某独塔单索面斜拉桥施工过程质量控制分析

■姚天塔

（泉州交通发展集团有限责任公司，泉州 362000）

斜拉桥是力学上典型的高次超静定结构，其设计与施工密切相关，施工方法不同，不但影响施工阶段的结构响应，对建成后桥梁的最终应力状态和几何线性也有很大的影响[1]。 不同于梁桥的施工，斜拉桥施工工况多，施工工期长，施工精度、材料参数及外部约束条件等因素与理想参数的偏离，均可能造成桥梁结构与理想设计状态的偏差，且施工过程偏差还将随施工的进程不断积累，逐步发散。 若建设过程中各项结构参数误差得不到有效控制，则成桥状态偏离设计目标也将在所难免，最终将影响桥梁使用的舒适性和安全性。 因此，在施工阶段就要对可能产生误差的各种因素进行甄别、追踪，制定纠偏措施，以期尽量接近理想成桥状态。

1 工程概况

背景桥梁为一独塔单索面预应力混凝土箱梁斜拉桥，跨径布置为38+42+56+96+42+38=312 m，全桥采用墩、塔、梁固结结构体系（图1）。 索塔由主塔柱和装饰帆曲臂组成， 其中主塔为钢混组合结构，包含钢塔柱锚固区和混凝土下塔柱两部分。 主梁梁体为预应力混凝土连续箱梁，设置单箱五室断面，全桥按29.1 m 断面等宽布置。 全桥于桥塔两侧分别设置6 对斜拉索，拉索编号见图2，单个编号包含2 根斜拉索。

图1 桥梁立面布置图

图2 斜拉索编号示意图

主要施工步骤如下：（1）下部墩台基础及桥塔施工；（2）满堂支架主梁分节段施工并张拉预应力；（3）钢桥塔及装饰帆施工；（4）斜拉索张拉；（5）主梁支架移除；（6）二期铺装及附属设施施工。

2 施工过程监控

2.1 监控方法

本桥施工监控采用自适应控制理念，各施工阶段完成后需对控制指标进行测量，收集各项结构受力参数，分析造成结构实际状态与理想状态偏差的主要原因， 根据实测数据对计算模型进行修正，并对主梁立模标高和斜拉索安装索力等施工参数调整量提出施工建议值。 斜拉桥施工监控过程总体可归结为以下内容：（1）现场数据采集；（2）误差因素识别；（3）计算模型修正；（4）施工参数调整计算。 监控流程见图3。

图3 斜拉桥施工监控流程

2.2 施工监控模型建立

为精细化分析桥梁在各施工阶段结构的内力、位移等效应，采用Midas/Civil 软件建立结构各施工状态的仿真模型。 根据施工图设计文件建立空间杆系模型（图4）。全桥包含182 个单元和323 个节点，其中桥、塔、梁采用梁单元模拟，拉索采用只受拉桁架单元模拟。 结构荷载主要考虑结构自重、预应力效应、斜拉索索力等。 根据施工组织拟定的工序和工期安排考虑混凝土的收缩、徐变等效应。

图4 斜拉桥Midas/Civil 有限元模型

2.3 监控内容

2.3.1 斜拉索索力监控

斜拉索索力大小是影响主梁线形及内力的重要因素。 现有的所有索力监测方法中，频率法原理及操作相对简单，精度也能满足工程应用的需求，在工程领域中使用最为广泛。 根据张紧弦理论，斜拉索索力和其自振频率有如下关系[2]：

其中：T 为斜拉索拉力（N）；m 为斜拉索单位长质量（kg/m）；l 为钢索两嵌固点之间的长度（m）； fn为斜拉索主振动频率（Hz）；n 为主振频率的阶次。

对于特定的斜拉索，上述公式的m、l 均为确定值，因此只需识别斜拉索的主振频率和其阶次即可求得索力值。 监控采用环境激励法测量拉索振动参数，其主要激励为环境风力，也可以通过人工对拉索施加冲击荷载。 通过传感器捕捉拉索振动信号，传导至仪器进行滤波和放大，生成拉索振动谱，依据频谱图可获得拉索的自振频率。 需要提及的是，张紧弦理论在计算索力的精确度上将受到频率识别精度的影响，斜拉索张拉力越大，其状态越逼近张紧弦，计算索力和千斤顶张拉数值吻合性越好。 测量仪器及现场测量情况如图5 所示。

图5 测量仪器及现场测量情况

本桥斜拉索采用两次调索的施工方案，主梁浇筑完毕后开始进行第一次斜拉索张拉，二期铺装结束之后进行调索。斜拉索张拉顺序为从靠近桥塔侧往远离桥塔方向依次对称张拉。考虑到早期张拉的斜拉索索力会随着后期斜拉索张拉而发生变化，第一次张拉的斜拉索索力应根据有限元计算结果取用。桥面铺装结束后，通过微调部分拉索索力，实现整个斜拉桥体系受力状态的最优化，即所谓的二次调索。

2.3.2 主梁变位监控

主梁采用满堂支架施工工艺，支架及模板系统在主梁浇筑之前均经过预压处理。 因此，主梁脱架之前的变位较小，主要关注斜拉索张拉前后、脱架前后以及二次调索前后的主梁线形变化，以及成桥状态下主梁标高与设计理想标高的偏差。

