平潭海峽大小練島水道橋施工監(jiān)控

何宇 李永強(qiáng) 樂(lè)思韜 郭輝 王玉鵬

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

鋼桁梁斜拉橋通常采用懸臂拼裝法施工。結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形在施工過(guò)程中不斷變化，經(jīng)歷復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換，施工過(guò)程中受測(cè)量、施工、環(huán)境等影響產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致每階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)無(wú)法與理想狀態(tài)完全一致。因此，須對(duì)鋼桁梁斜拉橋的施工全過(guò)程開(kāi)展監(jiān)測(cè)和控制。

國(guó)內(nèi)外在大跨度橋梁施工監(jiān)控方面廣泛采用閉環(huán)控制法和自適應(yīng)控制法。閉環(huán)控制是根據(jù)理想狀態(tài)與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的差別，按照某種性能最優(yōu)的原則，通過(guò)施工過(guò)程中的糾正措施，使得偏差已經(jīng)發(fā)生的結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。它最初由日本在20 世紀(jì)80 年代應(yīng)用于建筑施工監(jiān)控過(guò)程中。我國(guó)90年代初開(kāi)始在大跨度斜拉橋的施工控制中應(yīng)用閉環(huán)控制，其中以2000年建成的蕪湖長(zhǎng)江大橋?yàn)榇?。自適應(yīng)控制是在閉環(huán)控制基礎(chǔ)上增加一個(gè)參數(shù)識(shí)別的過(guò)程，通過(guò)若干階段的重復(fù)循環(huán)不斷修正參數(shù)主動(dòng)降低誤差。國(guó)內(nèi)從90年代開(kāi)始相關(guān)研究，在武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋中均有應(yīng)用。

1 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋是新建福州—平潭鐵路的關(guān)鍵性控制工程，大橋橋址位于海峽北口，具有風(fēng)大、水深、浪高、航道多、流速大、沖刷嚴(yán)重、潮汐明顯等典型外海環(huán)境特征。平潭海峽公鐵兩用大橋全長(zhǎng)16.338 km，其中公鐵合建長(zhǎng)度14.399 km［1］。從北至南依次跨越元洪航道、鼓嶼門(mén)水道及大小練島水道，3座通航孔主橋分別采用主跨532，364 和336 m的鋼桁梁斜拉橋。

大小練島水道橋?yàn)橹骺?36 m 的雙塔雙索面五跨鋼桁梁斜拉橋（圖1），全長(zhǎng)776 m。上層公路橋面除梁端無(wú)索區(qū)4.5 個(gè)節(jié)間為鋼桁混凝土結(jié)合橋面，其他均為正交異性板的板桁組合結(jié)構(gòu)整體橋面［2］。

圖1 大小練島水道橋立面布置（單位：m）

2 施工監(jiān)控原理及步驟

大小練島水道橋在國(guó)內(nèi)是首次采用大節(jié)段整體吊裝施工，施工過(guò)程中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)與實(shí)際情況之間存在誤差，導(dǎo)致橋梁施工時(shí)的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況與計(jì)算模型之間并不吻合。自適應(yīng)控制法將這些引起誤差的變量在施工過(guò)程中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，并將修正后的參數(shù)用于下一階段的結(jié)構(gòu)分析，在不斷的參數(shù)識(shí)別、修正過(guò)程中，使計(jì)算模型趨近于實(shí)際結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的有效控制?？傮w上基于自適應(yīng)控制原理，進(jìn)行斜拉橋正裝及倒裝的模擬計(jì)算［3-4］，在對(duì)應(yīng)施工工序開(kāi)始前作出預(yù)測(cè)，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制，如圖2所示。

圖2 施工監(jiān)控工作流程

3 施工監(jiān)控方法及內(nèi)容

大小練島水道橋施工控制計(jì)算采用空間結(jié)構(gòu)模型。斜拉橋塔柱和橫梁包括承臺(tái)均采用梁?jiǎn)卧M，承臺(tái)與基礎(chǔ)固結(jié)，如圖3（a）所示。大小練島水道橋主梁橋面為板桁組合結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)全部采用空間梁?jiǎn)卧?，加勁脅考慮到梁截面中；公路及鐵路橋面正交異性板通過(guò)板單元模擬，同時(shí)考慮了縱向U 肋對(duì)板厚的貢獻(xiàn)。其中上層及下層橋面系與主桁通過(guò)彈性連接的剛臂連接形成板桁組合結(jié)構(gòu)共同承受荷載。主梁節(jié)段模型見(jiàn)圖3（b）。采用等效彈性模量的桁架單元來(lái)模擬斜拉索。

