線內(nèi)外側(cè)塔也不一樣。斜拉索經(jīng)塔內(nèi)轉(zhuǎn)向鞍座，對稱錨固于梁體底部。整體布置和主梁分段見圖1。

圖1 整體布置與主梁分段圖(單位：cm)Fig.1 Elevation and girder segments

大橋采用支架現(xiàn)澆的施工方法，施工步驟為:澆注主梁各梁段;依次張拉斜拉索C 1～C 3，澆注后澆段2～3#;依次張拉斜拉索C 4～C 6，澆注后澆段3～4#;依次張拉斜拉索C 7～C 9，澆注后澆段4～5#;最后澆注合龍段至成橋竣工。

2 施工控制方法及成果

施工控制原則上以設(shè)計索力為基礎(chǔ)，根據(jù)施工控制測量數(shù)據(jù)和計算的線形與應(yīng)力結(jié)果，對索力進行合理的調(diào)整，以確保施工過程應(yīng)力不超限及成橋線形和應(yīng)力合理。

2.1 計算方法與原理

采用Midas/Civil，用梁格法建立大橋有限元模型。梁格法分析原理是使梁格節(jié)點與實際結(jié)構(gòu)重合的點承受相同撓度和轉(zhuǎn)角時，梁格產(chǎn)生的內(nèi)力局部靜力等效于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。其實質(zhì)是將傳統(tǒng)的一維桿系計算模型或板推進到二維網(wǎng)格計算模型，將結(jié)構(gòu)的重量和剛度集中到縱向和橫向桿件上，用一個二維網(wǎng)格來模擬結(jié)構(gòu)的受力特性。各構(gòu)件截面特性計算見文獻［9］。

2.2 線形控制

一般斜拉橋線形控制主要依靠斜拉索索力和立模標高來實現(xiàn)，但部分斜拉橋主梁剛度大，線形控制應(yīng)主要依靠立模標高，索力的效果并不明顯。監(jiān)控根據(jù)實測標高與理論值的差值，不斷地修正計算模型。同時通過立模標高和索力對標高誤差進行調(diào)整，使標高朝著理想的狀況發(fā)展，最終使成橋線形滿足要求。在曲線內(nèi)外側(cè)同時布置高程測點，這樣即能觀測主梁高程也能了解主梁扭轉(zhuǎn)狀況。監(jiān)控得到的合龍狀態(tài)內(nèi)外側(cè)主梁各梁段高程見表1。另外，在索導(dǎo)管安裝時注意標高誤差對導(dǎo)管角度的影響，并保證定位準確，以避免給斜拉索穿束和張拉帶來不利影響。

表1 內(nèi)外側(cè)高程與理論值比較Tab.1 Elevation differences /m

2.3 應(yīng)力控制

在大橋主塔和主梁控制截面布置應(yīng)力觀測點，以觀察施工過程中應(yīng)力變化及應(yīng)力分布情況。同時不斷根據(jù)實際施工調(diào)整計算模型，預(yù)告今后施工可能出現(xiàn)的狀態(tài)并預(yù)報下一階段當前已澆注梁段或即將澆注梁段是否出現(xiàn)不滿足強度要求的狀態(tài)?？刂平孛孢x取跨中截面3#、內(nèi)力最大截面1#和根部截面0#(圖1)。截面測點布置如圖2。

圖2 應(yīng)力傳感器布置Fig.2 Sensors arrangements

一般實測應(yīng)力比理論值大，這是由于實測應(yīng)力包含混凝土收縮徐變引起傳感器變形?？梢圆捎梦墨I［10］的方法:在施工現(xiàn)場用混凝土做一個試驗塊，在試驗塊中埋應(yīng)變計，測出不同時間混凝土的收縮量，再對實測值加以修正，但試驗塊理論厚度和實際結(jié)構(gòu)必然存在一定差異，且實際結(jié)構(gòu)施工過程中的收縮徐變是在受力狀況下產(chǎn)生的，這都會帶來一定誤差。筆者采用的方法為:從計算模型中提取出各施工階段傳感器位置混凝土收縮徐變應(yīng)變，如圖3，模型中埋植有傳感器的單元長為l，傳感器長為l′，提取出收縮徐變工況下單元兩端軸向位移 xi和xj，則傳感器的混凝土收縮徐變應(yīng)變再對實測應(yīng)力加以修正。只要計算模型的相關(guān)參數(shù)正確，該方法應(yīng)該是可行的。

圖3 傳感器混凝土收縮徐變應(yīng)變計算圖Fig.3 Strain of sensors due to concrete shrinkage＆creep

理論上剛澆注的混凝土在加載之前應(yīng)力為0，但由于混凝土澆注過程中傳感器可能會有不正常的變形，此時實測應(yīng)力不等于0，之后的實測值可扣除該值以更好的和理論值吻合。由于篇幅原因僅列出0#截面的6個測點在各階段實測應(yīng)力和理論應(yīng)力比較圖，如圖4。

圖4 應(yīng)力實測值與理論值比較Fig.4 Comparison of measurement to theoretic value

從圖4可知:斜拉索錨固腹板位置的測點2及2’與理論值吻合較好，其它測點誤差稍大，但數(shù)據(jù)的整體走勢較為吻合，對于施工控制還是具有指導(dǎo)意義的。誤差原因有多方面，主要有主梁剪力滯效應(yīng)、材料特性差異、溫度影響等。施工過程中主梁應(yīng)力不大，最大值僅12 MPa，這是因為部分斜拉橋主梁較高，應(yīng)力變化不如普通斜拉橋明顯。

