独塔空间扭索面-全漂浮体系斜拉桥桥塔施工控制研究

郭 锋

（太原市城市建设管理中心，山西 太原 030009）

1 概述

太原市摄乐大桥位于山西省太原市摄乐街与汾河交点处。摄乐大桥为独塔空间扭索面全漂浮体系形式斜拉桥，桥跨组成（30+150+150+30）m全长为360 m，钢箱梁桥面标准横断面宽度为51.5 m，钢桥塔横桥向为“A”形，无横梁，总高113 m，其中，下塔柱为钢筋混凝土结构，高20.5 m；上塔柱和中塔柱均为钢结构，分别高33.18 m、59.32 m，斜拉索采用多股平行钢丝成品索，各跨索距均为10 m。摄乐大桥总体布置详见图1。

图1 摄乐桥立面布置图（单位：m）

2 有限元仿真计算分析

采用有限元仿真软件MIDAS Civil 2012，主桥几何尺寸、结构参数和实际施工顺序按照摄乐大桥主桥实际情况进行有限元建模分析，摄乐大桥主桥仿真模型共划分358个节点、298个单元、138个弹性连接以及22个施工工况等。其中混凝土主墩柱、钢混结合段、钢箱梁桥塔以及钢主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用索单元模拟以无应力长度进行模拟，主梁以及钢桥塔按照实际状态进行荷载模拟，其中横隔板采用集中荷载的方式施加在实际位置。主梁全梁段位于满堂滑移支架上，其施工方法按照实际施工顺序进行模拟，主墩墩底进行固结，主梁与墩连接为铰接，根据实际弯矩方向进行约束[1]。全桥模型见图2所示。

本文主要研究桥塔的线形以及应力的施工控制，所以以该桥独塔为计算对象进行单独模拟。独塔局部模型如图3所示。

图2 全桥结构模型图

图3 桥塔模型图

3 桥塔线形施工控制

本桥塔为“A”形桥塔，截面为扇形，截面高度从桥塔底部至顶部基本保持不变，截面宽度从桥塔底部至顶部按照缓和曲线进行变化。成桥状态下，桥塔受到截面法向压力、切面剪力以及弯矩。在这几个不同受力下，需要严格控制钢箱梁桥塔实际制造误差、安装偏差以及预判桥塔施工节段变形，在施工工程中通过实际监控手段，对应力以及位移分阶段进行采集，通过实际采集数据[2]进行综合分析，预测桥塔相关数据变化趋势，严格控制钢桥塔施工误差[3]，确保主桥施工完成后，桥塔结构的线形以及受力符合设计要求。

3.1 线形及变形测点布置

桥塔拼装施工时，理论数据结合实际采集数据，以监控指令的方式，向施工单位提供下一步施工数据，主要包含钢箱梁梁段的立模标高、钢桥塔预偏与预抬以及斜拉索的张拉等。按照监控方案，对应不同实际施工工况，及时捕捉主桥结构关键位置的应力与变形，并与理论数据进行对比，对需要调整的参数进行及时调整，使得成桥状态下的桥塔达到设计要求。

桥塔监测通过全站仪进行，在桥塔顶部与桥塔1/2位置附近分别布置测点，在测点上表贴小棱镜。测点纵向布置如图4。

图4 桥塔变形观测点布置示意图（单位：m）

3.2 桥塔拼装预拱度设置

根据有限元软件计算分析，桥塔水平最大偏移量达到15 cm，在桥塔塔身设置3个临时横撑后，第一道横撑与第三道横撑横桥向水平位移均在4 mm以内，第二道横撑横桥向最大水平位移3 cm，根据模拟结果，需对桥塔第一道横撑与第二道横撑之间的钢塔节段进行预偏以及预抬设置，考虑结构恒载和静活载一半的影响，给出了桥塔第一道横撑与第二道横撑之间的钢塔各节段拼装A、B主控制点预偏与预抬值以及理论安装坐标，如表1（见51页）所示。（节段含义：钢塔沿着高度方向划分成35个区间，每个区间称为一个节段如T9下指9号钢塔节段的下端面。）