圖3 大小練島水道橋索塔及鋼桁梁節(jié)段模擬

3.1 施工過(guò)程監(jiān)控計(jì)算

3.1.1 主梁安裝線形計(jì)算

施工階段主梁第i階段施工預(yù)拱度的輸出結(jié)果為主桁上弦節(jié)點(diǎn)在前i階段（包括第i階段）的累加總位移與預(yù)制拱度疊加的結(jié)果，如式（1），最終需保證結(jié)構(gòu)施工完成后的線形與設(shè)計(jì)線形一致。

式中：｛Hi｝為第i階段施工完成時(shí)上弦節(jié)點(diǎn)線形組；為預(yù)制節(jié)點(diǎn)線形組為前i階段上弦節(jié)點(diǎn)累加總位移組。

根據(jù)實(shí)際確定的施工順序和施工荷載情況進(jìn)行主梁的安裝線形計(jì)算，計(jì)算各施工階段結(jié)構(gòu)變形，據(jù)此計(jì)算相應(yīng)桿件的安裝高程。

3.1.2 斜拉索張拉計(jì)算

為使成橋后的結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定的最佳狀態(tài)，應(yīng)合理確定斜拉索初張力及張拉順序。由于二期恒載占整個(gè)恒載的比重較大，為防止支座出現(xiàn)負(fù)反力，部分斜拉索初張拉時(shí)不能張拉到位。因此，在施工監(jiān)控中設(shè)定2 個(gè)目標(biāo)狀態(tài)［5］：①因?yàn)橹髁盒铦M(mǎn)足彈性連續(xù)條件，將中跨合龍時(shí)的合龍口理想狀態(tài)作為中間目標(biāo)狀態(tài)；②將理想成橋狀態(tài)作為最終的目標(biāo)狀態(tài)，通過(guò)二次調(diào)整斜拉索索力來(lái)調(diào)整全橋狀態(tài)，使主梁結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力，拉索索力均處于合理狀態(tài)。

依據(jù)以下控制因素確定斜拉索的初張力：

1）中跨合龍狀態(tài)下斜拉索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。本橋?qū)⒅锌绾淆垹顟B(tài)作為施工監(jiān)控的中間目標(biāo)狀態(tài)，同時(shí)也作為斜拉索初張拉的目標(biāo)狀態(tài)，施工進(jìn)行至此主梁應(yīng)滿(mǎn)足彈性連續(xù)條件，由此來(lái)確定斜拉索初張力。

2）索塔豎向支座反力。承壓支座不能承受拉力，因此在進(jìn)行斜拉索初張拉的施工過(guò)程中應(yīng)確保支座不出現(xiàn)負(fù)反力。

3）塔梁間縱向臨時(shí)約束所承受的主、邊跨不平衡力。施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)為大懸臂狀態(tài)，斜拉索初張力應(yīng)保證其縱向不平衡力小于設(shè)計(jì)值。

4）施工過(guò)程中主梁的撓度控制。斜拉索的工廠制造長(zhǎng)度根據(jù)最終成橋狀態(tài)確定，因此在初張拉過(guò)程中要充分考慮主梁的撓度控制，保證主梁撓度在允許范圍內(nèi)，以免因撓度過(guò)大而導(dǎo)致斜拉索安裝困難。

3.2 施工監(jiān)測(cè)

3.2.1 應(yīng)力、溫度監(jiān)測(cè)

