某獨塔單索面斜拉橋施工過程質量控制分析

■姚天塔

（泉州交通發展集團有限責任公司，泉州 362000）

斜拉橋是力學上典型的高次超靜定結構，其設計與施工密切相關，施工方法不同，不但影響施工階段的結構響應，對建成后橋梁的最終應力狀態和幾何線性也有很大的影響[1]。 不同于梁橋的施工，斜拉橋施工工況多，施工工期長，施工精度、材料參數及外部約束條件等因素與理想參數的偏離，均可能造成橋梁結構與理想設計狀態的偏差，且施工過程偏差還將隨施工的進程不斷積累，逐步發散。 若建設過程中各項結構參數誤差得不到有效控制，則成橋狀態偏離設計目標也將在所難免，最終將影響橋梁使用的舒適性和安全性。 因此，在施工階段就要對可能產生誤差的各種因素進行甄別、追蹤，制定糾偏措施，以期盡量接近理想成橋狀態。

1 工程概況

背景橋梁為一獨塔單索面預應力混凝土箱梁斜拉橋，跨徑布置為38+42+56+96+42+38=312 m，全橋采用墩、塔、梁固結結構體系（圖1）。 索塔由主塔柱和裝飾帆曲臂組成， 其中主塔為鋼混組合結構，包含鋼塔柱錨固區和混凝土下塔柱兩部分。 主梁梁體為預應力混凝土連續箱梁，設置單箱五室斷面，全橋按29.1 m 斷面等寬布置。 全橋于橋塔兩側分別設置6 對斜拉索，拉索編號見圖2，單個編號包含2 根斜拉索。

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 斜拉索編號示意圖

主要施工步驟如下：（1）下部墩臺基礎及橋塔施工；（2）滿堂支架主梁分節段施工并張拉預應力；（3）鋼橋塔及裝飾帆施工；（4）斜拉索張拉；（5）主梁支架移除；（6）二期鋪裝及附屬設施施工。

2 施工過程監控

2.1 監控方法

本橋施工監控采用自適應控制理念，各施工階段完成后需對控制指標進行測量，收集各項結構受力參數，分析造成結構實際狀態與理想狀態偏差的主要原因， 根據實測數據對計算模型進行修正，并對主梁立模標高和斜拉索安裝索力等施工參數調整量提出施工建議值。 斜拉橋施工監控過程總體可歸結為以下內容：（1）現場數據采集；（2）誤差因素識別；（3）計算模型修正；（4）施工參數調整計算。 監控流程見圖3。

圖3 斜拉橋施工監控流程

2.2 施工監控模型建立

為精細化分析橋梁在各施工階段結構的內力、位移等效應，采用Midas/Civil 軟件建立結構各施工狀態的仿真模型。 根據施工圖設計文件建立空間桿系模型（圖4）。全橋包含182 個單元和323 個節點，其中橋、塔、梁采用梁單元模擬，拉索采用只受拉桁架單元模擬。 結構荷載主要考慮結構自重、預應力效應、斜拉索索力等。 根據施工組織擬定的工序和工期安排考慮混凝土的收縮、徐變等效應。

圖4 斜拉橋Midas/Civil 有限元模型

2.3 監控內容

2.3.1 斜拉索索力監控

斜拉索索力大小是影響主梁線形及內力的重要因素。 現有的所有索力監測方法中，頻率法原理及操作相對簡單，精度也能滿足工程應用的需求，在工程領域中使用最為廣泛。 根據張緊弦理論，斜拉索索力和其自振頻率有如下關系[2]：

其中：T 為斜拉索拉力（N）；m 為斜拉索單位長質量（kg/m）；l 為鋼索兩嵌固點之間的長度（m）； fn為斜拉索主振動頻率（Hz）；n 為主振頻率的階次。

對于特定的斜拉索，上述公式的m、l 均為確定值，因此只需識別斜拉索的主振頻率和其階次即可求得索力值。 監控采用環境激勵法測量拉索振動參數，其主要激勵為環境風力，也可以通過人工對拉索施加沖擊荷載。 通過傳感器捕捉拉索振動信號，傳導至儀器進行濾波和放大，生成拉索振動譜，依據頻譜圖可獲得拉索的自振頻率。 需要提及的是，張緊弦理論在計算索力的精確度上將受到頻率識別精度的影響，斜拉索張拉力越大，其狀態越逼近張緊弦，計算索力和千斤頂張拉數值吻合性越好。 測量儀器及現場測量情況如圖5 所示。

圖5 測量儀器及現場測量情況

本橋斜拉索采用兩次調索的施工方案，主梁澆筑完畢后開始進行第一次斜拉索張拉，二期鋪裝結束之后進行調索。斜拉索張拉順序為從靠近橋塔側往遠離橋塔方向依次對稱張拉?？紤]到早期張拉的斜拉索索力會隨著后期斜拉索張拉而發生變化，第一次張拉的斜拉索索力應根據有限元計算結果取用。橋面鋪裝結束后，通過微調部分拉索索力，實現整個斜拉橋體系受力狀態的最優化，即所謂的二次調索。

2.3.2 主梁變位監控

主梁采用滿堂支架施工工藝，支架及模板系統在主梁澆筑之前均經過預壓處理。 因此，主梁脫架之前的變位較小，主要關注斜拉索張拉前后、脫架前后以及二次調索前后的主梁線形變化，以及成橋狀態下主梁標高與設計理想標高的偏差。