图5 主控点布置图

4 桥塔应力施工控制

桥塔应力施工控制的主要内容，即通过有限元分析软件模拟实际施工工况，考虑结构恒荷载以及施工临时荷载最不利组合情况下，判断出桥塔结构最不利截面（即应力值较大处），通过最不利截面的位移与应力来评定该施工方案的可行性，并在这些截面位置处，安装相应类型的应力传感器，监测各个施工阶段下该截面的实际应力，通过实际应力与理论应力的对比，来评价该施工质量[4]。

摄乐桥塔分为下塔柱、中塔柱以及上塔柱，下塔柱为空心混凝土墩，中塔柱与上塔柱均为钢塔节段，根据最不利位置监测原则，在下塔柱空心混凝土截面布置预埋式混凝土应变传感器监测混凝土应力（截面位置如图6所示A-A、B-B所示），在整个全桥施工过程中，监测混凝土拉应力变化，对施工过程中混凝土开裂进行预警；由于钢混结合段向空心钢塔过渡存在截面突变，需在钢混结合段顶部处钢塔节段表面安装表贴式传感器，监测钢塔节段应力（截面位置如图6所示C-C、D-D所示）,桥塔测试截面布置见图7，每个截面安装4个传感器，如图7所示。其监测结果见表2所示。

表1 桥塔拼装预拱度及安装理论坐标 m

图6 桥塔应变测试截面布置示意图

图7 桥塔应变监测截面传感器布置示意图（单位：mm）

由于桥塔横撑的作用，在整个桥塔施工中，桥塔混凝土截面外侧传感器没有监测出明显的拉应力，与实际混凝土没出现裂纹相吻合，由于混凝土理论计算应力值过小，实测值又误差较大，使得实测值与理论值存在较大偏差，钢塔截面所监测的应力与理论应力基本吻合，应力均在可控范围以内。

表2 桥塔施工过程应力变化 MPa

5 拉索索力与主梁线形施工控制

太原市摄乐桥主梁梁高均为3.2 m左右，全桥为全漂浮体系，主跨300 m梁段荷载均由斜拉索承担荷载，全桥由64根斜拉索形成空间扭索面；该主桥结构决定了该桥刚度偏柔性，导致索力与主梁线形极难控制；同时在施工过程中，由于气候的影响，使得原来在调完索力再进行桥面铺装的工序变更为先进行桥面铺装后，再进行拉索与索力调整，该施工顺序的改变，使得实际主梁截面受力与理论存在差别，原有的索力张拉将会与成桥索力形成较大误差；这些因素使得摄乐桥的索力调整与主梁线形控制成为重难点。

为使摄乐桥的成桥索力与主梁线形与设计达到一致，拟决定以无应力索长的方式进行施工控制，即：以设计成桥索力和成桥线形为主要目标，计算出斜拉索无应力长度，并将无应力长度代入有限元施工模型，由此得到斜拉索的初张拉力，无应力索长计算公式为：

表3 拉索初张拉力及成桥索力控制

索力变量百分比=（实际索力-理论索力）/理论索力；斜拉索索力控制效果[6]由斜拉索索力变量大小决定。（拉索编号：拉索由桥塔塔身向边跨方向依次称为M1、M2…M16，拉索关于独桥塔身对称双索面分布，共计64根拉索。）

通过无应力索长控制可得：由于预拱度原因，斜拉索初始张拉较小，其主梁荷载仍然以满堂支架承担为主，待满堂滑移支架拆除后，斜拉索索力由于承担主梁荷载而迅速增加，最终成桥状态下索力与理论成桥索力相差值均控制在±4%以内，目标线形与成桥线形控制在3 cm以内。

图8 主梁线形对比图

6 结论

由于太原市摄乐大桥主桥结构新颖、受力形式复杂，且主梁以及主塔刚度较小，易导致主梁最终成桥线型与设计状态出现偏差。为全面监控桥梁结构的应力值与变形量，需对主梁以及钢塔的各个关键部位，进行应力应变观测点以及变形位移观测点布置，并对斜拉索进行索力测试，及时了解摄乐大桥主桥结构实际受力与变形状态，并对实测数据与理论数据对比分析，修改模型参数，为主桥施工提供相应的技术依据；该类型的监控方法能为同种类型的桥梁施工控制提供一定的参考价值。