混合梁斜拉桥的静力分析与施工控制

马志伟

摘要：针对超大跨度混合梁斜拉桥建设面临的挑战，提出基于几何控制的全过程施工监控的观点，建立完善的施工监控体系，确保大桥建成后内力及线形满足理想状态要求。施工实践表明，实测数据与理论计算吻合很好。

关键词：斜拉桥；控制；施工监控

中图分类号：K928文献标识码： A

一、混合梁斜拉桥的结构特点及受力特性

1、斜拉桥结构的受力特性

斜拉桥的上部结构是索塔、主梁、斜拉索三种基本构件组成的高次超静定结构体系。其中斜拉索两端分别锚固在主梁和索塔上，通过斜拉锁将主梁的恒载和活载传递到索塔，然后传递到地基。斜拉桥的主梁就像是多点弹性支承连续梁，利用斜拉索作为主梁的弹性支承，大大降低了主梁的弯矩，改善了主梁的受力状态，使得主梁截面尺寸可以大幅度的减小，节省了材料，而且由于结构自重的减轻，·又能大幅度的提高主梁的跨径。由于拉索在主梁上产生的水平分力和在索塔上产生的竖向分力，使得主梁和塔柱承受压力，而斜拉索承受拉力，这就充分发挥了钢材受拉，混凝土受压的特性。因此，在大跨度桥梁结构方案的比选中，斜拉桥因其简明的结构受力，优美的线性，良好的刚度，较为经济的材料费用，和良好的抗风能力等众多优点而受到广大设计人员的喜爱。

2、混合梁斜拉桥的结构特点

混合梁斜拉桥的主梁由混凝土和钢材结合而成，一般为边跨采用混凝土主梁，中跨采用钢主梁，外形上要求混凝土主梁和钢主梁的轮廓基本一致，以保证平顺的过度和两种不同材料主梁的完美结合。混凝土主梁一般伸入主跨一小段距离，在受力方面上考虑一般将结合段设计在主跨弯矩和剪力都较小的位置，当然还要考虑到施工方便和造价两个方面。混合梁斜拉桥的主梁主要结构特点有：主跨为钢箱梁，减小主梁自重，增加跨越能力，钢箱梁地面加工，悬臂拼装，施工周期短。边跨为预应力混凝土梁，刚度和稳定性较好，通过斜拉索可以对主跨起到良好的锚固作用。而且边跨一般在岸边，采用支架现浇施工，施工方法简单且施工进度快。

二、工程概况及监控目标

本文以国内首座千米级混合梁斜拉桥为工程为例，主梁为钢－混凝土混合梁，中跨为 PK 断面钢箱梁，边跨采用截面形式相同的混凝土箱梁；钢混结合段设在中跨距索塔中心线 12.5 m处；南北塔每侧边、中跨各 30 对斜拉索。其跨径布置为1476m的半漂浮体系斜拉桥。全桥结构布置如图1。

本桥基于几何控制理论进行施工监控，对大桥施工期线形、索力及应力等内容进行有效的控制和调整，从而保证结构在制造及安装阶段变形及内力处于安全、合理的可控范围内，降低误差，最终成桥时结构内力和线形均符合设计要求，并且与理论期望值的误差最小。

1、施工监控特点及总体控制思路

本桥因造型独特，监控期面临以下困难及特点。边跨为混凝土，结构自重及刚度大；中跨钢结构，自重相对轻、刚度小。因此，边中跨跨度、结构刚度、变形以及材料特性均相差较大，非线性效应显著，无论是几何形态还是物理变化均呈现较大的不对称。边中跨、索塔施工方法差异大。边跨采用支架现浇施工，支架沉降、混凝土收缩徐变对全桥内力及线形影响较大；中跨钢箱梁及钢锚箱采用工厂预制，现场拼装，因节段多，误差的累积将严重影响桥梁线形及受力。由于大桥的修建经历较长工期，温度、施工临时荷载等外因的影响不容忽视。桥面宽度38 m，需考虑主梁第一、第二、第三体系对结构的影响，对监控提出了更高的要求。由于结构复杂，跨径大，施工监控测点众多，且测点的距离远近不一，准确、及时地进行施工量测是保证高质量监控的必要条件。

