南澳大橋施工監控技術開發研究

■王新剛，董佳鵬，樊士廣

■1.中交天津港灣工程研究院有限公司結構所，天津市 300222;2.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002

1 引言

矮塔斜拉橋是高次超靜定結構，其施工方法與成橋后的主梁線形和結構內力有密切關系，特別是在施工中如果要進行索力調整，這勢必引起主梁內力和標高的變化，再加上混凝土徐變、收縮的影響，使得混凝土矮斜拉橋在施工過程中受力十分復雜。因此，必須對矮塔斜拉橋拉索張拉噸位對主梁撓度、塔柱位移等施工控制參數的理論計算值，以及施工程序做出明確規定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保矮塔斜拉橋在施工過程中橋梁結構始終處于安全范圍內，并在成橋后使主梁的線形符合設計要求，受力處于最優狀態。由此可見，矮塔斜拉橋的施工監控是十分重要的。

本文結合廣東省南澳大橋，在研究現代控制理論的基礎上，應用midas/Civil 橋梁結構專業有限元軟件對矮塔斜拉橋施工過程進行仿真模擬，結合現場實測數據，研究開發能夠推廣應用的矮塔斜拉橋施工監控技術。

2 矮塔斜拉橋施工監控內容及方法

2.1 矮塔斜拉橋施工監控的監測內容

(1)幾何變形監測。矮塔斜拉橋的幾何變形測量包括主梁標高測量、軸線測量和主塔變位測量，并對測量結果進行分析、處理，提出相應的控制意見。

(2)混凝土應力監測。主要目的是了解梁、塔控制截面的應力狀況，確保結構施工安全。結構應力的變化不像變形控制那樣易于發現，若應力控制不力將會給結構造成危害，嚴重者將發生結構破壞，所以，它比變形監測顯得更加重要。

(3)斜拉索索力監測。斜拉索索力值將直接影響主梁的線形及結構的施工質量和施工安全，因此在施工過程中必須準確掌握索力的實際狀態。

(4)溫度監測。溫度監測主要針對日照引起的橋梁混凝土結構由表及里的表層溫度梯度，使混凝土產生非均勻變形，對橋梁結構內力和變形的影響是極為復雜的，尤其在施工階段，對主梁變形和主塔水平位移的影響尤為顯著。

2.2 矮塔斜拉橋施工階段控制的主要方法

在矮塔斜拉橋施工過程中，主要采用自適應控制系統［1］

2.3 矮塔斜拉橋施工過程模擬分析方法

矮塔斜拉橋施工過程模擬，必須模擬現場施工過程，詳盡地分析各施工階段的受力特性和變形。施工監控中橋梁結構的模擬分析計算方法主要有倒拆計算法、正裝計算法和倒拆一正裝計算法。

3 南澳大橋施工過程仿真分析計算

3.1 工程概況

南澳大橋為連接汕頭市南澳縣與汕頭市區的一座跨海大橋，主橋為(126 +238 +126)m 矮塔斜拉橋。主梁為單箱單室斷面，根部梁高8m，跨中及邊跨現澆段梁高4m，以路線中心線為基準呈2.0%雙面坡構造，梁高按2 次拋物線變化。主橋預應力混凝土箱梁采用C60 混凝土，主塔墩采用C50 混凝土。主梁頂面寬14.4m，兩側懸臂寬度為1.1m。

3.2 南澳大橋分析計算模型的建立

應用橋梁專業有限元軟件Midas/Civil，按照設計圖紙和實際施工階段的劃分，建立有限元分析模型。

3.3 南澳大橋的仿真分析計算

施工監控實施前必須進行詳細的施工監控仿真分析計算，對該橋在給定的成橋索力值作用下進行計算復核，復核主梁截面應力在成橋狀態時使用荷載作用下是否滿足要求。經過計算，成橋狀態時主梁截面上下緣混凝土最大的壓應力和最大拉應力均滿足C60 混凝土的容許值。

3.4 斜拉索初拉索力的確定

斜拉橋是多次超靜定結構體系，所以計算拉索初拉力需要多次的反復計算。

MIDAS/Civil 的未知荷載系數功能使用了索力優化法則，可以計算出特定約束條件的最佳荷載系數，在計算斜拉橋拉索初拉力非常有效［2］。

3.5 主梁立模標高的確定

立模標高應滿足成橋時的主梁標高與設計成橋標高一致的要求。本橋立模標高的計算方法。立模標高按下式確定:。其中，H 為主梁的立模標高;H0 為成橋后3 年主梁的設計標高;H1 為施工過程因施工荷載及混凝土在施工階段的收縮徐變等的累積撓度;從為成橋后3 年混凝土收縮徐變的撓度值(不包括施工階段的)和1/2 活載撓度值之和。

4 南澳大橋的施工監控

4.1 施工監控的目標

施工監控總的來說有兩方面的目標:一是實現設計文件所規定的成橋狀態;另一目標是保證結構在施工過程中的安全。

4.2 斜拉索索力的調整

在斜拉橋的施工過程中，斜拉索的索力在不斷地發生變化，為使實測索力值達到設計索力值，可以充分利用斜拉索的“主動受力”的特征，通過多次張拉斜拉索使最終調索后的成橋索力與合理成橋狀態的索力相近。

4.3 主梁標高的控制

矮塔斜拉橋的主梁剛度較大，不能利用索力調整進行主梁線形調整，在箱梁混凝土澆筑過程中，必須對立模標高控制，即對主梁施工線形進行嚴格控制。在矮塔斜拉橋施工中，進行線形控制的目的不僅是為保證橋梁線形符合設計要求，而且關系到梁上索導管與拉索相對位置是否準確，拉索能否在索導管內自由活動，拉索在承受活載時是否受剪等問題。如果拉索抵死索導管，使得拉索承受額外的剪力，則橋梁的耐久性將大大降低。主梁標高測點布置在每節段梁距前端30cm 處，在橫斷面布置6 個測點，即主梁中心處和上、下游處。

4.4 溫度和應力的監測

結構的應力監測是反映結構是否處于安全狀態的最直觀的指標。因此在索塔及主梁的重點部位設置應力監測斷面。主塔共設置3 個測試截面，分別在上橋塔相連處、塔與主梁相連處及橋塔根部。主梁共布置8 個應力監測截面。

5 施工監控成果綜述

南澳大橋主梁于2010 年4 月開始施工，于2014 年9 月進行主跨合攏。南澳大橋在施工控制的實施過程中，業主單位、設計單位、監理單位、監控單位、施工單位緊密配合，使得施工控制工作能夠順利進行。從本橋目前施工控制的整個過程來看，無論是主梁線形，還是索力和主梁應力，都得到了很好的控制，達到了規定的要求。下面給出主梁施工完畢后的標高、應力、索力的計算值與實測結果。

6 結論

本文結合南澳大橋工程，對矮塔斜拉橋的施工監控進行了開發研究。從整個施工監控過程來看，無論是索力、主梁應力和主梁線形都得到了很好的控制，達到了施工監控的目的和要求，證明了本橋施工監控的原則和方法的合理性，為今后類似的混凝土矮塔斜拉橋施工監控提供了有益的參考和借鑒。

［1］袁震東.自適應控制理論及其應用.華東師范大學出版社，1988.

［2］葛俊穎.橋梁工程軟件midas Civil 使用指南.北京:人民交通出版社，2013.