獨塔空間扭索面-全漂浮體系斜拉橋橋塔施工控制研究

郭 鋒

（太原市城市建設管理中心，山西 太原 030009）

1 概述

太原市攝樂大橋位于山西省太原市攝樂街與汾河交點處。攝樂大橋為獨塔空間扭索面全漂浮體系形式斜拉橋，橋跨組成（30+150+150+30）m全長為360 m，鋼箱梁橋面標準橫斷面寬度為51.5 m，鋼橋塔橫橋向為“A”形，無橫梁，總高113 m，其中，下塔柱為鋼筋混凝土結構，高20.5 m；上塔柱和中塔柱均為鋼結構，分別高33.18 m、59.32 m，斜拉索采用多股平行鋼絲成品索，各跨索距均為10 m。攝樂大橋總體布置詳見圖1。

圖1 攝樂橋立面布置圖（單位：m）

2 有限元仿真計算分析

采用有限元仿真軟件MIDAS Civil 2012，主橋幾何尺寸、結構參數和實際施工順序按照攝樂大橋主橋實際情況進行有限元建模分析，攝樂大橋主橋仿真模型共劃分358個節點、298個單元、138個彈性連接以及22個施工工況等。其中混凝土主墩柱、鋼混結合段、鋼箱梁橋塔以及鋼主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬以無應力長度進行模擬，主梁以及鋼橋塔按照實際狀態進行荷載模擬，其中橫隔板采用集中荷載的方式施加在實際位置。主梁全梁段位于滿堂滑移支架上，其施工方法按照實際施工順序進行模擬，主墩墩底進行固結，主梁與墩連接為鉸接，根據實際彎矩方向進行約束[1]。全橋模型見圖2所示。

本文主要研究橋塔的線形以及應力的施工控制，所以以該橋獨塔為計算對象進行單獨模擬。獨塔局部模型如圖3所示。

圖2 全橋結構模型圖

圖3 橋塔模型圖

3 橋塔線形施工控制

本橋塔為“A”形橋塔，截面為扇形，截面高度從橋塔底部至頂部基本保持不變，截面寬度從橋塔底部至頂部按照緩和曲線進行變化。成橋狀態下，橋塔受到截面法向壓力、切面剪力以及彎矩。在這幾個不同受力下，需要嚴格控制鋼箱梁橋塔實際制造誤差、安裝偏差以及預判橋塔施工節段變形，在施工工程中通過實際監控手段，對應力以及位移分階段進行采集，通過實際采集數據[2]進行綜合分析，預測橋塔相關數據變化趨勢，嚴格控制鋼橋塔施工誤差[3]，確保主橋施工完成后，橋塔結構的線形以及受力符合設計要求。

3.1 線形及變形測點布置

橋塔拼裝施工時，理論數據結合實際采集數據，以監控指令的方式，向施工單位提供下一步施工數據，主要包含鋼箱梁梁段的立模標高、鋼橋塔預偏與預抬以及斜拉索的張拉等。按照監控方案，對應不同實際施工工況，及時捕捉主橋結構關鍵位置的應力與變形，并與理論數據進行對比，對需要調整的參數進行及時調整，使得成橋狀態下的橋塔達到設計要求。

橋塔監測通過全站儀進行，在橋塔頂部與橋塔1/2位置附近分別布置測點，在測點上表貼小棱鏡。測點縱向布置如圖4。

圖4 橋塔變形觀測點布置示意圖（單位：m）

3.2 橋塔拼裝預拱度設置

根據有限元軟件計算分析，橋塔水平最大偏移量達到15 cm，在橋塔塔身設置3個臨時橫撐后，第一道橫撐與第三道橫撐橫橋向水平位移均在4 mm以內，第二道橫撐橫橋向最大水平位移3 cm，根據模擬結果，需對橋塔第一道橫撐與第二道橫撐之間的鋼塔節段進行預偏以及預抬設置，考慮結構恒載和靜活載一半的影響，給出了橋塔第一道橫撐與第二道橫撐之間的鋼塔各節段拼裝A、B主控制點預偏與預抬值以及理論安裝坐標，如表1（見51頁）所示。（節段含義：鋼塔沿著高度方向劃分成35個區間，每個區間稱為一個節段如T9下指9號鋼塔節段的下端面。）

