苏通大桥施工构件尺寸偏差对主梁线形影响分析

莫慧兰， 张震韬， 徐文胜

(1. 湖北省路桥集团有限公司， 湖北 武汉 430000；2.呼和浩特市公路工程质量监督站， 内蒙古 呼和浩特 010011；3.华中科技大学 a.土木工程与力学学院; b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074)

为明确施工架设的各项控制精度要求以及主要的控制参数，需要对结构参数及其在可控范围内的误差进行影响分析，这样不仅可为状态调整与最优控制找到最佳的状态调整参数，减少参数识别的盲目性，同时也为合理确定各项参数的精度控制目标提供理论依据[1,2]。

斜拉桥结构体系中，对结构受力或线形影响较大的主要结构参数有[3～6]：荷载方面的梁段自重，施工临时荷载(施工设备，模板的重量等)；构件力学性能方面的材料模量，构件刚度(轴向刚度、弯曲刚度)；构件几何尺寸误差(构件长度、线形)；混凝土收缩徐变等。另外，施工环境影响(温度变化，风载作用)、主梁边、中跨的合拢技术及控制措施、临时约束的拆除方式(临时墩、塔梁临时锚固系统)、钢箱梁梁段现场连接方式(尤其是采用焊接连接时，梁段间焊缝收缩量的控制)等也是影响结构内力和施工线形的主要因素。

1 苏通大桥结构概况

苏通长江公路大桥位于长江下游，临近长江入海口，是目前世界上最大跨度的双塔双索面斜拉桥，主桥跨径为1088 m。大桥桥位区江面宽约6 km，大桥全长8206 m,主桥钢箱梁共分为17种类型、141个梁段，节段标准长度16 m、边跨尾索区节段标准长度12 m，钢箱梁全宽41 m。标准梁段最大起吊重量约450 t。塔柱采用倒Y形结构，分为下塔肢、中塔肢、上塔肢和横梁四部份，索塔高300.4 m。其中，下塔肢为钢筋混凝土结构，上塔肢为钢锚箱-混凝土组合结构。按初步施工方案和设计图纸，将苏通长江公路大桥主桥施工流程划分255个施工阶段，每个标准梁段施工分为5个阶段，即梁段起吊、梁段焊接、斜拉索一张、吊机前移、斜拉索二张。

2 施工构件尺寸偏差对主梁线形影响分析

制定精度控制标准是架设几何控制所面临的一个关键性问题。若控制要求过于宽松，可能导致施工过程出现过大的施工误差累积，从而严重偏离理想施工状态和最终成桥目标状态，给结构的安全和耐久性造成隐患。若限值过于严格，由于施工过程中客观存在的参数的不确定性和施工误差，难免需要在施工阶段反复调整索力和线形，使施工进度难以保证。因此，限制合理的架设精度目标值，同时使中间施工阶段的控制在实践上具有一定的灵活性，即采用适应性架设几何控制，将极大地方便施工。

本文对苏通大桥的构件尺寸影响因素进行了分析，研究其对苏通大桥施工过程主梁线形的影响规律，为施工控制精度的制定提供依据。按有限位移理论，采用ANSYS进行全桥三维空间结构非线性分析，主要考虑的非线性因素有：斜拉索垂度、大位移和P-Δ效应。在建立空间模型时，主要作了下列处理：

(1) 用“鱼刺梁”模拟主梁，主梁采用beam44模拟；

(2) 索塔采用beam44模拟；

(3) 斜拉索采用link8模拟，采用单根斜拉索用多链杆单元模拟的方法来考虑索的垂度非线性影响；

(4) 斜拉索与主梁之间的连接采用“鱼刺”与主梁连接，“鱼刺”用刚度很大(相对于主梁刚度)的beam4梁单元模拟；

(5) 塔、墩底部的桩基础采用弹簧单元约束的方法模拟。

斜拉桥结构由塔、梁、索三部分组成，几何尺寸偏差主要表现在塔高度和塔施工完成时的垂直度、钢箱梁的无应力线形和无应力长度、斜拉索的无应力长度等方面。

2.1 钢箱梁无应力长度偏差

钢箱梁节度长度误差敏感性分析采用了最大单悬臂模型， 因为此模型对主梁变位的影响大于成桥模型。此敏感参数考虑了钢箱梁节度长度增加及减少比例为2 mm/16 m时对主梁变形、结构内力及应力和索力的影响。最大垂直变位在单悬臂的中跨，当钢箱梁节度长度增加比例为2 mm时，中跨最大垂直变位为+271.8 mm，减少时为-271.6 mm，结果如图1所示。

