南浦大橋內力調整施工監控技術研究

鄧一楠

（上海久事置業有限公司，上海200092）

1 工程概況

南浦大橋是上海市區第一座跨越黃浦江的特大型斜拉橋，于1991年建成通車。東接浦東南路及楊高路，西接陸家浜路與中山南路，總長8 629 m，設計通車能力為5萬pcu/d，大橋由主橋和東、西引橋等三部分組成：主橋長846 m，為全漂鋼-混凝土疊合梁斜拉橋，寬30.35 m，中孔跨徑423 m，主塔高154 m，橋下通航凈高46 m。

南浦大橋在運營過程中一直對其進行定期檢測，現有數據表明，大橋浦西主塔沉降達416.44 mm，浦東主塔為157.78 mm，累計差異沉降達258.66 mm，按平均沉降量計，差異沉降速率為14.37 mm/a（見圖 1）。

圖1 南浦大橋主橋沉降現狀圖

分析認為：“大橋浦西和浦東部分都處于整體沉降狀態。浦西主引橋各橋墩絕對沉降值之間的差異沉降最大為29.73 mm，浦東為28.53 mm，而浦西和浦東主塔之間的差異沉降已經達到了258.66 mm。造成大橋浦東浦西差異沉降的主要原因是上海地勢的整體下降。”

2011年12月到2012年1月，通過局部索力的調整優化全橋特別是主梁跨中區域的受力。基本思路是增加中跨浦西側9～22號索索力，并同時減小浦東側9～22號索索力，每組索（同一編號的上游側與下游側索為一組索）索力的改變最大為700 kN。通過逐步地調整索力，消除不均勻沉降在主梁跨中區域產生的不利于結構安全的附加彎矩。圖2為索力調整區域示意圖，表1給出了拉索索力調整范圍和索力值。

圖2 索力調整區域示意圖

表1 索力調整值一覽表（單位：kN）

2 理論分析及測點布置

采用MIDAS建立全橋模型進行分析，鋼主梁、橫梁采用梁單元離散，混凝土板采用板單元模擬，拉索采用等效彈性模量直桿單元（考慮垂度影響）。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

理論計算表明，在內力調整過程中，主梁應力變化和撓度變化主要集中在跨中區域、輔助墩頂，根據計算結果布置了相應的測試斷面如圖4所示。圖5為主梁應力測點布置圖。

圖4 主梁應力測試斷面圖

圖5 主梁應力測點布置圖

3 索力監控方法

調索施工中索力的控制是唯一的控制手段，因此需要對其進行精確監控，采用的手段主要有三種：頻率法、伸長量和油壓表。采用三種方法平行測試：施工單位在張拉拉索時，記錄索力初始值（以螺帽剛剛脫離錨墊板時的索力為準，通過插薄鋼片來控制），然后根據指令對索力進行調整（增加或減少一定的張拉力），同時記錄伸長量（伸長量通過螺母擰動的圈數來記錄）；監控組采用頻率法同時測試索力的變化，通過頻率的改變來控制拉索的索力變化。

在實施過程中，遇到的主要問題有以下幾個：

（1）油壓表精度對索力的精確控制要求不匹配，如圖6所示，張拉用的油壓表最小讀數為1 MPa，對應的索力約12 t，而此次調索時，索力的該變量最小為5 t，因此油壓表讀數要靠估讀，存在一定的誤差。

圖6 調索時油壓表讀數圖示

（2）伸長量控制：在調索過程中通過測量錨頭的外露量來計算索的伸長量（見圖7），這種方法概念明確，但是在實際操作中會遇到拉索退扭問題，導致其測試結果在某些索上也不是很可靠。

圖7 錨頭外露量測量實景

（3）頻率法：測量拉索的自振頻率，由于設計給出的調整方法是逐對調整索力，并且明確要求第一位的控制指標是索力的變化量。在索力調整完成后，最大索力變化量理論值不超過6.3%，對于這么微小的變化采用頻率法控制非常方便，只要通過比較索力調整完成前后的拉索頻率即可說明問題，且回避了通過頻率計算索力時不同的假定帶來的計算誤差，而索力恰恰是與頻率的平方成正比關系。

