基于支架法施工的独塔斜拉桥施工监控分析

余小勇

(中铁二十四局集团浙江工程有限公司 浙江杭州 310009)

1 引言

斜拉桥是一种多次超静定结构，结构变形和应力与施工方式有关，合理的施工监控是确保桥梁结构成桥状态满足设计、规范要求的重要保证[1]。对于斜拉桥施工分析通常有两种方法:一是倒拆分析法[2]，另一种为正装分析法[3]。但此两种方法进行现场施工分析，均会导致斜拉桥各控制值与目标值不一致的情况。因此，在施工过程中，如何利用有效的控制方法，对现场施工遇到的实际问题进行分析，调整斜拉桥成桥后各结构控制值在规范允许范围内是保证工程顺利完工、结构安全运营的关键。

本文所研究工程背景斜拉桥主跨钢箱梁采用支架法施工，支架的设计、变形及其体系转换是施工中的重点，索的张拉顺序和张拉力大小的优化以及过程控制是本项目的难点，如何控制索的张拉精度是本桥施工重点。因此，需要注重对该桥的施工监控，以保证桥梁施工高质量、安全顺利完成。

2 工程概况

(1)主桥基本信息:南溪大桥是永康市区四环线跨越南溪的控制性工程，桥梁工程包括主线桥与慢行桥。其中主线桥全长267 m，主桥为(108＋80)m独塔双索面钢箱梁斜拉桥，全宽40 m。桥塔整体造型为倒“Y”型，拉索区上塔柱结构断面为箱型空心断面，外形尺寸为(3.0×4.0)m；下塔柱结构断面为矩形实心断面，外形尺寸为(3.0×4.0)m，辅柱尺寸为(2.5×4.0)m。拉索集中布置在上塔柱内。塔顶标高155.0 m，承台以上塔高69 m，桥面以上塔高约57 m。全桥纵向布置8对斜拉索，共8×4＝32根斜拉索。

(2)主桥总体施工方法:在主桥东岸布置施工基地。预制好板单元并拼装好钢箱梁节段，然后吊装到主桥贝雷支架上，逐段拼装焊接，直至安装完成全部钢箱梁；然后张拉斜拉索，完成桥面系统及涂装后落架，再进行2次拉索。桥梁具体布置情况如图1、图2所示。

图1 南溪大桥主桥总体布置(单位:cm)

图2 南溪大桥主桥横断面(单位:mm)

3 施工监控概述

3.1 施工监控原则

施工监控过程中须遵循以下原则[4－5]:

(1)受力要求:斜拉桥主要是主梁、索塔和索三大构件受力，索力是三大构件最重要的影响因素。故索力控制显得尤为重要，关系到斜拉桥整体结构安全。

(2)线形要求:一是各节段主梁的标高，二是桥塔偏位。对于本工程而言在支架法架设主梁过程施工中，要控制主梁的标高满足线形要求，在调索过程中，要控制各施工步骤下塔顶的偏移量满足规范要求。

(3)内力与线形调控要求:索力调整是受力状态调整的直接手段，调整立模标高是主梁线形调整的直接手段，两者相互影响。本工程采用支架法施工，主梁架设完成后再进行斜拉索张拉，故节段立模对索力的影响较小，可以忽略。

3.2 施工监控手段

在本项目施工控制中，采用自适应方法[7]进行施工控制。该方法是在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统参数识别过程，是预告—施工—现场数据采集—参数识别—误差分析—修正—再预告的过程，如图3所示。在施工过程中，每一工况施工完成后采集数据与模型计算结果对比并计算偏差，根据偏差对模型进行调整，使模型的计算结果与实际测量的结果尽量一致，再重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制。多个工况的反复调整之后，模型就能更接近实际施工状态，对监控任务具有更好的指导作用[6－7]。

图3 斜拉桥施工控制流程

(1)主梁施工采用支架法。在该施工阶段，根据现场实测数据反馈计算完成后，按照调整后标高指令进行施工。

(2)斜拉索采用二次张拉方案。其中第一次张拉于钢箱梁在支架上拼装完成后进行脱架和体系转换工作后进行，第2次张拉是成桥后的调索，两次张拉均需对索力进行精确控制，因此该阶段施工控制手段是以索力控制为主。

4 施工监控过程分析

4.1 施工初始状态复核

为了更好完成监控任务，首先有必要对设计计算过程进行基本复核。对斜拉桥主体结构建立空间模型，如图4所示。全模型共618个节点、865个单元。主梁及桥塔用梁单元模拟，拉索采用桁架单元模拟。主梁截面分为5片纵梁，根据整体箱梁的抗扭参数，单片纵梁的抗扭参数按面积进行分配；在有横隔板的位置建立横向联系，修正横梁刚度，保证截面整体变形协调。

图4 南溪大桥计算模型

在给定荷载条件下，确定合理成桥索力。在兼顾主梁位移的情况下，本次计算优先考虑桥塔偏位最小，通过迭代计算给出成桥索力，见表1。斜拉索的号码从靠近桥塔位置开始编号，依次为A1、J1→A8、J8，其中A为主跨、J为边跨。

表1 成桥索力计算结果

从表1可看出，成桥索力与设计索力偏差均小于2%，施工过程分析仍将以设计索力为目标索力。

利用该组索力对施工过程进行分析，针对本工程支架法施工的特点将施工步骤细化为:

