獨(dú)塔四索面空間異型斜拉橋施工控制技術(shù)

謝 韶

（宜昌虹源檢測(cè)有限公司 宜昌 443000）

1 工程概述

外灘大橋主橋?yàn)楠?dú)塔四索面異型斜拉橋結(jié)構(gòu)，索塔和主梁均為全鋼結(jié)構(gòu)，跨徑布置自西向東為225 m＋82 m＋30 m，全長(zhǎng)337 m。甬江中靠東側(cè)淺灘處設(shè)一主墩，與索塔固結(jié)，邊墩均在岸上。主跨不對(duì)稱(chēng)于整個(gè)江面，其中心與主航道中心對(duì)齊。全橋總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 全橋總布置圖

主梁采用分離式鋼箱梁，通過(guò)橫梁連為整體。索塔采用三角形斜塔結(jié)構(gòu)，向江東側(cè)傾斜，位于主梁中間。前塔柱從塔頭分出兩肢傾斜向下延伸，在橋面處與主梁固結(jié)，通過(guò)主梁后，豎直向下與主墩固結(jié)。水平桿連接前塔柱下端和后斜桿尾端。后斜桿與前塔柱相交于塔頭，與邊跨主梁間的橫梁固結(jié)，將塔頭強(qiáng)大的拉索拉力轉(zhuǎn)化為邊跨主梁軸向壓力。后斜桿穿過(guò)橫梁后，向下延伸與兩水平桿固結(jié)。斜拉索在塔上錨固于前塔柱塔頭部分，梁上錨固于內(nèi)外兩側(cè)腹板。在主橋兩側(cè)還通過(guò)挑臂設(shè)置了3 m寬人行道。

外灘大橋的施工過(guò)程［1］：①鉆孔灌注樁施工；②承臺(tái)施工；③墩柱施工；④塔墩固結(jié)段施工，同步搭設(shè)支架、水平桿以及邊跨鋼梁、后錨點(diǎn)壓重段鋼結(jié)構(gòu)拼裝施工；⑤前塔柱采用“豎拼豎轉(zhuǎn)法”施工，后斜桿采用整體吊裝與前塔柱連接，形成封閉三角形受力體系；⑥安裝并張拉邊跨斜拉索；⑦主跨鋼梁懸臂拼裝，同步安裝并張拉斜拉索，分次在后錨區(qū)段澆筑壓重混凝土；⑧主跨無(wú)索區(qū)搭設(shè)支架拼裝鋼梁，與懸臂端鋼梁合龍；張拉后錨點(diǎn)錨固吊桿；⑨橋面鋪裝及附屬工程施工，調(diào)整斜拉索索力。

2 外灘大橋施工模擬計(jì)算

由于本橋?qū)儆诋愋托崩瓨?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)造特殊，結(jié)合空間整體計(jì)算的目的和要求，對(duì)于主塔和主梁及橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬［2］。有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 外灘大橋有限元模型

通過(guò)對(duì)橋梁施工過(guò)程實(shí)施控制的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)大橋施工監(jiān)控相關(guān)技術(shù)資料的計(jì)算，校核施工監(jiān)控文件，協(xié)助監(jiān)控完成全橋的施工控制。大橋在施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和變形始終在安全范圍內(nèi)，成橋后索力、主梁線形、主塔線形等控制參數(shù)符合預(yù)先的期望，結(jié)構(gòu)本身又處于良好的設(shè)計(jì)內(nèi)力狀態(tài)，確保成橋狀態(tài)（包括成橋線形與成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力）符合設(shè)計(jì)要求［3］。同時(shí)，得出橋梁結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工工況中，以及成橋狀態(tài)下的斜拉索索力、主梁主塔制造線形、主梁主塔應(yīng)力等數(shù)據(jù)的理論值。