2.3.3 主梁应力监测

通过在主梁梁体内埋设应变计，测得各个施工阶段的应变水平，继而计算得到不同状态下监测点的应力状态。 应变计埋设位置选择主要考虑跨中、墩顶、墩塔梁固结等内力较大的位置。 监控断面分布见图6。

图6 主桥应力测试断面分布示意图

3 施工监控效果分析

3.1 斜拉索索力

索力监测主要关注3 个工况：（1）拉索安装；（2）二期铺装；（3）二次调索。 拉索安装工况的目的是校核斜拉索安装时的拉索张拉力；二期铺装工况的目的是获取二期铺装完成后索力以及桥面标高等结构参数，用以拟定二次调索的张拉力；二次调索工况的目的是检测调索索力是否张拉到位，同时校核最终成桥索力与设计索力的差距。

3.1.1 拉索安装工况

主梁节段浇筑完成一次张拉斜拉索后，大部分拉索索力均小于设计成桥索力，越靠近桥塔的斜拉索与成桥索力差值越大，其中B1/Z1/Z2 斜拉索差值较大，分别达到了818、1 075 和1 037 kN。 而远离桥塔的斜拉索索力则与设计成桥索力相近, 主要原因是靠近桥塔的斜拉索先行张拉，随着后续拉索逐步张拉完成，先期张拉的斜拉索所承担的荷载逐步被后续张拉的斜拉索分担，导致斜拉索松弛，索力下降。 虽然在斜拉索张拉过程中已经对先行张拉的斜拉索进行了一定的超张拉，但斜拉索实际索力分布与模拟结果仍存在一定偏差。

表1 桥塔一次张拉与设计成桥索力对比

3.1.2 二期铺装完成后工况

二期铺装完成后，索力在一次张拉的基础上有所增加，靠近桥塔部分斜索与设计成桥索力水平差距进一步减小，其中差值较大的B1/Z1/Z2 索力差值分别为773、769 和848 kN。

表2 桥塔二期铺装与设计成桥索力对比

3.1.3 二次调索工况

斜拉索的成桥索力必须结合主梁线形来综合考虑， 根据主梁线形和二次铺装后索力实测数据，对索力差值较大的B1/Z1/Z2 3 对斜拉索进行二次调索。 在二期调索阶段，通过对索力的微调，达到结构受力和主梁线形的最优状况。 从索力的测量结果来看， 调索后全桥12 对索中有6 对索的索力和设计成桥索力差距在5%范围内， 有5 对索的索力误差在5%～8%， 索Z4 和设计成桥索力在10%左右。应力监控测量结果显示主梁应力状态较好；全桥线形平顺，标高和设计值吻合良好；斜拉索索力安全系数也在规定允许范围之内。 上述几项结构参数监测结果显示桥梁已处于较理想状态，因此不再对其余斜拉索索力进行调整。

表3 桥塔二次调索与设计成桥索力对比

3.2 主梁标高及线形

主梁标高及线形的控制直接影响运营阶段桥梁行车的舒适性和安全性，是斜拉桥施工监控的重要内容。 本项目主梁满堂支架施工之前，现浇支架及模板系统在主梁浇筑之前均按要求进行了预压，消除支架、模板及基础变形等因素带来的影响。 各梁段施工前后主梁标高的测量结果显示，主梁脱架之前标高基本符合施工精度要求，且变形很小。 主梁标高及线形的监控重点关注斜拉索张拉、主梁脱架及成桥等工况。

通过对成桥后主梁标高和线形进行测量，并与设计值对比，结果见图7。 从图7 可知，成桥主梁标高和线形与设计理想状态吻合良好，全桥标高偏差均小于10 cm，满足规范[3]规定的主梁轴线偏位的规定。梁体最大偏位值均出现在主跨跨中位置。其中，桥塔往小桩号侧主跨最大标高偏差为2.2 cm，与跨径的比值为1/2545；桥塔往大桩号侧主跨最大偏差为2 cm，与跨径的比值为1/4800。

图7 主梁成桥标高及标高偏差示意图

3.3 主梁应力

主梁的应力水平在施工阶段全程监测。 由于边界约束条件不一致、箱梁剪力滞效应、局部应力释放、混凝土局部浇筑质量差异导致的弹性模量差异，以及测量仪器本身存在误差等因素的影响，箱梁测点应力与模型计算结果表现出一定的离散性，但整体仍处于可控范围内。 主梁应力监控测点在施工各阶段均处于受压状态，且应力水平在规范规定的材料容许应力范围内。塔梁固结根部（6 号截面）、主跨跨中（8 号截面）以及主跨边墩墩顶（9 号截面）3 个典型断面在主梁预应力张拉完毕以及斜拉索张拉完毕脱架后2 个工况的应力水平见表4。

表4 主梁3 个典型断面应力

4 结论

以1 座满堂支架施工的独塔单索面预应力混凝土箱梁斜拉桥为研究对象，通过将结构各施工阶段及成桥实测参数与仿真分析结果进行对比分析，得出以下结论：（1）对现场实测参数和有限元仿真模拟结果进行对比，分析了造成结构施工状态和理想状态存在差异的原因，并对施工参数进行干预和调整， 及时纠正施工过程与设计理想状态的偏差，避免偏差的叠加和发散，最终实现斜拉桥成桥状态接近设计理想状态；（2）通过一定的施工监控手段，可以很好地控制该类型桥梁的成桥状态，确保桥梁结构的安全性和舒适性。