4 監控結果與分析

4.1 索力

采用上節中說明的三種方法來控制張拉索力，在每組索的張拉中，要求最少有兩種方法的結果是吻合才判定張拉質量符合設計要求。

部分拉索在施工中出現了退扭現象，導致實測伸長量值不可信。退扭最為明顯有ERN22、ERS22、ERS21和ERS19索，對這部分拉索，實測伸長量僅供參考；部分拉索張拉時由于多種原因造成油壓表讀數精度不夠，特別是 ERN22、WRS21、ERN21、WRS20、ERS19和ERS20等，這部分索的張拉主要由頻率法和伸長量這個參數進行控制；考慮到油壓表控制張拉索力的確有困難，在18至9號索調整時，直接以伸長量作為施工單位的張拉指標，并以頻率法進行復核，監測數據表明這種控制辦法比油壓表控制更為有效。

實測結果表明，頻率法實測的索力變化量與設計值較為吻合，且與伸長量數據一致，表明調索過程中拉索的索力調整值符合設計要求。圖8、圖9給出了調索前后索力對照曲線圖，可見索力的變化趨勢與理論值吻合，之間的差值主要由于車輛活載、溫度等因素產生。

4.2 主梁撓度

在每組索索力調整過程中，都測量了主梁的撓度變化。調索過程中，主梁線形變化較為顯著的區域是中跨浦東側4號索（A59和B59測點）到浦西側4號索（A33和B33測點）之間，其他區域的主梁撓度很小，與理論計算比較吻合。

圖8 索力變化量實測與理論值比較曲線圖（一）

圖9 索力變化量實測與理論值比較曲線圖（二）

根據施工過程中的實際溫度變化和索力調整值進行了全過程的分析計算，索力調整完成后調索產生的主梁撓度和運營過程中不均勻沉降產生的主梁撓度基本抵消，相關曲線繪于圖10和圖11中，說明此次調索達到了抵消主梁跨中區域不均勻沉降產生的撓曲變形的預期目的，可見浦東側最大下放55.5 mm，浦西側最大上抬32.0 mm，兩側不均勻的原因有兩個，一是索力調整時浦東側索力變化值大于浦西側，二是調索前后有一定溫度差；實測主梁最大正負撓度絕對值之和為87.5 mm，設計理論計算值為97 mm，實測值與理論值基本吻合。

4.3 主梁應力

主要通過監測鋼主梁下緣應力變化來反應主梁彎矩的變化量，在考慮溫度修正后，索力調整在浦西側和浦東側鋼梁底緣產生的最大應力實測值分別為-19.4 MPa和20.4 MPa，與設計給出的沉降產生應力理論值相疊加后，應力值分別下降到4.5 MPa和-6.1 MPa（見表2），使不均勻沉降而導致的主梁跨中區域應力得到了有效釋放，釋放比例分別達81.2%（浦西側）和77.1%（浦東側）。

5 結語

（1）索力調整過程中，通過頻率法、伸長量和油壓表三種手段來控制張拉過程，至少有兩種方法的測試數據吻合才認為拉索索力調整到位。除個別索由于退扭等原因造成伸長量不可信以外，調整的索力基本都保證了伸長量實測值與頻率法實測值相吻合。索力調整完成后，全橋拉索的索力變化規律與理論值吻合，最大索力變化量為256 kN，約為索力的5%。

（2）實測主梁撓度和應變的變化均反映出不均勻沉降而導致的主梁跨中區域應力得到了有效釋放，且理論值與實測值吻合較好。說明該項內力調整達到了改善結構受力的預期目的。

圖10 下游側調索完成后主梁撓度變化曲線圖

圖11 上游側調索完成后主梁撓度變化曲線圖

表2 跨中附近鋼梁應力變化一覽表（單位：MPa）