3 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

3.1 主塔施工階段

主塔施工階段監(jiān)測(cè)內(nèi)容：①在前塔柱豎轉(zhuǎn)前對(duì)前塔柱斷面進(jìn)行測(cè)試；②前塔柱豎轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了保證前塔柱豎轉(zhuǎn)的安全，在豎轉(zhuǎn)的過(guò)程中，前塔柱分階段進(jìn)行豎轉(zhuǎn)，前塔柱豎轉(zhuǎn)角度由0.12°逐漸變化為16°，測(cè)試其豎轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)力變化；③前塔柱豎轉(zhuǎn)完畢后其豎轉(zhuǎn)角度為17.5°，測(cè)試其豎轉(zhuǎn)后應(yīng)力結(jié)果；④前塔柱豎轉(zhuǎn)完畢后，對(duì)后斜桿進(jìn)行提升施工，后斜桿提升完畢后測(cè)試其應(yīng)力結(jié)果；⑤后斜桿提升完成后，確定主塔測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

前塔柱豎轉(zhuǎn)過(guò)程中各斷面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，在豎轉(zhuǎn)過(guò)程中斷面的壓應(yīng)力逐漸變大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材允許應(yīng)力值。在前塔柱豎轉(zhuǎn)過(guò)程中，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值變化趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)值與理論值相比，最大差值為5.91 MPa，最小差值為1.96 MPa，考慮到構(gòu)件應(yīng)力水平較低，實(shí)測(cè)值與理論值有一定的差別。

后斜桿提升后，斷面最大壓應(yīng)力為15.57 MPa，仍然小于鋼材允許應(yīng)力值，在前塔柱豎轉(zhuǎn)及后斜桿提升過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于安全狀態(tài)。

3.2 中跨主梁梁段施工階段

外灘大橋主跨Z0，Z1梁段采用支架施工，Z2～Z12梁段利用橋面吊機(jī)進(jìn)行懸臂拼裝，同步安裝并按照先邊跨后中跨斜拉索的順序?qū)嵤埨?，分次在后錨區(qū)段澆筑壓重混凝土；Z13，Z14和Z15梁段通過(guò)大型浮吊吊裝組拼焊接；縱向頂推Z13～Z15梁段，與Z12實(shí)施合龍。分別測(cè)試各個(gè)梁段施工階段的中跨主梁梁段應(yīng)力數(shù)據(jù)以及主梁標(biāo)高測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高結(jié)果，同時(shí)分別測(cè)試對(duì)應(yīng)階段的索力值。

3.3 合龍段施工階段

中跨合龍前對(duì)所有應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，Z10～Z14梁段標(biāo)高及Z11～Z9梁段索力進(jìn)行測(cè)試。合龍段合龍后，測(cè)試主梁和主塔各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值及主梁標(biāo)高測(cè)點(diǎn)值。

3.4 成橋施工階段

成橋施工階段，對(duì)外灘大橋部分斜拉索索力進(jìn)行10 d的調(diào)索，調(diào)索前對(duì)所有應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主梁標(biāo)高及所有索力進(jìn)行測(cè)試。斜拉索調(diào)索完成后，對(duì)全橋索力、標(biāo)高及應(yīng)力進(jìn)行通測(cè)。

通過(guò)施工階段主梁實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)得出鋼主梁測(cè)點(diǎn)中最大壓應(yīng)力為－53.93 MPa，最大拉應(yīng)力為47.29 MPa，主塔最大壓應(yīng)力為－128.38 MPa，最大拉應(yīng)力為94.21 MPa。所測(cè)應(yīng)力與理論值存在一定偏差，但均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定值。從應(yīng)力測(cè)量目的來(lái)看，為保證結(jié)構(gòu)的安全，起到了安全預(yù)警的作用。

施工過(guò)程中標(biāo)高的差值基本控制在3 c m以?xún)?nèi)，僅有少量超過(guò)3 c m，表明施工過(guò)程中以線形控制為主取得了較好的效果，調(diào)索完成后由于要適當(dāng)兼顧索力，橋面標(biāo)高與調(diào)索前相比略有改變，橋面標(biāo)高線形總體上要高于理論線形，最大高差為8.3 c m。

從施工階段數(shù)據(jù)可以看出，在懸臂施工過(guò)程中以線形控制為主，索力為輔，施工階段的索力誤差多數(shù)在5%左右以?xún)?nèi)，也有部分超過(guò)5%。個(gè)別索力超過(guò)5%。

