独塔中央索面钢混组合梁斜拉桥施工控制技术研究

吴连盛 WU Lian-sheng

（上海公路投资建设发展有限公司，上海 200335）

0 引言

组合梁斜拉桥是由钢主梁与混凝土桥面板通过剪力钉、湿接缝形成组合截面共同受力的一类组合结构桥梁，它除具有结构自重小，跨越能力强，施工速度快等优点外，还能够节省钢材用量，避免钢桥面沥青铺装的耐久性问题，且其刚度和抗风稳定性优于钢箱梁。近年来在中国桥梁建设中得到广泛应用[1]。

相对于钢主梁斜拉桥，组合梁斜拉桥的施工过程比较复杂，悬臂施工时，先进行主梁的连接安装，再浇筑湿接缝，形成组合截面[2]。由于组合前后的主梁截面刚度的差异，必须根据实际工序模拟来准确计算施工过程各阶段桥梁结构的受力和变形，从而加以管控，使其成桥状态满足设计要求。

本文以闵浦三桥为工程背景，结合本项目的结构及施工特点，介绍了本项目的施工控制原理、具体实施工作及施工控制成效，可作为同类型桥梁工程施工控制工作的参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

闵浦三桥主桥为独塔中央双索面四跨连续钢混组合梁斜拉桥，跨径布置为（50+2×220+50）m，总长540m，如图1所示。主梁采用整体式箱型断面，双层布置，上层供机动车辆通行，下层挑臂供行人及非机动车通行。

图1 闵浦三桥立面布置图（mm）

1.2 主梁设计

主梁截面采用开口钢箱与混凝土桥面板构成的组合结构，主桥全长采用统一的截面高度，主梁中心高度3.945m，标准节段长9m，重约240t。主梁顶面设2.0%的双向横坡，如图2所示。钢主梁材质为Q345qD，顶宽21.4m，底宽18.6m。中央布索区设封闭箱室，底部设置长4.8m的挑臂，作为下层人非混行车道。主梁在塔墩处设置纵向固定支座，锚墩及过渡墩均设置纵向活动支座。主墩及过渡墩设置横向阻尼支座。

图2 主梁标准横断面图

1.3 主塔设计

主塔采用钻石型，塔高136m，桥面以上高度103.8m，主梁下方设置一道横梁。塔柱截面为带倒角的箱形截面，采用C50混凝土。斜拉索在塔内采用钢锚梁锚固方式。为方便内模施工，钢锚梁的支承牛腿为钢结构。上塔柱锚索区塔柱内壁设置一层钢板（可兼作施工内模），钢牛腿焊接在钢板上，钢板通过剪力钉或穿孔钢板与混凝土塔壁连接。

1.4 斜拉索设计

全桥合计84根斜拉索，采用中央双索面扇形布置，横向间距为1.0m，斜拉索梁端通过钢锚箱锚固于钢主梁中间箱室，纵向索距为9m。斜拉索材质为单丝涂敷环氧涂层钢绞线，标准强度为1860MPa，采用双层PE护套防护。

1.5 施工方法

上部结构B1～B16梁段采用桥面吊机悬臂拼装架设工艺，边跨主梁及部分主跨主梁采用支架滑移安装。具体步骤为：①主塔施工完成后，利用浮吊吊装主梁B0-1和B0-2节段至塔旁托架，并在塔旁支架上完成；②在己经施工的B0主梁顶面安装桥面吊机，双悬臂对称拼装B1～B16节段主梁，并相应对称张拉该节段斜拉索；③B17～B29节段主梁利用浮吊吊装至滑移支架，由江侧向岸侧逐段滑移至设计位置；④以S9节段作为合龙段段完成主跨合龙，张拉剩余斜拉索；⑤张拉纵向预应力，调整全桥索力，从而完成主梁施工。