圖5 主控點布置圖

4 橋塔應力施工控制

橋塔應力施工控制的主要內容，即通過有限元分析軟件模擬實際施工工況，考慮結構恒荷載以及施工臨時荷載最不利組合情況下，判斷出橋塔結構最不利截面（即應力值較大處），通過最不利截面的位移與應力來評定該施工方案的可行性，并在這些截面位置處，安裝相應類型的應力傳感器，監測各個施工階段下該截面的實際應力，通過實際應力與理論應力的對比，來評價該施工質量[4]。

攝樂橋塔分為下塔柱、中塔柱以及上塔柱，下塔柱為空心混凝土墩，中塔柱與上塔柱均為鋼塔節段，根據最不利位置監測原則，在下塔柱空心混凝土截面布置預埋式混凝土應變傳感器監測混凝土應力（截面位置如圖6所示A-A、B-B所示），在整個全橋施工過程中，監測混凝土拉應力變化，對施工過程中混凝土開裂進行預警；由于鋼混結合段向空心鋼塔過渡存在截面突變，需在鋼混結合段頂部處鋼塔節段表面安裝表貼式傳感器，監測鋼塔節段應力（截面位置如圖6所示C-C、D-D所示）,橋塔測試截面布置見圖7，每個截面安裝4個傳感器，如圖7所示。其監測結果見表2所示。

表1 橋塔拼裝預拱度及安裝理論坐標 m

圖6 橋塔應變測試截面布置示意圖

圖7 橋塔應變監測截面傳感器布置示意圖（單位：mm）

由于橋塔橫撐的作用，在整個橋塔施工中，橋塔混凝土截面外側傳感器沒有監測出明顯的拉應力，與實際混凝土沒出現裂紋相吻合，由于混凝土理論計算應力值過小，實測值又誤差較大，使得實測值與理論值存在較大偏差，鋼塔截面所監測的應力與理論應力基本吻合，應力均在可控范圍以內。

表2 橋塔施工過程應力變化 MPa

5 拉索索力與主梁線形施工控制

太原市攝樂橋主梁梁高均為3.2 m左右，全橋為全漂浮體系，主跨300 m梁段荷載均由斜拉索承擔荷載，全橋由64根斜拉索形成空間扭索面；該主橋結構決定了該橋剛度偏柔性，導致索力與主梁線形極難控制；同時在施工過程中，由于氣候的影響，使得原來在調完索力再進行橋面鋪裝的工序變更為先進行橋面鋪裝后，再進行拉索與索力調整，該施工順序的改變，使得實際主梁截面受力與理論存在差別，原有的索力張拉將會與成橋索力形成較大誤差；這些因素使得攝樂橋的索力調整與主梁線形控制成為重難點。

為使攝樂橋的成橋索力與主梁線形與設計達到一致，擬決定以無應力索長的方式進行施工控制，即：以設計成橋索力和成橋線形為主要目標，計算出斜拉索無應力長度，并將無應力長度代入有限元施工模型，由此得到斜拉索的初張拉力，無應力索長計算公式為：

表3 拉索初張拉力及成橋索力控制

索力變量百分比=（實際索力-理論索力）/理論索力；斜拉索索力控制效果[6]由斜拉索索力變量大小決定。（拉索編號：拉索由橋塔塔身向邊跨方向依次稱為M1、M2…M16，拉索關于獨橋塔身對稱雙索面分布，共計64根拉索。）

通過無應力索長控制可得：由于預拱度原因，斜拉索初始張拉較小，其主梁荷載仍然以滿堂支架承擔為主，待滿堂滑移支架拆除后，斜拉索索力由于承擔主梁荷載而迅速增加，最終成橋狀態下索力與理論成橋索力相差值均控制在±4%以內，目標線形與成橋線形控制在3 cm以內。

圖8 主梁線形對比圖

6 結論

由于太原市攝樂大橋主橋結構新穎、受力形式復雜，且主梁以及主塔剛度較小，易導致主梁最終成橋線型與設計狀態出現偏差。為全面監控橋梁結構的應力值與變形量，需對主梁以及鋼塔的各個關鍵部位，進行應力應變觀測點以及變形位移觀測點布置，并對斜拉索進行索力測試，及時了解攝樂大橋主橋結構實際受力與變形狀態，并對實測數據與理論數據對比分析，修改模型參數，為主橋施工提供相應的技術依據；該類型的監控方法能為同種類型的橋梁施工控制提供一定的參考價值。