大跨徑獨塔混合梁斜拉橋施工監控仿真分析

魯雄飛

(湖北江漢鐵路有限責任公司 武漢 430056)

隨著建筑材料性能的提升和斜拉橋結構分析方法與施工技術的逐漸完善，斜拉橋的跨越能力和穩定性正在向更強、更安全的方向發展。但斜拉橋的成橋線形和成橋應力對施工環境較敏感，施工本身的誤差、臨時荷載、溫度變化等因素均對其成橋狀態有較大影響，使得實際結構的狀態與預期會有一定偏差，并且這種偏差和成橋狀態的敏感程度會隨著主梁的逐段施工而不斷擴大。當偏差大到一定程度后必定會對斜拉橋的合龍、成橋線形和成橋應力產生影響，甚至會給橋梁結構后期的正常運營埋下隱患，因此，在施工監控的過程中須及時采集現場數據并與有限元分析的理論數據進行比對，分析誤差產生的原因，以便制定下一施工節段的調整方案。

橋梁施工監控以設計成橋狀態為工作目標，實時監測橋梁結構的狀態和項目環境狀況，對比分析監控實測數據與理論數據，運用現代控制理論，對誤差進行識別、調整、預測，最大限度的接近設計成橋狀態，并同時保證施工過程中的結構安全[1]。

1 工程概況

潛江鐵路支線跨漢江特大橋位于天門市岳口鎮，主橋跨越漢江，主橋采用32 m+50 m+93 m+260 m+38 m混合梁獨塔斜拉橋，半漂浮體系，全梁長474.2 m，總體布置見圖1。邊跨及部分中跨主梁為預應力混凝土箱梁，其余中跨主梁為鋼箱梁。

圖1 岳口江漢特大橋總體布置圖(單位：m)

索塔采用鉆石形索塔，橋面以上索塔采用倒Y形，橋面以下塔柱內縮為鉆石形，塔底以上索塔全高159.5 m，橋面以上塔高130 m，橋面以下塔高29.5 m，橋面以上塔的高跨比為1/2。斜拉索采用抗拉標準強度為1 670 MPa的鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，扇形布置，全橋共42對斜拉索。

2 監控內容

大跨徑獨塔混合梁斜拉橋施工監控內容由主梁線形監測、主塔變位監測、索力監測、應力監測、溫度監測5部分組成[2]。

2.1 主梁線形監測

主梁線形監測主要由高程測量和中線測量2項任務構成，其中主梁的高程測量是控制成橋線形的主要依據，中線測量是主橋順直保證的關鍵。高程測量采用幾何水準測量法，中線測量采用正、倒鏡觀測法。本項目每施工1個懸臂節段的過程中，測量時點分別設置在橋面吊機移動后、起吊鋼箱梁后、施工鋼箱梁后、張拉拉索后的4個工況下，測量工作應在溫度較低時進行。

2.2 主塔變位監測

主塔的變位測量主要是對主塔垂度的偏差進行測量，本項目中，在主塔塔頂靠大里程和小里程兩側分別安裝1個棱鏡，使用全站儀測量棱鏡點的三維坐標，從而即可對主塔偏差進行分析。

2.3 索力監測

拉索是斜拉橋的主要承載構件之一，其索力影響著主梁線形、主塔變位，甚至是結構安全，同時索力也是反映全橋內力狀態的重要指標。本項目中，索力的測量時點設置在橋面吊機移動后、起吊鋼箱梁后、施工鋼箱梁后及張拉拉索之后，且每次同時測量5對索力，即當前索力和之前最近依次懸掛的4對索力。索力的測量采用脈動法，根據受力拉索自振頻率與索力的關系來確定實際索力[3]。

2.4 應變監測

該橋主塔為混凝土結構，主梁為混合梁組合，小里程側采用混凝土箱梁滿堂支架澆筑而成，大里程側采用預制鋼箱梁懸臂拼裝而成。其中混凝土構件的應力測量使用應變片，測點布置在箱梁頂板和底板上；鋼箱梁應力測量使用手持式應變計測點，測量拉索錨固區應力，并做好溫度補償的修正。

2.5 溫度監測

斜拉橋作為一種超靜定結構，其應力狀態受溫度影響較大，會產生次應力，對索、梁、塔等空間結構產生非線性影響。在橋梁施工過程中，溫度效應主要體現在短期晝夜溫差和長期季節溫差形式上。環境溫度的測量采用高性能的熱敏電阻，拉索的溫度測量采取在實索相同部位懸掛試驗索，通過測量試驗索外表和內部測點的溫度的方式。

3 施工控制思路及計算方法

本橋采用自適應控制法調整計算參數，使用零位置安裝法計算各施工節段狀態的理論值，并輔以無應力狀態法對計算結果進行復核。自適應控制法需要建立一個自適應控制的系統，讓計算模型和實際結構相互磨合，通過系統的自動辨識和分析，比對誤差，然后反饋到模型中，繼而使得計算模型與實際結構的施工相匹配。

4 有限元模型

采用有限元軟件midas Civil建立全橋三維有限元模型，主塔、主梁采用單梁模型模擬，拉索采用只受拉的桁架單元模擬，拉索與主塔、主梁采用剛性連接耦合。主梁上各點空間位置按設計線形定位。施工節段的劃分，則按實際計劃的施工過程劃分為104個階段進行模擬。