2.4 索力控制

索力是改善主梁受力的有效手段。各斜拉索張拉力根據(jù)實際施工狀況確定，并保證成橋線形滿足要求以及應(yīng)力合理。本橋斜拉索為一次張拉，索力控制難度較大，采用等值張拉法張拉并嚴格控制油壓，張拉完成后采用索力動測儀對每根斜拉索索力進行復(fù)測，保證誤差在3%以內(nèi)。監(jiān)控得到的合龍狀態(tài)斜拉索索力實測值與理論值比較見表2。

表2 合龍索力實測值與理論值比較Tab.2 The differences of cable tensions

3 部分斜拉橋施工控制的特點

整體上，部分斜拉橋一般跨徑較小，剛度較大，結(jié)構(gòu)非線性不明顯，故施工控制中一般不需要考慮結(jié)構(gòu)非線性影響。筆者從線形、應(yīng)力和索力3方面具體探討其施工控制特點。

3.1 線形控制的特點

1)部分斜拉橋一般為一次張拉或少張拉，主梁剛度大，變形小，線形控制不能太多的依靠索力，而是更多的通過立模標高來控制，因此，應(yīng)綜合考慮掛藍變形(或支架沉降等)、結(jié)構(gòu)剛度、溫度效應(yīng)等因素影響，準確確定立模標高，并保證放樣精度。

2)主梁標高偏差引起斜拉索角度的偏差較大。如圖5，設(shè)斜拉索主梁錨固點標高偏差δ，則有Δθ≈cosθ(δ/l)，可知:標高偏差 δ一定時，θ和l越小，角度偏差Δθ就越大。部分斜拉橋一般跨度較小，拉索角度也較小，因此，相同的主梁標高偏差引起斜拉索角度偏差也大，也意味著斜拉橋與索導(dǎo)管角度偏差較大，這不僅影響斜拉索的安裝和張拉，更影響減震裝置的安裝和結(jié)構(gòu)的壽命。所以應(yīng)嚴格控制標高，必要時還可對索導(dǎo)管角度進行偏移。

3.2 應(yīng)力控制的特點

主梁剛度大，應(yīng)力變化不如普通斜拉橋明顯。以圖6矩形截面懸臂梁為例。

圖6 主梁受力比較圖Fig.6 Girder force diagram

兩剛度不同懸臂梁均承受力F時，主梁應(yīng)力之比σ1/σ2=W2/W1，若主梁寬度相等，則，部分斜拉橋主梁較普通斜拉橋高，所以對應(yīng)應(yīng)力變化不明顯。當主梁比普通斜拉橋高10%時，上下緣應(yīng)力小17.4%。

3.3 索力控制的特點

1)斜拉索一次張拉或少張拉，索力控制難度較大。實踐證明，采用等值張拉法并嚴格控制油壓表讀數(shù)是能滿足精度要求的。

2)斜拉索較短，索力測試時邊界條件對測試結(jié)果影響較大;斜拉索在主塔設(shè)置轉(zhuǎn)向鞍座，準確確定拉索振動長度較難。利用有限元方法算出一定張拉力下拉索震動的固有頻率，再確定震動長度或修正邊界條件影響［11］，也可對拉索進行標定。

3)從部分斜拉橋受力本質(zhì)來看，部分斜拉橋是介于梁橋和一般斜拉橋的一種體系，斜拉索只是對主梁受力起輔助作用，因而，施工控制應(yīng)以線形和應(yīng)力控制為主，索力主要起調(diào)整和改善結(jié)構(gòu)受力的作用。

4 結(jié)語

以龜韭溝大橋為例探討了部分斜拉橋施工控制特點，提出了一些注意事項和解決方法，希望能為更好的研究和完善部分斜拉橋施工控制方法提供一定參考。

［1］高飛.部分斜拉橋力學性能分析及施工控制研究［D］.鄭州:鄭州大學，2005.

［2］孫建淵，石雪飛.漳州戰(zhàn)備大橋施工工程控制［J］.橋梁建設(shè)，2002(1):38－40.

［3］王軍璽，郄才富，張自然.預(yù)應(yīng)力砼部分斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)研究［J］. 蘭州鐵道學院學報，2002，21(6):73－77.

［4］張善，盧明康，惠新.單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋施工控制技術(shù)及關(guān)鍵施工工藝的研究［J］.公路，2004(12):57－61.

［5］劉漢順，文武松.蕪湖長江大橋主跨斜拉橋施工監(jiān)控［J］.橋梁建設(shè)，2003，19(3):19 －21.

［6］高飛，陳淮，陳崢.矮塔斜拉橋的施工控制研究［J］.鐵道建筑，2008(4):1－3.

［7］谷定宇.矮塔斜拉橋施工控制仿真分析［D］.鄭州:鄭州大學，2006.

［8］李傳習，余支福，陳富強.矮塔斜拉橋施工監(jiān)控［J］.公路與汽運，2008(1):100－102.

［9］Hambly E C.Bridge Deck Behaviour［M］.(2nd edition).London:Clays Ltd，St Ives plc，1991:106－133.

［10］林玉森，張運波，強士中.矮塔斜拉橋的施工監(jiān)控技術(shù)研究［J］. 公路，2005(5):44－47.

［11］蘇成，徐郁峰，韓大建.頻率法測量索力中的參數(shù)分析與索抗彎剛度的識別［J］.公路交通科技，2005，22(5):75－78.