千米級混合梁斜拉橋無應力索長及幾何線形控制

謝明志，卜一之，魏 然，李少鵬

(1.西南交通大學峨眉校區 土木工程系，四川峨眉山614202;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031;3.中國長江三峽集團公司，四川成都610042)

0 引言

混合梁斜拉橋邊跨混凝土梁自重和剛度大，錨固作用強，其獨特的結構體系和受力特點受到諸多國家青睞［1］。過去20年里，該橋型在我國發展迅猛，由大跨度向特大跨度發展。當前，對混合梁斜拉橋的施工控制主要采取對拉索索力及主梁標高予以“雙控”的方式［2］。國內外千米級混合梁斜拉橋目前處于起步階段，具有結構體系復雜、施工工序繁多、施工期結構剛度較低、結構施工過程及成橋狀態對誤差極為敏感等諸多特點，施工精度及施工安全性彰顯突出，因而對施工監控方法有更高要求。

混合梁斜拉橋邊中跨材料及結構上的特點使其與全鋼箱梁在力學及施工控制實施上存在差異［3-5］，如何保障成橋內力與線形逼近理想狀態，成為施工監控的重要任務。結合大跨度混合梁斜拉橋施工及受力特點，以部分控制理念指導施工監控，橋梁施工過程的安全性及控制精度將可能降低［6］。國內外學者通過對大量工程的研究，引入“精度控制”概念［7-8］，對構件制造和安裝過程進行全過程控制。經過多年發展，斜拉橋施工監控技術取得長足進步，李喬，等［9］針對千米級全鋼箱梁斜拉橋的施工監控，提出基于幾何控制的全過程自適應施工控制，制定了特大跨度斜拉橋施工監控實施的指導原則及控制系統基本框架。因此，基于幾何控制理論進一步研究千米級混合梁斜拉橋施工控制問題，發展精度高、控制手段更直接高效、便于工程應用的拉索及幾何線形控制方法，具有重要的理論意義和實踐意義。

筆者基于幾何控制法，結合制造加工及安裝階段情況，對千米級混合梁斜拉橋無應力索長及幾何線形控制進行研究，安裝階段將無應力線形、無應力索長的控制轉換成夾角、引伸量控制，并根據混合梁斜拉橋現場測試數據驗證了該方法的有效性。

1 無應力索長及幾何線形控制研究

1.1 控制基本原理

幾何控制法以構件的無應力狀態量［10］為紐帶，將斜拉橋制造階段與成橋階段連接起來，依據其基本原理:幾何體系一定的彈性結構在某一時刻的內力和變形狀態唯一地取決于此刻結構所受的作用體系，而與此前結構構件的安裝歷程、作用的施加和變遷歷程無關［11］。因此，對無應力狀態量的準確控制，是確保施工結束后的內力和線形與設計理想值相吻合的關鍵。

1.2 工程簡介

鄂東長江公路大橋主橋為雙塔雙索面的9跨連續半漂浮混合梁斜拉橋。其跨徑布置為(3 ×67.5+72.5+926+72.5+3 ×67.5)m，如圖1。該橋邊跨采用滿堂支架現澆施工，鋼-混結合梁段設在中跨距索塔中心線12.5 m處，主跨采用懸臂拼裝施工。塔柱采用倒Y型結構，其中下塔肢、橫梁和中塔肢為鋼筋混凝土結構，上塔肢為鋼錨箱-混凝土組合結構。該橋采用幾何控制法進行施工監控。

圖1 鄂東大橋總體布置(單位:m)Fig.1 Overall view of Edong Bridge

混合梁斜拉橋在制造階段及現場施工過程中，影響主要構件的因素頗多［12］，將直接導致無應力狀態量發生變化，最終影響成橋內力和線形。因此，加強各關鍵階段的監控，以設計成橋線形和內力不變為條件，適時對無應力狀態量進行修正，亦是自適應控制的重要組成部分［9］。

1.3 結構計算模型

計算分析采用西南交通大學橋梁工程系研發的大跨度橋梁非線性分析軟件NLABS，充分考慮幾何非線性，對鄂東大橋建立分析模型。

與全鋼箱梁斜拉橋不同，混凝土收縮徐變對混合梁斜拉橋的內力、線形影響不容忽視，本橋在進行計算分析時充分考慮該影響。

2 無應力狀態量控制

2.1 斜拉索無應力長度控制

拉索作為主要承力構件，在施工及成橋階段對結構的穩定、安全發揮重要作用。謝明志［12］對特大跨度混合梁斜拉橋參數敏感性做了詳細研究，無應力索長和斜拉索彈模是影響結構內力和線形的關鍵因素。并且，拉索的彈性模量誤差將直接影響其無應力長度;另一方面，其受混凝土錨點坐標的影響不容忽視，呈現與全鋼箱梁斜拉橋不同之處。因此，對拉索制造加工及張拉階段的高質量控制，是保證合理成橋狀態的關鍵。拉索無應力長度控制流程如圖2。施工中，需結合實測錨點坐標及各階段梁重發生的變化，基于設計成橋目標值，對無應力索長計算進行修正;張拉過程中以引伸量來控制。

