超长联矮塔斜拉桥施工监控技术与应用研究

张心纯

(中国铁建投资集团有限公司 广东珠海 519000)

1 引言

在我国中西部山区桥梁建设中，高墩、多跨连续梁桥、连续刚构桥以及斜拉桥通常作为桥式首选方案。对于连续梁及连续刚构体系，山区条件下常出现腹板开裂、跨中持续下挠、预应力损失严重、徐变和温度内力较大等问题[1]。而斜拉桥若采用高墩、多跨布置体系，会导致结构整体刚度损失严重情况[2]。矮塔斜拉桥是介于梁式桥与斜拉桥之间的新型桥型，结合了以上两类桥型主要特点，具有良好的经济特性和美学效果，可以较好地解决山区桥梁建设中存在的上述问题[3]。

矮塔斜拉桥作为一种“组合”式结构，受力趋近于连续刚构，但是较连续刚构受力更为复杂[4]。根据矮塔斜拉桥受力特性，有必要开展施工监控，确保结构成桥状态满足设计要求。

矮塔斜拉桥的梁体刚度较大，斜拉索与桥面角度较小，索力变化对主梁线形影响能力弱，但对梁体应力影响较大；而梁体施工时，温度变化等对索力影响较大，从而对索塔及索锚区应力有较大影响。高墩情况下，日照辐射产生的温度应力对塔柱水平位移影响尤其显著。所以，保障合龙精度是施工控制过程中的难点。施工中影响结构变形和受力的参数众多，且多部位误差会相互影响，桥梁施工监控需贯穿整个施工过程[5]，对塔梁墩的应力、应变、温度、标高、索力等进行全面监测，采用稳定可靠的施工控制措施，确保成桥后结构内力和线形满足设计要求。

本文结合灰色预测理论建立矮塔斜拉桥预测模型，根据预测成果，提出响应施工措施，并应用于施工参数的理论计算及各影响因素对成桥状态的影响进行预测。

2 施工控制方法

为了解桥梁应力随施工阶段变化规律，对桥梁未来状态做出准确预测，本文应用灰色预测理论构建模型，对矮塔斜拉桥施工过程应力变化情况进行预测分析。针对矮塔斜拉桥悬臂施工特点，将桥梁结构工作状态视为一个较为复杂的灰色系统，该系统内有些信息明确、有些不明确[6]。

根据灰色理论建模要求，控制参数数量不得少于4个。因此，在进行实桥悬臂施工标高数据观测时，应对悬臂梁体前4块按理想设计状态加经验值立模施工，在相同时间间隔观测挠度值(标高)，并对每块标高观测值进行温度效应修正。则有:

式(1)数据序列经1-AGO后形成新数列:

白化形式微分方程的解为:

根据式(7)可以预测后续各悬浇阶段标高变化值，再经过还原生成(累减)标高预测序列，前面4次预测值与式(1)数据数列进行比较，来判断是否进行残差修正计算。

残差修正的具体方法为:首先进行残差检验，除预测精度较好或合格者无需进行残差修正外，其余均应进行残差修正计算，直至残差检验满足预测精度要求为止。此时计入残差的GM(1，1)模型即为最终的标高预测模型。

3 工程概况及有限元分析

3.1 工程概况

公路矮塔斜拉桥主桥全长1 170 m，桥面宽度29.5 m，上部结构为125 m＋4×230 m＋125 m五塔六跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，为塔墩梁固结刚构体系。下部结构采用钻孔灌注桩基础。设计荷载为公路—Ⅰ级。

主梁为预应力混凝土结构，采用大悬臂变高度单箱三室斜腹板截面。箱梁顶板宽度为29.5 m，两侧翼缘板长4.5 m，腹板斜率1∶2.998，底板宽度随梁高由15.5 m渐变至18.635 m。桥面设2%双向横坡，底板水平。主梁支点处高度8.5 m，跨中梁高3.8 m，箱梁高度按1.8次抛物线变化。

索塔与主梁固结，桥面以上塔高36 m。塔柱采用八边形实体截面，横桥向尺寸为3.5 m。斜拉索为中央索面，双排布置在主梁中央分隔带处。采用分丝管式索鞍结构，在塔上连续通过，在索鞍一侧设置单根可更换式单侧双向抗滑锚固装置，实现拉索在索塔位置处的锚固固定，分丝管中段为圆弧形。斜拉索两侧对称锚固于主梁，采用主梁侧单端张拉。每个索塔设有2×15对30根斜拉索，全桥共150根斜拉索。

施工过程为:塔墩浇筑→主梁节段挂篮悬臂浇筑→张拉斜拉索→合龙前进行跨中顶推并完成合龙→体系转换→索力调整→桥面铺装→成桥。

3.2 施工仿真计算

该桥为一种复杂的空间结构，将其简化为杆系结构并采用结构力学方法进行分析和计算。斜拉索采用桁架单元进行模拟[7]。

主桥上部结构采用MIDAS/Civil有限元程序进行计算。根据桥梁跨径布置及主梁横断面刚度，按照空间实用理论简化为空间杆系。全桥离散为1 888个节点，1 569个单元。静力计算模型见图1。

