独塔混合梁斜拉桥施工控制技术研究

陈冠华

(福州市规划设计研究院 福建福州 350003)

1 概述

桥梁施工控制，是确保桥梁成桥线形和受力与设计成桥状态相符的关键，是衔接设计施工的重要技术环节，其主要内容是在桥梁施工过程中，控制桥梁的索力线形应力及温度等，到成桥时，桥梁的线形和结构内力与理论值的误差最小，符合设计要求。

斜拉桥的施工控制方法，有索力-高程控制法几何控制法和双目标控制法。索力-高程控制法，主要用于刚度较大主梁线性受温度变化较小的混凝土斜拉桥和跨度较小的钢斜拉桥中。几何控制法，是指在制造阶段对结构的无应力尺寸和形状进行控制，在安装阶段对结构几何形态进行精确控制，最终达到设计成桥线形和内力。而双目标控制法，则为这两种方法的综合。

混合梁斜拉桥由于其受力需要，边跨采用混凝土，主跨采用钢箱梁。混合梁斜拉桥施工控制的方法，应采用双目标几何控制法，即主要控制结构的无应力几何参数，包括钢梁的几何参数和斜拉索无应力长度；混凝土梁部分的基本控制指标为力学参数，整个过程的控制方法是基于索力和索长的双重控制。

2 桥梁概况

福鼎八尺门大桥主桥，采用(33+67+200) m独塔单索面混合梁斜拉，桥塔梁墩固结体系，如图1所示。桥梁设计荷载等级为城-A级，桥面宽33m，双向六车道。为改善结构的抗风性能，主梁采用流线型箱梁断面。主跨部分主梁采用钢箱梁，边跨主梁采用混凝土梁，外形与钢箱梁保持一致，梁高3.5m。钢混结合面位于主塔中心线向主跨方向偏移17.0m处。全桥钢箱梁总长183m，混凝土梁总长117m。独柱式混凝土主塔在桥面以上高84.41m，塔柱侧面有装饰性结构“风帆”。斜拉索采用扇形索面布置，梁上主跨索间距为12m，梁上边跨索间距为7m，塔上索间距为2m。全桥共设置15对索，主跨由塔往外侧编号分别为S1～S15，边跨由塔往外侧编号分别为M1～M15[1]。该桥于2012年10月完成设计，2014年3月开始施工，已于2018年6月竣工。

图1 八尺门大桥总体布置图

3 主要施工过程

八尺门大桥主桥的施工过程如下：①桥塔下塔柱完成后，安装墩旁两侧支架，浇筑混凝土箱梁CS3段；②安装边跨侧混凝土箱梁段满堂支架，分两次支架现浇混凝土箱梁CS2和CS1段；③安装主跨侧CS钢混结合段，对称张拉混凝土梁段和钢箱梁段第一对斜拉索S1和M1；④安装主跨侧架梁吊机；⑤通过架梁吊机依次安装主跨侧标准钢箱梁段S1～S13，并对称张拉对应的斜拉索S2～S14和M2～M14；⑥在主跨与引桥交接墩处安装支架，在支架上安装钢箱梁S15；⑦施工合龙段(标准梁段S14)，挂设并张拉斜拉索S15和M15；⑧拆除所有支架并调索，完成全桥施工[2]。大桥合龙现场如图2所示。

图2 八尺门大桥现场合龙图

4 施工控制关键技术

八尺门大桥主桥空间受力特征明显，尤其是塔墩梁固结节点部位受力复杂。为保证在施工过程中的结构安全以及成桥阶段的线性满足要求，需考虑温度收缩徐变以及在施工过程中的各种荷载，对各施工阶段的桥塔主梁和斜拉索进行施工控制[3]。

在八尺门大桥主桥的施工控制中，基于无应力状态法，采用正装法计算，考虑混凝土的收缩徐变对成桥线性和内力的影响，根据目标状态(成桥状态)推算主梁桥塔和斜拉索对应的无应力长度和无应力曲率，并以此无应力状态为控制目标。

八尺门斜拉桥的施工控制，关键技术包括主桥结构施工全过程的监控计算(合理成桥状态计算合理施工状态计算成桥运营阶段验算，桥塔结构施工监控计算，钢箱梁制造线形计算斜拉索无应力索长计算)，施工监测数据测量与测试(应力测试线形测试索力测试)。