(1)结构及临时支座激活，施加第一轮压重(占压重值的2/3)；

(2)第一轮索力张拉(约为目标索力的90%)；

(3)一次落架；

(4)二期铺装，施加第二轮压重；

(5)第二轮索力张拉。

通过分析，得到各阶段主塔应力均为压应力，主梁应力最大为42 MPa(压应力)，且落架后主梁最大应力相较于初张拉时减小1 MPa。最终调整索力与目标索力偏差均小于0.2%。桥塔顺桥向偏位最大为6.4 mm＜(H/4 000)＝17.25 mm(H为塔高)。表明张拉方案合理，理论结果符合设计和规范要求。

4.2 索力控制结果分析

该桥采用二次张拉[9]方案。其中第一阶段的张拉值为目标索力的90%，经测量初张拉完成后实测索力与目标索力偏差如图5所示，均小于1%。最大桥塔偏位为56 mm，纵桥向向西偏位较大，主塔应力均为压应力，主梁应力最大为36 MPa，均在控制范围内。

图5 南溪大桥初张拉索力偏差

待体系转换及后续施工总体完成后，对全桥索力进行一次通测。根据现场实测值，提出二次张拉方案，进行二次调索。本工程二次索力调整采用自适应方法。在索力调整过程中，将获取的实测数值与理论模型计算数据进行对比，计算出相应的偏差，并对模型进行相应调整，尽量使实测结果与模型结果相吻合。可得到各施工阶段新的理想状态，按反馈控制方法[10－12]对索力进行控制。永康南溪大桥共8对斜拉索，根据计算结果及施工方案从外侧向内侧逐步对称调整索力，调整顺序为A8、J8→A1、J1，各施工步骤完成后斜拉索实测索力与目标索力的偏差情况如图6所示。

图6 成桥状态斜拉索索力对比

该阶段，每调整1对斜拉索，对全桥斜拉索的索力进行测量。最终调索完成后与成桥设计索力做对比，得到施工完成后各斜拉索的索力误差。由图6可得出，最终索力值与目标值吻合良好，偏差均小于5%。

4.3 塔顶偏位监测结果分析

本桥为独塔斜拉桥，索塔两侧桥跨采用不对称布置，主塔容易在不对称荷载下产生较大偏位[11]。根据监测结果，从斜拉索初张拉至2次调索完成，塔顶偏位趋势如图7所示。

图7 南溪大桥塔顶偏位示意

由监测结果可知，斜拉索初张拉完成后桥塔纵桥向偏位较大，达到－56 mm(负号表示向主跨偏移)，随着二次调索的逐步进行，桥塔偏位逐渐减小，至调索完成偏位值控制在－25.7 mm，桥塔变形满足设计要求。

4.4 主梁变形监测结果分析

主梁挠度监控是确保桥面线形是否满足设计要求的重要环节，也是确保支架稳定性、张拉合理性的检验手段。根据监测结果，从斜拉索初张拉至二次调索完成，主次跨最大挠度变形趋势如图8所示。由监测结果可知，斜拉索初张拉完成后主梁长跨及短跨最大挠度分别达到－17 mm和－27 mm(负号表示变形方向竖值向下)，随着二次调索的逐步进行，长短跨最大挠度逐渐减小，至调索完成偏位值控制在－3.0 mm和－14.0 mm，挠度变形满足设计要求，同时也验证了两次张拉方案的合理性。

图8 梁段最大变形趋势

4.5 应力及支座反力监测结果分析

主梁、索塔和拉索三大构件的内力或应力状况反映了斜拉桥整体受力状态。对于支架法施工的独塔不对称斜拉桥来说，为了了解落架后关键截面应力状况以及斜拉索是否正常发挥作用，应力及支座反力[12]监测非常必要。

监测结果分析可知:各阶段完成时主塔应力均为压应力，二次张拉过程中桥塔墩支座处未出现负反力，表明未发生支座脱空现象。斜拉索二次张拉过程中，主梁应力最大为35 MPa，所有构件受力均处于安全范围内。

5 结束语

(1)对于施工监控任务，在开展现场监测任务之前有必要对设计计算过程进行基本核复，了解设计意图，从而制定合理的监测方案。

(2)本工程采用自适应方法进行施工控制。通过多次实测数值与理论模型计算数据进行对比，计算出相应的偏差，再对模型进行调整，可得到各施工阶段新的理想状态，按反馈控制法对索力进行控制。该方法很好地指导了现场施工，具有一定的施工参考价值。

(3)针对斜拉桥支架法施工，监测结果显示采用初张拉完成落架体系转换，再进行二次调索的施工过程中，主梁受力合理，梁体挠度、桥塔偏位及索力值等均在控制范围内，表明该施工方案的合理性。

(4)二次调索过程中，根据各阶段实测数值结果反馈，可知斜拉索初张拉完成后桥塔纵桥向偏位较大，达到－56 mm(负号表示向主跨偏移)，随着二次调索的逐步进行，桥塔偏位逐渐减小，至调索完成偏位值控制在－25.7 mm，桥塔变形满足设计要求。在斜拉索索力方面，最终调索完成后索力值与目标值吻合良好，偏差均小于5%。主梁挠度变形方面，随着二次调索的逐步进行，长短跨最大挠度逐渐减小，至调索完成挠度值控制在－3.0 mm和－14.0 mm，挠度变形满足设计要求。主要构件应力及支座反力方面，各阶段完成时主塔应力均为压应力，二次张拉过程中桥塔墩支座处未出现负反力，表明均未发生支座脱空。主梁应力最大为35 MPa，所有构件受力均处于安全范围内。以上结果验证了二次张拉方案的合理性。