2.3.3 主梁應力監測

通過在主梁梁體內埋設應變計，測得各個施工階段的應變水平，繼而計算得到不同狀態下監測點的應力狀態。 應變計埋設位置選擇主要考慮跨中、墩頂、墩塔梁固結等內力較大的位置。 監控斷面分布見圖6。

圖6 主橋應力測試斷面分布示意圖

3 施工監控效果分析

3.1 斜拉索索力

索力監測主要關注3 個工況：（1）拉索安裝；（2）二期鋪裝；（3）二次調索。 拉索安裝工況的目的是校核斜拉索安裝時的拉索張拉力；二期鋪裝工況的目的是獲取二期鋪裝完成后索力以及橋面標高等結構參數，用以擬定二次調索的張拉力；二次調索工況的目的是檢測調索索力是否張拉到位，同時校核最終成橋索力與設計索力的差距。

3.1.1 拉索安裝工況

主梁節段澆筑完成一次張拉斜拉索后，大部分拉索索力均小于設計成橋索力，越靠近橋塔的斜拉索與成橋索力差值越大，其中B1/Z1/Z2 斜拉索差值較大，分別達到了818、1 075 和1 037 kN。 而遠離橋塔的斜拉索索力則與設計成橋索力相近, 主要原因是靠近橋塔的斜拉索先行張拉，隨著后續拉索逐步張拉完成，先期張拉的斜拉索所承擔的荷載逐步被后續張拉的斜拉索分擔，導致斜拉索松弛，索力下降。 雖然在斜拉索張拉過程中已經對先行張拉的斜拉索進行了一定的超張拉，但斜拉索實際索力分布與模擬結果仍存在一定偏差。

表1 橋塔一次張拉與設計成橋索力對比

3.1.2 二期鋪裝完成后工況

二期鋪裝完成后，索力在一次張拉的基礎上有所增加，靠近橋塔部分斜索與設計成橋索力水平差距進一步減小，其中差值較大的B1/Z1/Z2 索力差值分別為773、769 和848 kN。

表2 橋塔二期鋪裝與設計成橋索力對比

3.1.3 二次調索工況

斜拉索的成橋索力必須結合主梁線形來綜合考慮， 根據主梁線形和二次鋪裝后索力實測數據，對索力差值較大的B1/Z1/Z2 3 對斜拉索進行二次調索。 在二期調索階段，通過對索力的微調，達到結構受力和主梁線形的最優狀況。 從索力的測量結果來看， 調索后全橋12 對索中有6 對索的索力和設計成橋索力差距在5%范圍內， 有5 對索的索力誤差在5%～8%， 索Z4 和設計成橋索力在10%左右。應力監控測量結果顯示主梁應力狀態較好；全橋線形平順，標高和設計值吻合良好；斜拉索索力安全系數也在規定允許范圍之內。 上述幾項結構參數監測結果顯示橋梁已處于較理想狀態，因此不再對其余斜拉索索力進行調整。

表3 橋塔二次調索與設計成橋索力對比

3.2 主梁標高及線形

主梁標高及線形的控制直接影響運營階段橋梁行車的舒適性和安全性，是斜拉橋施工監控的重要內容。 本項目主梁滿堂支架施工之前，現澆支架及模板系統在主梁澆筑之前均按要求進行了預壓，消除支架、模板及基礎變形等因素帶來的影響。 各梁段施工前后主梁標高的測量結果顯示，主梁脫架之前標高基本符合施工精度要求，且變形很小。 主梁標高及線形的監控重點關注斜拉索張拉、主梁脫架及成橋等工況。

通過對成橋后主梁標高和線形進行測量，并與設計值對比，結果見圖7。 從圖7 可知，成橋主梁標高和線形與設計理想狀態吻合良好，全橋標高偏差均小于10 cm，滿足規范[3]規定的主梁軸線偏位的規定。梁體最大偏位值均出現在主跨跨中位置。其中，橋塔往小樁號側主跨最大標高偏差為2.2 cm，與跨徑的比值為1/2545；橋塔往大樁號側主跨最大偏差為2 cm，與跨徑的比值為1/4800。

圖7 主梁成橋標高及標高偏差示意圖

3.3 主梁應力

主梁的應力水平在施工階段全程監測。 由于邊界約束條件不一致、箱梁剪力滯效應、局部應力釋放、混凝土局部澆筑質量差異導致的彈性模量差異，以及測量儀器本身存在誤差等因素的影響，箱梁測點應力與模型計算結果表現出一定的離散性，但整體仍處于可控范圍內。 主梁應力監控測點在施工各階段均處于受壓狀態，且應力水平在規范規定的材料容許應力范圍內。塔梁固結根部（6 號截面）、主跨跨中（8 號截面）以及主跨邊墩墩頂（9 號截面）3 個典型斷面在主梁預應力張拉完畢以及斜拉索張拉完畢脫架后2 個工況的應力水平見表4。

表4 主梁3 個典型斷面應力

4 結論

以1 座滿堂支架施工的獨塔單索面預應力混凝土箱梁斜拉橋為研究對象，通過將結構各施工階段及成橋實測參數與仿真分析結果進行對比分析，得出以下結論：（1）對現場實測參數和有限元仿真模擬結果進行對比，分析了造成結構施工狀態和理想狀態存在差異的原因，并對施工參數進行干預和調整， 及時糾正施工過程與設計理想狀態的偏差，避免偏差的疊加和發散，最終實現斜拉橋成橋狀態接近設計理想狀態；（2）通過一定的施工監控手段，可以很好地控制該類型橋梁的成橋狀態，確保橋梁結構的安全性和舒適性。