根據施工過程中實際情況，對黃石側14～18號斜拉索進行分析，無應力拉索制造長度經修正后如表1。

圖2 拉索無應力長度控制流程Fig.2 Process control of unstressed cable length

表1 修正后的拉索制造無應力長度Table 1 Fabric unstressed cable length after correction /m

由表1可見，部分拉索無應力索長差異較大，主要原因在于:原始無應力索長是基于理論參數、理想情況計算所得，即施工進場前計算的理論值;實際中錨點坐標變化、各批次拉索制造誤差、彈模變化、結構剛度、主梁重量發生變化等因素均將導致無應力索長發生變化。為確保理想成橋目標狀態，鄂東橋施工監控過程中，基于成橋目標索力及線形不變原則，通過實測數據，重新計算無應力索長。

張拉過程將拉索引伸量作為控制量，按階段目標實現(考慮施工過程安全可能需多次張拉實現)，實現無應力索長的控制，最終達到與成橋階段保持一致的總體原則，進而達到合理的成橋線形及成橋索力。斜拉索引伸量的控制如圖3，對于非張拉端(或先錨固端)監控單位將直接給出螺母安裝位置，即:D0=ΔL0-h(h為螺母厚度);對于張拉端，索實際受力后“無應力”長度為:L0=L-ΔL0-h-D，則錨頭引伸量D=L-ΔL0-h-L0。監控中，對鄂東橋240根斜拉索無應力長度的控制、修正均按此原則進行。

圖3 拉索張拉控制示意Fig.3 Illustration of cable tension

2.2 主梁無應力線形控制

混合梁斜拉橋，邊中跨結構、施工方式不同，致使對主梁無應力線形的監控亦不同。對于滿堂支架現澆施工邊跨混凝土，無應力線形是以立模標高的形式予以實現。由于支架的變形，在確定立模標高時應考慮這部分的影響，考慮支架的彈性變形和非彈性變形。

鋼箱梁無應力線形需加強制造及安裝兩階段控制。鄂東橋主跨鋼箱梁分批、分段制造，制造階段無應力線形控制流程如圖4。

圖4 制造線形控制流程Fig.4 Process control of fabrication profile

因此，在拼裝過程中，對主梁無應力線形的嚴格控制，使其保持不變，是達到理想成橋狀態的先決條件。對主梁無應力線形的控制在梁段精匹配時進行，通過對局部梁段進行無應力夾角監控(實際施工中，以相對高程的匹配實現)反映主梁的無應力線形，如圖5。

圖5 精匹配示意Fig.5 Illustration of precise matching

M為新安裝梁段，匹配時，因橋面吊機吊著，視為無應力狀態，M-1及M-2為已施工完梁段，為有應力狀態。M梁段安裝時，通過先測量出M-1梁段Y1、Y4點的高程 U2、U1，即計算出M-1梁段的傾角δ:

設理論無應力夾角為α，梁段剛性轉角和彈性轉角為θdef。D1為Y1、Y4之間的距離。M-1處于有應力狀態，δ中包含了θdef。假設以α進行精匹配，釋放M-1梁段的彎矩和剪力，M-1和M梁段實際無應力夾角為(α+θdef)，與理論值不符。因此，相鄰梁段M-1和M需以夾角(α-θdef)進行精匹配，即可保證主梁無應力曲率保持一致，則M梁段安裝時的高程U3為:

式中:D為M和M-1梁段Y1點間的間距。

式(1)中的U1、U2的差值可扣除現場安裝時諸多未知因素所帶來的誤差。實質上，U3是按相鄰梁段M、M-1梁段間的夾角(α-θdef)計算所得。(U2-U1)/D1為考慮M-1梁段剛性轉角、環境因素、已安梁段的誤差等諸多因素影響的修正項。

該橋鋼箱梁精匹配過程中，通過對高程的控制來實現對無應力夾角的控制，從而保證主梁無應力線形不變，既滿足精度要求，又方便快捷，取得了很好的控制效果。

3 施工控制驗證分析

鄂東橋采取全過程自適應施工控制，對制造加工、梁段安裝、拉索張拉進行嚴格控制，對出現的誤差及時修正。按照幾何控制法，中跨成橋線形對比如圖6。

從圖6可看出，中跨成橋線形平順、光滑，與成橋設計目標線形吻合良好。最大線形誤差132 mm，為跨度的1/7 015，滿足監控手冊中的線形控制目標要求。幾何控制法雖沒有精匹配標高控制、拉索張拉索力控制那樣直觀，但卻規避了溫度變化、臨時荷載不準確及風力等對標高、索力的影響，以“夾角匹配、索長張拉”的工藝獲得了很好的實施效果，從實踐的角度證實了幾何控制法的正確性和可操作性。