1）索塔應(yīng)力、溫度監(jiān)測(cè)。在索塔的下塔柱、中塔柱和上塔柱各布設(shè)1 個(gè)應(yīng)力、溫度測(cè)試斷面，共3 個(gè)斷面。索塔應(yīng)力、溫度測(cè)試斷面各布設(shè)6個(gè)應(yīng)力、溫度測(cè)點(diǎn)，全橋索塔共設(shè)應(yīng)變、溫度測(cè)點(diǎn)72 個(gè)。在整個(gè)主梁架設(shè)施工過(guò)程中對(duì)塔柱應(yīng)力、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2）主梁應(yīng)力、溫度監(jiān)測(cè)。主梁上的應(yīng)力、溫度測(cè)試斷面共布置3 個(gè)，見(jiàn)圖4。應(yīng)力、溫度測(cè)試斷面的布置不僅考慮在主梁懸臂架設(shè)［6］過(guò)程中主梁應(yīng)變、溫度變化監(jiān)測(cè)的要求，同時(shí)也考慮了成橋狀態(tài)主梁應(yīng)力、溫度監(jiān)測(cè)的要求，見(jiàn)圖5。C截面處斜拉索張拉過(guò)程中各桿件應(yīng)力變化如圖6 所示，可知施工過(guò)程中桿件理論應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值差值吻合度較高，施工控制較好。

圖4 大小練島水道橋主梁應(yīng)變、溫度測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

圖5 各桿件應(yīng)變、溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖6 施工過(guò)程中C截面各桿件應(yīng)力變化

3.2.2 變形監(jiān)測(cè)

1）主梁線形監(jiān)測(cè)。在主梁節(jié)段拼裝完成時(shí)立即讀取該節(jié)段前端臨時(shí)幾何測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)初始值及其他控制測(cè)點(diǎn)的幾何變化值；在斜拉索安裝、架梁吊機(jī)移動(dòng)后測(cè)量各控制測(cè)點(diǎn)的幾何變化值；在主梁合龍時(shí)、二期恒載鋪設(shè)完成時(shí)、索力調(diào)整時(shí)、施工荷載有較大變化時(shí)、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時(shí)均應(yīng)監(jiān)測(cè)各控制點(diǎn)的幾何變化值。

2）索塔偏位。主塔施工完成后，立即進(jìn)行初讀，在主梁節(jié)段拼裝、斜拉索張拉和調(diào)整等某一施工階段完成時(shí)測(cè)量主塔的變形；在主梁合龍時(shí)、二期恒載鋪設(shè)完成時(shí)、索力調(diào)整時(shí)、施工荷載有較大變化時(shí)、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時(shí)均應(yīng)監(jiān)測(cè)主塔的變形。

3.2.3 索力監(jiān)測(cè)

在安裝斜拉索時(shí)，測(cè)量該施工階段安裝的斜拉索及相鄰的3對(duì)索的索力；在調(diào)整斜拉索索力時(shí)，測(cè)量該施工階段調(diào)整的索及與這些索相鄰的3 對(duì)斜拉索索力；全部索力調(diào)整完成時(shí)，測(cè)試全橋斜拉索索力。

4 施工監(jiān)控重難點(diǎn)

4.1 大節(jié)段鋼桁梁吊裝

4.1.1 監(jiān)控難點(diǎn)

大小練島水道橋主梁結(jié)構(gòu)采用帶斜副桁的桁架截面，全部在工廠預(yù)制完成，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝，兩節(jié)間大節(jié)段鋼梁的制造及拼裝難度較大，精度不易保證。另外，主梁的結(jié)構(gòu)剛度大，調(diào)整誤差的方法有限。與混凝土斜拉橋的立模標(biāo)高相比，由于混凝土梁段現(xiàn)場(chǎng)澆筑，從而可以對(duì)主梁各個(gè)節(jié)段連接處的懸臂端標(biāo)高以及無(wú)應(yīng)力轉(zhuǎn)角進(jìn)行較大程度上的調(diào)整。而栓接鋼桁梁的拼裝過(guò)程中則不具備這樣的調(diào)整手段，同時(shí)轉(zhuǎn)角誤差由于誤差的積累對(duì)標(biāo)高具有非常大的影響。從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，鋼桁梁斜拉橋的線形控制較混凝土主梁斜拉橋的線形控制操作難度大。鋼桁梁的預(yù)拱線形在鋼梁制造階段已經(jīng)完全確定，現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)節(jié)段之間相對(duì)位置幾乎沒(méi)有調(diào)整的余地。節(jié)段間連接方式采用栓焊結(jié)合方式，施工監(jiān)控時(shí)靠焊縫間距調(diào)整標(biāo)高作用較小。