4.1 合理成桥状态计算

斜拉桥在确定成桥状态时，起控制作用的往往是主梁的应力，索塔内力一般可通过限制塔身控制截面的弯矩较容易得到满足。因此，成桥状态的确定，应以主梁受力合理为目标，以主梁各截面的上下缘的最大最小正应力作为控制条件，确定恒载弯矩。如果允许恒载弯矩有一个“合理”的取值范围，则在该范围内的合理恒载弯矩所确定的成桥状态，即是合理成桥状态。

合理成桥状态计算，不考虑施工过程，而是以成桥状态的结构体系为分析对象，通过对成桥索力的调整，来获得一个合理的成桥状态。

4.2 合理施工状态计算

合理施工状态必须满足两方面的要求：其一是施工过程中受力安全，其二是成桥后满足合理成桥状态要求。因此，合理施工状态计算，就是施工过程跟踪计算，计算施工各阶段主要受力部位，如主梁斜拉索索塔等的应力及位移，是否满足规范要求。

其中，悬臂拼装阶段初始索力的确定，是斜拉桥施工控制的关键。依据无应力状态法原理：在保证一定的恒荷载结构体系支承边界条件单元的无应力状态量组成的结构的前提下，结构的最终内力和位移是唯一的，与结构的形成过程无关。

依据上述原理，实质是要通过合理的施工过程，使斜拉桥在成桥时，达到合理成桥状态[4]。该原理的前3个条件，在施工过程中均能逐步满足，而单元的无应力状态安装，则是合理施工阶段要解决的核心问题。合理施工阶段的核心问题，实际上是控制悬臂阶段每根斜拉索的初始索力值的大小。当拼装至最大悬臂端时，在该组索力作用下，最大悬臂端位移和转角近似为零。

4.3 成桥运营阶段验算

依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中4.1.1的规定，就可能的最不利荷载组合情况进行验算。

4.4 桥塔结构监控计算

主塔为单柱式钢筋混凝土塔，与梁体相固结，桥面以上塔高84.41m，塔柱侧面有装饰性钢结构“风帆”。装饰性“风帆”与塔身的底部与顶部分别固结，采用矩形空心断面。由于该桥主梁在边跨和主跨侧不对称，且边跨侧为混凝土箱梁，混凝土的收缩徐变会使主塔向边跨侧产生偏位。因此，需计算桥塔施工过程中的纵向预偏值，确保成塔线形及内力满足规范要求。

4.5 钢箱梁制造线形计算

制造线形，是指主梁在制造过程中无应力状态下的线形，钢箱梁斜拉桥的线形控制取决于其制造线形。严格按照梁段间制造线形的夹角进行拼装，则最终成桥状态的内力和线形一定会达到合理成桥状态。八尺门斜拉桥的制造线形，采用切线初始位移法计算。

4.6 斜拉索无应力索长计算

无应力索长，不仅与斜拉索的下料长度有关，而且对合龙后全桥大范围调索工作至关重要。根据合理成桥状态，并考虑桥塔边跨主梁收缩徐变，二期恒载等效应，计算确定斜拉索加工阶段调索阶段和最终成桥阶段的无应力索长[5]。

4.7 合龙温度效应分析

该桥合龙，只在主跨钢箱梁侧设置合龙段，合龙段为S14段钢箱梁，其长度为12m。钢箱梁的变形对温度的变化很敏感，因此，温度效应对合龙口的影响进行了分析。

5 有限元模型

为进行八尺门大桥主桥施工计算分析，采用MIDAS Civil建立了全桥杆系有限元模型，如图3所示。模型中，全桥被离散为261个单元，有201个梁单元，60个索单元；桥塔及主梁采用梁单元，斜拉索采用只受拉索单元，考虑索的非线性作用；桥塔承台底固端约束，塔梁固结，边墩及辅助墩顶支座顺桥向滑动，横桥向约束。