圖6 中跨成橋線形對比Fig.6 Comparison with profile of middle span upon completion state

混合梁斜拉橋邊中跨結構各異，邊跨成橋線形對比如圖7;因南北岸結構、受力對稱，以北岸為例，跨中及邊跨索力對比如圖8。

圖7 邊跨成橋線形對比Fig.7 Comparison with profile of side spans upon completion state

圖8 北岸索力對比Fig.8 Comparison with cable force in north side

由圖7、圖8可看出，邊跨竣工線形與理論線形十分吻合，最大線形誤差為11 mm，驗證了邊跨線形較易控制，不是邊跨控制重點的理念，邊跨以索力、應力控制為主的理念是正確的。大橋的施工經歷了復雜的環境、氣候變化，充分體現了幾何控制法受環境因素影響小的特點。

4 結論

根據特大跨度混合梁斜拉橋制造、安裝階段面臨的問題，以鄂東長江公路大橋為背景，研究無應力索長及幾何線形控制，并對該橋進行施工監控。通過工程實踐及系統研究，可得出以下結論。

1)特大跨度混合梁斜拉橋施工監控中，以理想成橋線形、索力為目標，將無應力線形、無應力索長的控制轉換成夾角、引伸量的控制，該法可操作性強、能獲得良好的控制結果;采用該方法亦可規避施工過程中，環境變化對結構造成的誤差，提高控制精度。

2)該控制方法的成功運用，為千米級混合梁斜拉橋的施工監控提供了一種新的控制思路、控制理念，對同類型大型結構的施工控制具有重要的借鑒價值。

［1］陳開利，余天慶，習剛.混合梁斜拉橋的發展與展望［J］.橋梁建設，2005(2):1-4.Chen Kaili，Yu Tianqing，Xi Gang.Development and prospective of hybrid girder cable-stayed bridge ［J］.Bridge Construction，2005(2):1-4.

［2］石雪飛，項海帆.斜拉橋施工控制方法的分類分析［J］.同濟大學學報，2001，29(1):55-59.Shi Xuefei，Xiang Haifan.Analysis of construction control systems of cable-stayed bridge［J］.Journal of Tongji University，2001，29(1):55-59.

［3］黃冰釋，唐守峰，趙燦暉.鄂東大橋施工期結構行為與施工監控關鍵技術［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2010，29(5):688-692.Huang Bingshi，Tang Shoufeng，Zhao Canhui.Structure behavior and construction monitoring key technology in construction of Edong Changjiang River Bridge［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(5):688-692.

［4］Li Qiao，Dong Xuewu，Huang Can，et al.Sensitivity Analysis of Structural Parameters for Super-Span Cable-Stayed Bridge and Its Application［C］.Taipei:The 11th East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering ＆ Construction，2008.

［5］黃燦，卜一之，張清華.特大跨度斜拉橋施工幾何控制原理的數值驗證［J］.中國工程科學，2009，11(1):87-90 Huang Can，Bu Yizhi，Zhang Qinghua.Numerical verification of geometry control theory of the construction for super-span cablestayed bridge［J］.Engineering Sciences，2009，11(1):87-90.

［6］翟世鴻，張照霞.國內超大跨度鋼斜拉橋上部結構施工控制探討［J］.中外公路，2006，26(1):108-112.Zhai Shihong，Zhang Zhaoxia.Discussion of the construction control of the upper structure of domestic super-span steel cable-stayed bridge［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2006，26(1):108-112.

［7］Manabe Y，Hirahara N，Mukasa N，et al.Accuracy Control on the Construction of Tatara Bridge［C］.Malmo Sweden:IABSE Conference，1999.

［8］Yanaka Y，Takazawa T，Hirahara N.Erection of the Tatara Bridge's Superstructure［C］∥Long-Span and High-Rise Structures.Switzerland:IABSE，1998:75-80.

［9］李喬，卜一之，張清華.基于幾何控制的全過程自適應施工控制系統研究［J］.土木工程學報，2009，42(7):69-77.Li Qiao，Bu Yizhi，Zhang Qinghua.Whole-procedure adaptive construction control system based on geometry control method［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42(7):69-77.

［10］秦順全.無應力狀態控制法——斜拉橋安裝計算的應用［J］.橋梁建設，2008(2):13-16.Qin Shunquan.Application of unstressed state control method to calculation for erection of cable-stayed bridge［J］.Bridge Construction，2008(2):13-16.

［11］李喬，卜一之，張清華，等.大跨度斜拉橋施工全過程及幾何控制概論與應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2009.Li Qiao，Bu Yizhi，Zhang Qinghua，et al.Conspectus of the Geometry Control Method of the Whole-Procedure of Long-Span Cable-Stayed Bridge and Application［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，2009.

［12］謝明志.特大跨度混合梁斜拉橋全過程監控中的誤差控制［D］.成都:西南交通大學，2011.Xie Mingzhi.Error-Control of Whole-Procedure Construction Control in Super Long-Span Hybrid Girder Cable-Stayed Bridge［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2011.