4 成橋階段的監(jiān)測(cè)

4.1 主塔偏位

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，實(shí)測(cè)主塔偏位為－12.2 c m，理論主塔偏位為－14.0 c m，實(shí)測(cè)值與理論值偏差為1.8 c m，基本滿足要求。

4.2 主塔應(yīng)力

對(duì)主塔所有應(yīng)力進(jìn)行了全橋通測(cè)，其中主塔TI～TI斷面應(yīng)力測(cè)試值見(jiàn)表1。由測(cè)試數(shù)據(jù)知，主塔應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，符合要求。

表1 主塔TI～TI斷面應(yīng)力測(cè)試表 MPa

4.3 主梁線形

主橋恒載線形采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)法測(cè)試，主要測(cè)試主梁的高程。主梁線形測(cè)點(diǎn)布置為：測(cè)點(diǎn)橫向布置在左、右幅防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)，測(cè)試了左右幅主橋恒載線形。從測(cè)量結(jié)果可以看出，主橋恒載線形總體上較為光滑平順。

通過(guò)高程的實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值對(duì)比，主梁線形與設(shè)計(jì)值吻合相對(duì)較好，但線形總體上要高于理論線形，最大高差為0.102 m。

4.4 主梁應(yīng)力

對(duì)主梁所有應(yīng)力進(jìn)行了全橋通測(cè)，其中主梁1-1斷面應(yīng)力測(cè)試值見(jiàn)表2。由測(cè)試數(shù)據(jù)知，主梁應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，符合要求。

表2 主梁1-1斷面應(yīng)力測(cè)試表 MPa

4.5 斜拉索索力

對(duì)主橋在二期恒載鋪裝完成后的斜拉索索力進(jìn)行測(cè)試。恒載總索力與二恒鋪裝后理論恒載總索力的差值約為－2.3%，實(shí)測(cè)索力與理論值相比總體上略為偏小。下游側(cè)總索力與上游側(cè)總索力的比值為98.18%，下游側(cè)與上游側(cè)索力總體偏差不大，總體來(lái)看成橋索力控制較好。

通過(guò)對(duì)成橋階段的全橋通測(cè)，可以得出：

（1）外灘大橋恒載線形共測(cè)量24個(gè)斷面，測(cè)量結(jié)果表明，橋面線形平順，與理論值比較接近；但線形總體上要高于理論線形，最大高差為0.102 m。

（2）恒載作用下，單根實(shí)測(cè)斜拉索索力與理論值吻合，斜拉索索力大部分偏差在5%之內(nèi)，剩下小部分索力實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差在5%～10%之間。上下游總索力與理論值的偏差也在2%左右，索力總體情況較好。

（3）所測(cè)應(yīng)力與理論值存在一定偏差，但均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定值。從應(yīng)力測(cè)量目的來(lái)看，為保證結(jié)構(gòu)的安全，起到了安全預(yù)警的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

在外灘大橋主橋的施工控制過(guò)程中，通過(guò)施工模擬計(jì)算和分析，確定了主塔應(yīng)力和線形、主梁應(yīng)力和線形、斜拉索索力作為主要控制內(nèi)容，確定了施工控制內(nèi)容和方法，施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)工作的順利進(jìn)行，保證了全橋在各個(gè)施工階段的各項(xiàng)控制內(nèi)容都符合要求。同時(shí)在成橋階段進(jìn)行全橋通測(cè)，并與理論值相比偏差不大。因此，這種控制理論和方法在同類(lèi)型橋梁工程中具有一定的可行性。

［1］ 張艷麗，陳良春，廖德川.寧波外灘大橋異型斜拉橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)［J］.公路交通技術(shù)，2012（1）：75-78.

［2］ 鄭平偉，陳金州，于德偉.獨(dú)塔四索面空間異型斜拉橋的施工監(jiān)控計(jì)算［J］.橋梁建設(shè)，2011（2）：66-70.

［3］ 李衛(wèi)華，楊光武，岳 青，等.黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋鋼桁梁斜拉橋施工監(jiān)控［J］.橋梁建設(shè)，2013，43（7）：11-17.