5 有限元仿真分析

5.1 成橋狀態分析

從成橋狀態的內力與位移出發，較容易驗證模型中初始參數的可靠性[4]。成橋狀態彎矩、應力、位移見圖2。

a) 主梁My彎矩圖

b) 主塔My彎矩圖

c) 主梁應力圖

d) 主塔應力圖

e) 位移圖

全橋結構彎矩最大發生在主塔墩承臺處，為29 6752 kN·m，主梁最大彎矩于主塔下橫梁支撐處發生，為78 030 kN·m。應力分布上，主塔組合應力分布在0～11.4 MPa的范圍內，混凝土主梁的最大組合應力為12.4 MPa，鋼箱梁的最大組合應力為106.6 MPa，且發生在鋼混結合段處。其應力值均遠小于材料的設計強度，并具有較大的安全空間。成橋結構位移是評判成橋線性的一個重要指標，成橋狀態下拉索將主梁拉至設計線形下，橋面鋪裝完成后使橋面達到設計線形的位置；成橋狀態下主梁在荷載作用下產生彎曲，最大位移達到827.3 mm，同時主塔塔頂向混凝土箱梁側偏位251.1 mm。

5.2 施工階段分析

項目施工過程劃分為103個階段，其中混凝土梁部分采用滿堂支架施工，施工時只需要確定立模標高，待澆筑混凝土成梁后，其受施工荷載的影響較小；而鋼箱梁部分跨度長且拼裝時受外力影響大，使得鋼箱梁安裝的控制成為本橋施工控制的關鍵[5]。

5.2.1安裝標高計算

采用零位置安裝法[6-7]，鋼箱梁的安裝標高可使用式(1)進行計算。

He=Hc-∑f1i-∑f2i-∑f3i-… (1)

式中：He為安裝標高；Hc為成橋設計標高；∑f1i為第i號梁段的自重撓度；∑f2i為施工臨時荷載在第i號梁段產生的撓度；∑f3i為二期恒載在第i號梁段產生的撓度，以上數據單位均為m。

作為施工控制目的的成橋設計標高是已知的，而第103個施工節段產生的累計撓度則是在外加荷載作用下產生的成橋累計豎向位移，因此通過上述公式可計算出鋼箱梁的安裝標高，部分結果見表1。

表1 部分主梁安裝標高 m

5.2.2施工階段高程變化曲線

在鋼箱梁按照有限元計算所得的安裝標高和安裝夾角進行拼裝焊接的過程中，本節鋼箱梁會對前面已安裝箱梁的標高產生影響，使得主梁的線型在安裝的過程中呈現動態變化，因此，可根據某確定時刻施工階段中主梁上各里程樁號點的空間位置繪制標高變化曲線。部分關鍵施工階段標高變化見圖3。

圖3 部分關鍵施工階段標高變化

5.2.3施工階段索力變化

施工過程中，拉索索力的變化會直接影響結構的變形與內力，因此必須準確計算拉索索力。根據本橋施工階段，選取主要施工階段拉索索力進行分析，分別比較拉索初張拉完成后、二期恒載加載后及拉索二次張拉完成后索力變化，如圖4所示。拉索編號邊跨自塔向岸側為S0～S20，中跨自塔向岸側為J0～J20，中跨索力變化圖略。

圖4 邊跨拉索關鍵施工階段索力變化

5.2.4施工階段主梁應力變化

根據施工工藝，鋼箱梁結構應力在懸臂安裝及拉索索力張拉過程中均會產生一定的變化，準確計算施工階段主梁應力是施工安全的重要保證。經綜合分析，鋼混結合段為全橋結構應力最不利位置，鋼混結合段施工階段的應力變化如圖5所示。

圖5 施工階段鋼混結合段主梁最大應力變化

鋼混結合段隨著施工階段的推進，最大應力呈現出振蕩變化的趨勢，隨著主跨懸臂長度增加，應力逐步增大，直至二期恒載鋪設后達到最大值-109 MPa。

5.2.5施工階段主塔控制截面應力變化

根據全橋施工階段仿真模擬，主塔應力呈現出小幅變化的趨勢，整個施工階段主塔無拉應力出現，壓應力最大為12 MPa，發生在塔梁結合處的主塔位置，施工工序為編號S20，J20拉索張拉完成時。

6 結論

1) 在經過幾個施工節段的參數調整后，有限元分析的計算結果與現場測量結果有很好的契合

度，達到指導現場施工與安裝的精度。

2) 采用midas Civil進行施工監控有限元分析的結果與設計單位在設計節段采用SCDS進行有限元分析的結果相差很小，從而檢驗和校核了設計單位的設計成果準確。

3) 施工階段劃分的工況次序，對施工階段和成橋時的應力狀態及變形狀態均有影響，所以施工階段的工況劃分必須依照現場的實際施工情況而定。

[1] 李偉,馮仲仁,楊亞磊.基于Web的斜拉橋監控數據管理與分析系統研究[J].交通科技,2017(4):56-58.

[2] 靳敏超,夏元友,馮仲仁.曲塔混合梁斜拉橋施工控制仿真分析[J].公路,2009(9):238-241.

[3] 閆維明,許曉建,李勇,等.基于振動頻率法和優化功能的斜拉索索力測試研究[J].公路交通科技,2015,32(11):61-67.

[4] 張謝東,王金枝,郭俊峰.混合梁斜拉橋合理成橋狀態確定方法研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2015(5):920-924.

[5] 楊培誠.鄂東長江大橋鋼箱梁安裝施工技術[J].施工技術,2010(增刊2):52-55.

[6] 張謝東,王金枝,郭俊峰,等.混合梁斜拉橋合理成橋狀態確定方法研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2015(5):920-924.

[7] 張安林,鄭報文,夏偉.懸臂拼裝橋主梁制造線形計算[J].安徽建筑大學學報,2015(1):21-24.