2 施工控制策略及特点分析

2.1 施工控制策略

钢-混组合梁斜拉桥在不同的施工阶段，因结构、受力特点不同，所采取的施工控制策略也存在差异。

塔柱施工期间，结构简单，受力较为明确，只要按照预定的施工工序及加载方式进行施工，内力即可达到控制的要求。因此控制的直接目标是塔柱的外形尺寸，当外形达到要求后，内力控制目标自动实现。此阶段从控制论的角度应采用开环控制的控制策略。

钢混组合梁斜拉桥的主梁控制分为边跨支架段、悬拼段和合龙段几部分。在主梁悬臂拼装施工阶段，施工过程中循环的步骤较多，各个工况的线形变化和受力状态往往会偏离设计所确定的理想目标，从施工特点的角度宜采取自适应控制的策略，控制流程如图3所示。对于采用支架滑移安装的边跨主梁节段，在确定了安装线形后，其线形测控相对较为简单，同样采用开环控制的控制策略。

图3 闵浦三桥悬臂施工阶段控制流程

2.2 施工控制特点分析

2.2.1 主梁线形控制

B1～B16梁段采用桥面吊机悬臂拼装的施工工艺，主梁线形在预制阶段就已确定，为保证焊接质量，施工过程中的标高误差通过调节顶、底板焊缝宽度的方式对标高进行调整的幅度非常有限[3]。此外，索梁温差和主梁温度梯度对于主梁前端标高有较大的影响，严重影响了钢箱梁的精确定位和线形测量工作。为消除日照温差引起的梁体挠曲，线形测量选择在温度变化小、气温稳定的时间段进行，并在尽可能短的时间内完成测量工作。

2.2.2 桥塔线形控制

主塔在施工和成桥状态通过斜拉索均承担相当部分的梁体重量。在不平衡荷载和大气温差及日照等影响下，均会使主塔产生不同程度的偏位。为了不影响主梁的架设施工，必须掌握主塔线形在自然条件下的变化规律以及在索力影响下偏离平衡位置的程度。

2.2.3 桥面板面内应力控制

现行桥梁规范着重于顶底板边缘的拉压受力和腹板的弯剪受力分析[4]，传统桥梁应力监测工作往往也注重于截面上、下缘的正应力，包括纵向和横向应力，而对顶、底板的面内主应力关注较少。因此并没有真正反映出组合梁梁斜拉桥应力状态，也无法判断和预防顶底板斜裂缝的发生。为保障大桥施工过程的安全，提高桥面板抗裂的风险控制能力，应通过空间网格计算分析和现场监测，对闵浦三桥的精细化分析提供全面可靠的数据支撑和实桥验证。

2.2.4 索力控制

大跨径组合梁斜拉桥钢梁刚度较小，索力及临时荷载在悬臂拼装阶段对高程的影响非常明显[5]，斜拉索索力准确与否，直接关系到主梁的线形，桥面板的受力状态，乃至整个施工过程的结构安全。因此，组合梁斜拉桥施工中必须确保斜拉索的初张力值合理，索力测试结果正确可靠。

3 施工监控成效分析

3.1 监控计算

采用MIDAS Civil有限元分析软件建立全桥空间杆系模型，主梁及桥塔采用梁单元进行模拟，斜拉索采用桁架单元进行模拟，全桥共离散为762个单元，计算模型如图4所示。

图4 闵浦三桥全桥有限元模型

主梁节段的空间网格模型采用WISEPLUS桥梁结构空间分析软件建立，混凝土桥面板划分为13根纵梁单元，钢主梁划分为30根纵梁单元。空间网格模型中混凝土桥面板与钢主梁对应节点之间通过独立的刚臂单元连接，如图5所示。

图5 主梁标准节段网格模型示意图

空间效应受力分析将包含设计采用的所有荷载工况，包括施工阶段恒载、斜拉索施工索力、混凝土徐变收缩、非线性温度效应、扭转畸变效应、剪力滞效应等，以反映组合箱梁断面的各阶段受力状况。

3.2 桥塔线形

主塔偏位监测包括顺桥向和横桥向两个方向偏位值的测量。分别在中塔柱、上塔柱和塔顶布设线形监测点，测定在主梁悬臂施工过程中，索塔沿纵、横向的水平位移，主塔共计6个变形观测点，如图6所示。主桥二期铺装完成后，主塔实测偏位为4～6mm，与理论偏位（0mm）基本接近。

