南浦大桥内力调整施工监控技术研究

邓一楠

（上海久事置业有限公司，上海200092）

1 工程概况

南浦大桥是上海市区第一座跨越黄浦江的特大型斜拉桥，于1991年建成通车。东接浦东南路及杨高路，西接陆家浜路与中山南路，总长8 629 m，设计通车能力为5万pcu/d，大桥由主桥和东、西引桥等三部分组成：主桥长846 m，为全漂钢-混凝土叠合梁斜拉桥，宽30.35 m，中孔跨径423 m，主塔高154 m，桥下通航净高46 m。

南浦大桥在运营过程中一直对其进行定期检测，现有数据表明，大桥浦西主塔沉降达416.44 mm，浦东主塔为157.78 mm，累计差异沉降达258.66 mm，按平均沉降量计，差异沉降速率为14.37 mm/a（见图 1）。

图1 南浦大桥主桥沉降现状图

分析认为：“大桥浦西和浦东部分都处于整体沉降状态。浦西主引桥各桥墩绝对沉降值之间的差异沉降最大为29.73 mm，浦东为28.53 mm，而浦西和浦东主塔之间的差异沉降已经达到了258.66 mm。造成大桥浦东浦西差异沉降的主要原因是上海地势的整体下降。”

2011年12月到2012年1月，通过局部索力的调整优化全桥特别是主梁跨中区域的受力。基本思路是增加中跨浦西侧9～22号索索力，并同时减小浦东侧9～22号索索力，每组索（同一编号的上游侧与下游侧索为一组索）索力的改变最大为700 kN。通过逐步地调整索力，消除不均匀沉降在主梁跨中区域产生的不利于结构安全的附加弯矩。图2为索力调整区域示意图，表1给出了拉索索力调整范围和索力值。

图2 索力调整区域示意图

表1 索力调整值一览表（单位：kN）

2 理论分析及测点布置

采用MIDAS建立全桥模型进行分析，钢主梁、横梁采用梁单元离散，混凝土板采用板单元模拟，拉索采用等效弹性模量直杆单元（考虑垂度影响）。计算模型如图3所示。

图3 计算模型

理论计算表明，在内力调整过程中，主梁应力变化和挠度变化主要集中在跨中区域、辅助墩顶，根据计算结果布置了相应的测试断面如图4所示。图5为主梁应力测点布置图。

图4 主梁应力测试断面图

图5 主梁应力测点布置图

3 索力监控方法

调索施工中索力的控制是唯一的控制手段，因此需要对其进行精确监控，采用的手段主要有三种：频率法、伸长量和油压表。采用三种方法平行测试：施工单位在张拉拉索时，记录索力初始值（以螺帽刚刚脱离锚垫板时的索力为准，通过插薄钢片来控制），然后根据指令对索力进行调整（增加或减少一定的张拉力），同时记录伸长量（伸长量通过螺母拧动的圈数来记录）；监控组采用频率法同时测试索力的变化，通过频率的改变来控制拉索的索力变化。

在实施过程中，遇到的主要问题有以下几个：

（1）油压表精度对索力的精确控制要求不匹配，如图6所示，张拉用的油压表最小读数为1 MPa，对应的索力约12 t，而此次调索时，索力的该变量最小为5 t，因此油压表读数要靠估读，存在一定的误差。

图6 调索时油压表读数图示

（2）伸长量控制：在调索过程中通过测量锚头的外露量来计算索的伸长量（见图7），这种方法概念明确，但是在实际操作中会遇到拉索退扭问题，导致其测试结果在某些索上也不是很可靠。

图7 锚头外露量测量实景

（3）频率法：测量拉索的自振频率，由于设计给出的调整方法是逐对调整索力，并且明确要求第一位的控制指标是索力的变化量。在索力调整完成后，最大索力变化量理论值不超过6.3%，对于这么微小的变化采用频率法控制非常方便，只要通过比较索力调整完成前后的拉索频率即可说明问题，且回避了通过频率计算索力时不同的假定带来的计算误差，而索力恰恰是与频率的平方成正比关系。