图1 梁长尺寸偏差对成桥主梁线形的影响

2.2 钢箱梁无应力线形偏差

钢箱梁节段在工厂内预制成形，一般可以获得与计算无应力线形相同或者接近的制作无应力线形，但在现场安装时，由于节段间焊接变形和受力状态的不同，钢箱梁节段间夹角会与设计夹角发生偏离，会改变钢箱梁的无应力线形。为此，需要研究夹角变化对成桥状态的影响。由于顶底板烧焊时会发生不同收缩而改变夹角，研究时考虑了梁段焊接处每顶底板接缝收缩差±0.5 mm时对主梁变形的影响。如图2所示，最大垂直变位在边跨，当梁段焊接处顶底板接缝收缩差+0.5 mm时，中跨垂直变位为-1.4 mm，顶底板接缝收缩差-0.5 mm时，中跨垂直变位为1.4 mm。可见表现出整体同向性的顶底板焊缝收缩差对跨中钢箱梁线形影响不大，但对边跨钢箱梁影响较大，这是由于边跨钢箱梁跨度小，表现出较大的整体刚度。但需要注意，随机性顶底板焊缝收缩差会对主梁局部线形和局部索力分配造成影响，钢箱梁焊缝顶底板收缩差值必须有效控制在一个可接受的范围内。

图2 整体同向性顶底板焊缝收缩差对钢箱梁线形影响

2.3 斜拉索无应力长度偏差

研究时改变拉索无应力长度，其他参数保持不变。考虑了增长及减少拉索长度比例为1/20000对主梁变形、结构内力及应力和索力的影响，如图3所示。从主梁变位可见，最大垂直变位在中跨，当拉索增加比例1/20000时，为-121.2 mm，减少比例1/20000时，为+121.3 mm，可见斜拉索无应力长度的控制非常重要。

图3 斜拉索无应力长度变化对钢箱梁线形影响

2.4 索塔高度偏差

索塔的几何不确定性主要是指桥塔高度的调整。考虑到桥塔混凝土的徐变与收缩以及因施加的恒载而引起的索塔轴向缩短，一般在施工中均按照计算量(理论压缩量、收缩值、徐变值)把模板进行提升，从而将混凝土桥塔造得高一些，使得竣工后和设计标高比较一致。虽然可以把理论计算的补偿量分配给桥塔的几个节段，但是，当索塔锚固采用钢锚箱时，往往只在索塔下横梁处或中塔柱交汇点、拉索锚固区之下几个控制点进行补偿。国内施工或施控单位对此尚不够重视，通常以设计标高立模，未考虑补偿量，因而索塔标高误差相对较大。

按塔高+10 mm、+20 mm、+30 mm、+40 mm四种情况计算，在计算模型中，仅加高了上塔柱部分，这样处理只是变化了塔高和拉索的塔端锚点位置，不会影响结构的其它部分。基准状态为设计塔高，四种变化均以基准状态得到的安装线形为计算的初始线形和保持斜拉索无应力长度不变，然后分别变化塔高进行计算。塔高变化导致的线形变化如图4所示。由图4可知，塔高增加40 mm时，主梁线形的变化在-1.0～107.3 mm之间。塔高偏差也是不容忽视的问题。

图4 主梁线形随塔高的变化

2.5 索塔施工垂直度偏差

在施工过程中，由于种种原因，沿塔高方向塔轴线的可能偏离设计位置。按三种情况考虑这一因素的影响，第一种情况南、北索塔同时向江侧偏技术规范值、L/2000、L/3000、L/4000、L/10000；第二种情况南、北索塔同时向岸侧偏技术规范值、L/2000、L/3000、L/4000、L/10000；第三种情况南、北索塔同时向同一方向(如南通侧)偏技术规范值、L/2000、L/3000、L/4000、L/10000，L为塔全高，塔轴线偏离的分布按塔底为零、其余部分线性分布。在计算模型中实现时，不仅考虑了塔柱的偏离，也考虑了拉索塔端锚点随塔柱的移动。基准状态为设计位置，四种变化均以基准状态得到的安装线形为计算的初始线形和保持斜拉索无应力长度不变，然后分别变化塔偏进行计算。

塔轴线的初始偏离导致的线形变化如图5～图7所示。由图可知，两塔对称偏离轴线(同时向江侧或同时向岸侧)对主梁线形的影响较两塔轴线反对称偏离轴线(同时向南通侧或同时向苏州侧)要小，从数值上说，正对称偏离时也较反对称偏离时要大，但总体上影响不大。

图5 南北索塔同向岸侧偏对成桥主梁线形的影响

图6 南北索塔同向江侧偏对成桥主梁线形的影响

图7 南北索塔同向北侧偏对成桥主梁线形的影响

从以上分析可以看出，梁长、塔高、斜拉索长度对最终几何线形影响很大，所以在制作工厂和现场斜拉索安装时需要对塔端、梁端拉索锚固坐标进行精确测量，并根据实测数据在安装斜拉索前对索无应力长度进行修正。参照诺曼底大桥和多多罗大桥架设经验，由于长索的索力误差在长悬臂状态下更加容易引起主梁线形的改变，对苏通长江公路大桥等超大跨度斜拉桥，规定短索的误差容许范围为索长的1/10000，并将长索的索长控制精度要求提高到1/20000。

3 结 语

以苏通长江公路大桥为例，为研究关键结构参数对于控制结果的影响，探明各参数对于施工控制的重要性，为施工控制方案的制定、制造和施工阶段控制容许误差的确定、施工控制决策的制订等提供科学依据，对施工全过程结构参数敏感性分析进行研究，揭示了几何控制技术的主要控制参数，为苏通大桥的施工控制提供了控制标准。苏通大桥的高质量的建成通车，验证了本文的分析结论。

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