图6 索塔偏位监测点布置

3.3 主梁线形

主梁线形监测是保证大桥达到设计预期目标的关键。每节段主梁在悬臂前端设置一个线形监测断面，在横向左右两侧边护栏内侧和结构中心布置3个测点。在梁段吊装前，根据已拼装梁段的实测标高提供待拼梁段的安装定位标高，定位误差控制在±5mm以内，轴线与已成相邻梁段的偏差控制在±2mm以内。此外，在每一施工循环各主要工况作用前后，监测主梁各控制点的标高，以掌握结构在施工阶段过程中的变形响应，并与理论计算值进行对比，通过误差分析修正计算模型，使理论计算值接近实际的结构响应。

成桥阶段主梁线形观测结果如图7所示。根据观测数据，桥面铺装后，主梁线形整体平顺。小里程（闵行侧）主梁高程平均偏差为-28～44mm，大里程（奉贤侧）主梁高程平均偏差为-20～49mm，各控制点绝对偏差均控制在±50mm以内，满足±（L/5000+30）=64mm的规范要求。

图7 成桥阶段桥面实测线形及偏差折线图

3.4 主梁应力

3.4.1 纵向应力

桥梁施工过程的应变测试，不仅起到验证成桥状态与设计状态符合度的作用，也是多方数据校验、快速锁定误差来源的重要依据。根据理论计算，选择近塔根部、主跨跨中、辅助墩顶与边跨跨中等施工过程中受力较大的断面开展应变测试工作，每个断面在钢梁上、下缘布置应变传感器，如图8所示。

施工全过程的主梁纵向应力监测表明，实测应力水平、应力变化趋势与理论计算基本一致。以成桥阶段跨中断面主梁应力测试结果为例，如图9所示，主梁钢梁应力误差在-7.4～+5.8MPa之间，与理论计算偏差在15%以内，储备较为充裕，结构受力状态符合设计要求。

图9 跨中断面成桥阶段主梁应力测试结果对比

3.4.2 桥面板面内应力

在空间网格模型分析基础上，选取悬臂施工节段LS2、LS5、LS10、LS15，以及满堂支架滑移节段LS21、LS27共计6个主梁节段，10个特征测试断面进行桥面板板内应力监测，以确定混凝土桥面板面内应力实际发展情况。测点布置如图10所示。

图10 桥面板面内应力监测测点现场布置

以LS5梁段桥面板为例，各关键施工阶段下，桥面板面内应力监测数据与理论值对比如图11所示。由对比结果可知，各关键施工阶段下，桥面板面内应力与空间网格分析结果能够较好地符合，且应力水平较理论计算值偏小，桥面板应力处于安全状态。

图11 LS5断面桥面板面内应力对比示意图

3.5 斜拉索索力

钢绞线斜拉索索力测量方法主要为磁通量法，并同时与张拉千斤顶油压读数，锚下压力传感器读数等数据进行比对，以实现对索力的精确控制。

桥面系铺装完成后，对全桥斜拉索索力进行通测，索力理论值与实测值对比如图12所示。由图中数据可以看出，实测成桥索力与理论值分布趋势一致，相对偏差在-6.2%～+4.3%之间，除个别3根斜拉索外，索力误差范围基本控制在±5%范围以内，满足控制要求[6]。由此可见，成桥状态下，本桥实际索力与理论值吻合度较好，斜拉索张拉控制达到了预期目标。

图12 成桥阶段索力及索力偏差分布图

4 结语

以上海市闵浦三桥为工程背景，结合桥梁结构特点和现场施工实际情况，对独塔组合梁斜拉桥控制工作的原理、方法和具体实施工作进行了总结和阐述。监控结果表明：成桥阶段主梁实际线形与成桥目标线形偏差较小，钢主梁及桥面板应力状态均处于合理范围内，斜拉索成桥实测索力与设计成桥索力吻合度较好，施工控制达到了预期目标。