图3 八尺门大桥主桥有限元模型

6 施工控制结果与分析

6.1 桥塔控制结果与分析

桥塔施工过程中，分别对桥塔根部应力和塔顶位移进行了监控。从桥塔混凝土应力测试结果来看，实测值与计算值较为吻合，最大差值为1.94MPa。桥塔爬模施工过程中，桥塔全截面均为受压状态，无拉应力，压应力储备较大。从图4可以看出，桥塔偏位实测值与理论值曲线趋势一致；钢梁悬拼过程中，塔偏实测值与理论值最大差值为7.8mm；调索完毕后，两者差值仅为3.9mm，满足规范及设计要求。因加上二期恒载铺装以后，钢箱梁侧重量有较大的增加，故主跨侧索力将会增加，所以，从张拉9号索开始，边跨侧斜拉索索力逐渐加大，使主塔向边跨侧有一定的预留偏位；二期恒载完毕后，塔顶最大偏位仅为12mm左右，小于《公路桥涵施工技术规范》(JTJ/T F50-2011)中H/3000=106.3/3000=0.035m的限值。

图4 塔顶位移值

6.2 主梁控制结果与分析

在主梁施工阶段，严格控制梁段两端上下游侧的标高，同时监控混凝土段钢混结合段和钢箱梁段的应力，使主梁保持在较好的受力状态。

由于钢箱梁的刚度较柔，索力的微小变化会对钢箱梁产生较大的影响。图5为二恒前(调索后)桥面标高图。从图中可以看出，在索力调整到位后，钢箱梁二恒铺装前的成桥线形比较平顺，与理论值的差值最大也仅有17mm，满足规范及设计要求。

图5 二恒前(调索后)桥面标高图

混凝土箱梁测点实测应力和理论计算应力最大差值均小于3.0MPa，实测拉应力最大值为1.86MPa，实测压应力最大值为-8.19MPa。钢箱梁测点实测应力和理论计算应力最大差值均小于6.0MPa，实测拉应力最大值为25.76MPa，实测压应力最大值为-50.47MPa，均满足设计规范要求。图6为钢箱梁E截面上下缘测点随施工过程应力变化曲线图。

图6 钢箱梁E截面上下缘测点随施工过程应力变化曲线图

6.3 斜拉索控制结果与分析

八尺门大桥主桥斜拉索分两次张拉。第一次张拉值为钢箱梁悬拼时挂索初始索力值，目的是为了拼装时钢箱梁变形最小，合龙时合龙口平顺。第二次张拉为最终张拉，即在二期恒载铺装前，将索的无应力长度调整到成桥状态下的无应力长度，在二期恒载铺装上去后，索力值自动达到成桥索力值。

根据监控结果，二期恒载铺装前调索，单束钢绞线斜拉索的索力偏差绝大部分在5%以内，个别偏差大于5%，最大差值不超过5.8%；二期恒载铺装后，全桥索力与设计成桥索力偏差均在5%以内，满足《公路斜拉桥设计细则》8.3.3条款中索力偏差小于5%的要求，无需再进行调索。图7为实测二期恒载铺装前索力与理论索力对比图。

图7 实测二恒铺装前调索索力与理论索力对比图

7 结语

八尺门大桥主桥为一座大跨混合梁斜拉桥，主桥采用了钢箱梁悬臂拼装边跨混凝土箱梁支架现浇的不对称工艺施工。施工控制采用以无应力状态为基础的双目标控制法，综合考虑了混凝土梁的收缩徐变和钢箱梁的几何非线性因素的影响。在该桥的施工控制中，通过计算钢箱梁节段无应力制造长度控制钢箱梁线性，通过计算斜拉索无应力下料长度控制斜拉桥索力；通过合龙后索力调整来调节桥塔偏位及主梁线性等关键技术完成控制。

监控计算结果表明：施工阶段钢箱梁最大拉应力35.6MPa，最大压应力-88.5MPa，混凝土梁最大拉应力1.55MPa，最大压应力-9.30MPa，绝对值均小于规范规定的限值，因此，施工阶段内力，满足规范及设计要求；成桥主梁线性最大偏差17mm，桥塔最大偏差12mm，满足规范及设计要求；二期恒载铺装后，全桥索力与设计成桥索力偏差均在5%以内，说明该桥总体控制良好。

混合梁斜拉桥在国内外的应用越来越广泛，其设计和制造经验也不断地累积，八尺门大桥的施工控制结果与设计吻合较好，可为同类桥梁的施工控制提供参考和借鉴。