4 监控结果与分析

4.1 索力

采用上节中说明的三种方法来控制张拉索力，在每组索的张拉中，要求最少有两种方法的结果是吻合才判定张拉质量符合设计要求。

部分拉索在施工中出现了退扭现象，导致实测伸长量值不可信。退扭最为明显有ERN22、ERS22、ERS21和ERS19索，对这部分拉索，实测伸长量仅供参考；部分拉索张拉时由于多种原因造成油压表读数精度不够，特别是 ERN22、WRS21、ERN21、WRS20、ERS19和ERS20等，这部分索的张拉主要由频率法和伸长量这个参数进行控制；考虑到油压表控制张拉索力的确有困难，在18至9号索调整时，直接以伸长量作为施工单位的张拉指标，并以频率法进行复核，监测数据表明这种控制办法比油压表控制更为有效。

实测结果表明，频率法实测的索力变化量与设计值较为吻合，且与伸长量数据一致，表明调索过程中拉索的索力调整值符合设计要求。图8、图9给出了调索前后索力对照曲线图，可见索力的变化趋势与理论值吻合，之间的差值主要由于车辆活载、温度等因素产生。

4.2 主梁挠度

在每组索索力调整过程中，都测量了主梁的挠度变化。调索过程中，主梁线形变化较为显著的区域是中跨浦东侧4号索（A59和B59测点）到浦西侧4号索（A33和B33测点）之间，其他区域的主梁挠度很小，与理论计算比较吻合。

图8 索力变化量实测与理论值比较曲线图（一）

图9 索力变化量实测与理论值比较曲线图（二）

根据施工过程中的实际温度变化和索力调整值进行了全过程的分析计算，索力调整完成后调索产生的主梁挠度和运营过程中不均匀沉降产生的主梁挠度基本抵消，相关曲线绘于图10和图11中，说明此次调索达到了抵消主梁跨中区域不均匀沉降产生的挠曲变形的预期目的，可见浦东侧最大下放55.5 mm，浦西侧最大上抬32.0 mm，两侧不均匀的原因有两个，一是索力调整时浦东侧索力变化值大于浦西侧，二是调索前后有一定温度差；实测主梁最大正负挠度绝对值之和为87.5 mm，设计理论计算值为97 mm，实测值与理论值基本吻合。

4.3 主梁应力

主要通过监测钢主梁下缘应力变化来反应主梁弯矩的变化量，在考虑温度修正后，索力调整在浦西侧和浦东侧钢梁底缘产生的最大应力实测值分别为-19.4 MPa和20.4 MPa，与设计给出的沉降产生应力理论值相叠加后，应力值分别下降到4.5 MPa和-6.1 MPa（见表2），使不均匀沉降而导致的主梁跨中区域应力得到了有效释放，释放比例分别达81.2%（浦西侧）和77.1%（浦东侧）。

5 结语

（1）索力调整过程中，通过频率法、伸长量和油压表三种手段来控制张拉过程，至少有两种方法的测试数据吻合才认为拉索索力调整到位。除个别索由于退扭等原因造成伸长量不可信以外，调整的索力基本都保证了伸长量实测值与频率法实测值相吻合。索力调整完成后，全桥拉索的索力变化规律与理论值吻合，最大索力变化量为256 kN，约为索力的5%。

（2）实测主梁挠度和应变的变化均反映出不均匀沉降而导致的主梁跨中区域应力得到了有效释放，且理论值与实测值吻合较好。说明该项内力调整达到了改善结构受力的预期目的。

图10 下游侧调索完成后主梁挠度变化曲线图

图11 上游侧调索完成后主梁挠度变化曲线图

表2 跨中附近钢梁应力变化一览表（单位：MPa）