本桥施工监控实施前，需从以下几方面建立一套完善的控制总体思路，从而保证监控质量。首先建立完善的斜拉索、索塔及主梁控制体系，并多套软件配合使用，确保计算的正确性，进行结构线形、内力及应力分析控制。边、中跨差异大，根据其施工特点及敏感性分析结果，对于中跨采用几何线形控制为主，以无应力索长和索力进行调控辅助；边跨因浇筑结束，线形调整受限，悬臂施工期主要以混凝土梁应力、索力控制为主，避免梁体开裂。钢主梁及钢锚箱因采用工厂预制，现场吊装的方法施工，其制造线形及自重对安装线形的影响较大，需加强制造阶段的监控；每一批钢主梁及钢锚箱制造结束后需进行模型计算更新并开展线形评价，指导下批次的加工制造以及后续安装阶段的调整；拉索及梁长的制造误差、梁段轴向压缩、拉索锚固误差均对桥梁标高产生影响，是施工控制的重要因素。施工期温度、临时荷载、混凝土收缩徐变的影响需在每一个施工阶段进行修正。建立完善的监控测试系统，如：主梁及索塔变形及受力监测系统、监测与控制数据的冗余纠错系统、温度测量分析系统、基于神经网络的平差系统，以达到加强数据监测和采集速度，提高监测效率。

2、监控内容及总流程

计算分析阶段

该阶段的主要内容即对全桥建立分析模型，首先进行参数敏感性分析，确定影响结构内力及线形的敏感参数，为容许误差的建立奠定基础；其次，通过计算分析，确定各构件的无应力尺寸及各阶段的加工尺寸，对于边跨支架现浇混凝土主梁确定其立模标高；最后，进行阶段安装分析，确定各阶段理想目标线形及合理内力，建立预警机制。

阶段预制阶段

评估及确定建造过程的可靠性和准确性；对每批次的制造加工成果进行评估，确认误差传递及累积情况，及时更新及纠正后续梁段制造参数，为安装及误差调整提供依据。

现场安装阶段

该阶段是桥梁建设的重要环节，与制造阶段相辅相成，因此需建立完善的现场几何监测系统，加强索塔、主梁、钢混结合段、拉索的控制，并对施工中出现的问题提供建议，进行误差分析与调控。基于几何控制的超大跨度混合梁斜拉桥施工监控总流程如图 2。

3、施工监控主要对象

几何控制以变形为控制目标量，亦可建立变形与受力之间的协调关系。控制过程中，需加强构件的变形控制，对关键构件及部位需加强内力及应力的调控。施工监控的主要对象如下。

索塔：钢锚箱应控制其无应力构形及安装线形；控制塔偏；准确进行索套管的定位。

主梁：对于中跨钢箱梁严格控制其无应力线形及安装几何位置；边跨需准确计算其立模标高；边中跨竣工线形应满足理想状态要求。

斜拉索：拉索作为重要的受力及传力构件，严格控制其无应力长度、拉索锚点坐标。

受力状态：拉索施工及竣工索力；主梁、索塔施工和竣工期应力状态。

线形误差容许值：由于施工误差不可避免，并考虑到混凝土收缩徐变对结构线形和内力的影响，在基准温度 20℃下。

4、施工监控成果

采用上述监控体系进行全过程控制，中跨及边跨成桥线形如图 3、图 4。

从图 3、图 4 可看出，边中跨成桥线形平顺、光滑，与成桥设计目标线形吻合良好。中跨最大线形误差132 mm，边跨最大线形误差 11 mm，均满足施工控制精度要求。考虑到南北岸结构、受力对称，以北岸为研究对象，边中跨索力对比如图 5。基于几何控制的全过程自适应控制可得到很好的监控效果，成桥内力及线形均能满足理想状态要求。

结语

采用基于几何控制理论的全过程自适应施工监控具有高效易实施等特点，为千米级混合梁斜拉桥的监控带来新的控制理念，是我国在该领域的重大突破，为同类型桥梁的施工及监控提供参考。

参考文献

[1]陈明宪.斜拉桥的发展与展望[J].中外公路，2009

[2]徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2009