图1 静力计算有限元模型

4 施工控制

4.1 线形控制

主梁施工采用挂篮悬臂浇筑法。由于索对主梁挠度影响不大，可通过确定索的初张力及梁预抛高的方法调整线形[8]。在节段浇筑、预应力张拉、斜拉索张拉后对各节段标高、梁体应力、索力进行监测，通过灰色控制理论方法进行后续线形预测并确定预设标高调整方法。

部分成桥线形对比如图2所示。由图2可知，成桥后主梁实测高程和设计高程较为吻合，桥面线形基本平顺，线形控制理想。

图2 部分成桥线形对比

环境温度对箱梁悬臂施工影响很大，悬臂箱梁的变形随温度升高和悬臂长度的增加而增大[9]。为保障测量精度，减小误差，所有测量工作均在低温时段进行。运用灰色理论模型预测，考虑日照温度对梁标高影响较大，应从测量数据中剔除该影响，以保证预测结果的准确性。

4.2 应力控制

箱梁应力受索力、施工因素影响较大，应在节段悬臂浇筑、预应力张拉、索张拉、合龙前后及体系转换后及时监测截面应力变化情况，以确定施工过程中截面应力状态[10－11]。根据结构验算结果，主跨应力控制截面为墩顶部0＃块中心截面、悬臂根部截面、最大悬臂1/2截面以及合龙位置。

图3为主桥12号墩0＃块中央截面顶板应力变化曲线。从图3可看出，应力实测值与理论值整体变化趋势基本一致。

图3 12号墩0＃块中央截面顶板应力变化曲线

4.3 索力控制方法及措施

索力控制直接影响矮塔斜拉桥受力性能。在每个施工阶段悬浇混凝土完成及斜拉索张拉后，需监测当前施工节段及其邻近3对斜拉索的索力。每对斜拉索在成桥状态进行一次索力测量，为索力控制提供依据。根据设计调整索力，保障成桥线形满足设计要求。

4.3.1 索力测定方法

(1)为减小温度对索力测定的影响，测量时间选择低温时段(5:30～7:30)。

(2)12～26号节段，每节段浇筑完成后，测量悬臂端4对索索力；张拉斜拉索完成，再次测量悬臂端4对索索力。

(3)施工到关键工序(如边跨、中跨合龙前，成桥调索前后)进行全桥索力测量。

(4)当结构实际状态与理论状态相差较大时，进行全桥索力测定。

4.3.2 索力控制

斜拉索的索力控制，其核心为:通过对各施工阶段梁的变形和索力监测，并运用灰色理论方法，预测下一阶段梁的标高和应力，进而计算索的初张力，在合龙后根据监测结果进行索力微调。10号墩大里程方向(下游)索力监测结果见表1。由表1可知，索力误差均控制在±5%以内，满足规范要求。

表1 10号墩大里程向索力监测结果

4.4 索塔应力及变位监测

4.4.1 索塔应力监测

超长联矮塔斜拉桥索塔既要承受恒载和活载产生的巨大轴向力和弯矩，又要承受温度变化、风荷载、混凝土收缩徐变带来的内力影响[12]。由于主塔根部弯矩最大，选择大桥每个主塔部位桥面向上1.5 m截面布置4个测点，安装混凝土应变传感器。断面测点布置如图4所示。12号墩索塔根部向上1.5 m位置应力对比见图5。由图5可知，索塔在施工阶段压应力在0.61～4.6 MPa范围。

图4 索塔应变测点布置

图5 12号墩索塔根部向上1.5 m位置应力对比

4.4.2 索塔变位监测

索塔变位监测包括顺桥向和横桥向两个方向。主塔在施工和成桥状态通过斜拉索分担部分梁体重量。在不平衡荷载和大气温差及日照影响下，均会使主塔产生不同程度的变形[13]。施工过程中对主塔变位进行监测，在每个主塔距塔顶1.5 m位置上下游各设1个测点，安装反光棱镜，用全站仪进行监测。

施工过程对5个主塔变位进行了监测，其中10号墩索塔变位监测结果见表2。由表2可知，成桥后索塔顶横向变位、纵向变位均小于理论值，索塔变位在合理范围内。

表2 10号墩索塔变位监测

4.4.3 索锚区监测

为了更准确地获得索塔锚固区域在斜拉索作用下的受力状态，监测每个悬臂阶段各个施工工况下的索锚区混凝土应力变化，确保结构施工安全、受力合理。经分析，C1索为竖向轴力最大位置，C5索锚区主压应力最大，选择C1、C5斜拉索索锚下混凝土作为监测位置，在相应位置埋设应变传感器进行监测。

由于索锚区域处于三向空间受力状态，故将应变传感器分别平行于顺桥向(平行于索孔方向)、横桥向、竖桥向(垂直于索孔方向)埋设于索锚分丝管下部混凝土内，以同时获取三个方向的应力变化情况。

应力对比如图6所示。图6表明，应力实测值与理论值整体变化趋势一致，主塔断面应力水平合理。

图6 12号索塔索锚C1底应力对比

5 结束语

本文针对矮塔斜拉桥悬臂施工特点，提出了基于灰色理论的施工控制方法，通过结构理论预测和分析，确定施工监控控制要点并成功应用于桥梁施工监控全过程。实践证明，桥梁结构施工全过程处于良好受控状态，结构线形、受力状态与目标状态基本吻合，达到了施工控制目的和要求。