4.1.2 控制措施

預(yù)制節(jié)段采用架梁吊機(jī)吊裝就位，主梁線形在安裝斜拉索前通過(guò)臨時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制和調(diào)整；在安裝斜拉索后，通過(guò)張拉斜拉索調(diào)整主梁標(biāo)高。

4.2 合龍控制

4.2.1 監(jiān)控難點(diǎn)

橋面正交異性板與鋼梁已結(jié)合形成整體，剛度很大；合龍點(diǎn)為三維空間坐標(biāo)，而且縱向和豎向兩個(gè)方向在調(diào)整時(shí)相互影響，匹配難度大；橋面板和鋼桁梁、斜拉索共同作用，且合龍要經(jīng)過(guò)多次結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。

4.2.2 控制措施

合龍段設(shè)置了“長(zhǎng)圓孔+圓孔”的構(gòu)造，通過(guò)“分步走”的方式，將豎向和縱向相互影響的復(fù)雜合龍轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相互獨(dú)立的簡(jiǎn)單合龍，使合龍過(guò)程大大簡(jiǎn)化。

1）調(diào)整中線偏差。若兩端出現(xiàn)相對(duì)偏差，采用倒鏈在合龍點(diǎn)橫向?qū)?/p>

2）調(diào)整豎向偏差。懸臂端加減載，利用架梁吊機(jī)的前后移動(dòng)調(diào)整懸臂前端若干對(duì)斜拉索索力。根據(jù)施工實(shí)際情況，確定調(diào)整措施，以使得兩側(cè)合龍點(diǎn)相對(duì)豎向偏差最小，直至4根弦桿均穿入長(zhǎng)圓孔合龍鉸。

3）調(diào)整縱向偏差。長(zhǎng)圓孔銷(xiāo)栓穿入后進(jìn)行圓孔銷(xiāo)栓穿入工作，圓孔銷(xiāo)栓的穿入通過(guò)調(diào)整橋梁軸線方向位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。其措施有：在索塔處布置千斤頂縱向頂推施力；利用溫差的變化微調(diào)。由于氣溫的變化，鋼梁的長(zhǎng)度亦發(fā)生變化。選擇在縱向偏差值較小的氣溫條件下，在S04主塔處布置千斤頂向跨中側(cè)頂推，使縱向相對(duì)偏差值減小并趨于0，直到4根弦桿均穿入圓孔合龍鉸。抽去長(zhǎng)圓孔中的合龍鉸軸，使此時(shí)的合龍點(diǎn)處于鉸接狀態(tài)。然后進(jìn)行斜桿合龍，斜桿若不能閉合則在兩懸臂端掛設(shè)滑輪組，通過(guò)斜向?qū){(diào)整。

4.3 數(shù)據(jù)分析

大小練島水道橋施工控制的最基本要求是保證施工中的安全和結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力及結(jié)構(gòu)線形符合設(shè)計(jì)要求。在主梁的懸臂拼裝施工過(guò)程中，確保主梁線形和順、正確是第一位的。施工中以標(biāo)高控制為主，索力控制為輔。中跨合龍后平潭側(cè)與福州側(cè)斜拉索理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)照分別見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 合龍后平潭側(cè)索力

圖8 合龍后福州側(cè)索力

由理論值與實(shí)測(cè)值比較可知，主梁撓度差值基本保持在2 cm 之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程中對(duì)主梁線形的控制，合龍后全橋節(jié)點(diǎn)高程見(jiàn)圖9。同時(shí)斜拉索初張拉實(shí)測(cè)值與理論值差值保持在合理范圍以?xún)?nèi)，主梁線形和順、正確，初張拉索力控制正常。

圖9 合龍后全橋節(jié)點(diǎn)高程

5 結(jié)語(yǔ)

2018 年12 月28 日，新建福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋大小練島水道橋順利合龍，為福平鐵路早日通車(chē)打下了基礎(chǔ)。施工監(jiān)控保證了橋梁在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全并使得結(jié)構(gòu)最終趨向設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)。同時(shí)施工監(jiān)控的過(guò)程中也收集了橋梁結(jié)構(gòu)在成橋運(yùn)營(yíng)條件下無(wú)法獲取的重要資料，為今后橋梁的健康維護(hù)提供必要支持。