鋼桁斜拉橋施工控制的線形誤差分析

秦照付 徐 偉

(1.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司 南京 210061； 2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430050)

隨著高鐵及城際鐵路的快速發展，跨越大江大河也不斷面臨新的挑戰，跨江跨河的橋梁形式需具備“高強、大跨、輕型、整體及新結構”的特點，鐵路橋梁對剛度要求高，其結構形式也在不斷發展變化，由早期的連續鋼桁梁結構發展到鋼桁拱橋、斜拉橋[1]，目前大多以桁式結構為主，并且最大跨度也在不斷刷新，向千米級鐵路橋梁建設邁進。

由于鋼桁斜拉橋具有剛度大、結構受力合理，跨越能力大的特點，其可滿足高速行車總體靜力、動力要求，近些年在鐵路或公鐵兩用橋梁中應用較多[2]，目前的鋼桁梁橋具有以下特點[3]。

1) 大跨、重載、高速。主跨長度由武漢長江大橋的128 m增長為已通車運營的武漢天興洲橋的504 m，荷載由雙線鐵路荷載到4線及6線鐵路荷載外加6車道公路荷載，最高運行速度也由早期的50，60 km/h提高到現在的350 km/h。

2) 結構形式變化較大。由于需承載多線鐵路和公路通行，截面形式由雙主桁發展到三主桁空間結構，有利于結構受力及制造、施工，以往的明橋面也逐漸被整體橋面結構所代替。

3) 大量采用新材料、新工藝、新技術。由于是大跨、多線、公鐵共用，因此，無論恒載還是活載均較以往有較大區別，單個構件受力大，施工工藝復雜，需采用高強度鋼材等。

1 鋼桁梁橋架設主要方法

鋼桁梁橋拼裝基本架設方法有以下4種，現場施工時可根據施工機具及現場條件同時采用幾種方法[4-6]。

1.1 支架架設法

支架法主要適用于位于無通航要求的河流、水深較淺及岸灘的連續鋼桁橋梁，大跨徑橋梁一般在邊跨采用支架拼裝。支架由于搭設方便，在節點處均有支撐點，因此拼裝線形及受力均易于保證，施工難度較小。

1.2 浮運架設法

浮運架設法是在岸上或工廠將鋼梁拼成整體后利用浮船將其運至橋位處就位，此方法適用條件有限，僅適用一些小跨度橋梁，結構整體性好，減少了水上及高空作業量，降低了拼裝控制的技術難度。

1.3 頂推或拖拉施工法

頂推或拖拉施工法是通過液壓千斤頂將在岸上或拼裝平臺上事先組拼好的鋼梁逐步頂推或拖拉到位的一種施工方法，由于鋼梁的拼裝主要在岸上或拼裝平臺上進行，工作條件相對較好，因此，質量能夠達到要求。

1.4 懸臂架設法

懸臂架設法是大跨度橋梁常用的一種施工方法，既有全伸臂架設又有半伸臂架設安裝，全伸臂施工時不設中間支點，大跨結構主要依靠拉索或吊索塔架輔助受力，而半伸臂架設施工主要考慮結構受力、變形及懸臂穩定增加部分中間支點。懸臂架設過程中應主要對結構的線形和內力進行控制。

目前懸臂拼裝主要包括桿件散拼、多節間的桁片拼裝及整個節間的整節段拼裝，無論是哪種拼裝，基本均采用高強螺栓進行連接，隨著制造及設計技術的提高，逐漸由節點散拼過渡到節點外整體拼裝，大大降低了現場拼裝的工作量及難度。

2 施工控制概述

由于橋梁施工方法不同，結構內力及線形調整方法也不盡相同，施工過程中的控制要求也大不一樣。對于支架法及整體拼裝的浮運法，相對來說具有可控性，而頂推或懸臂架設法則調整手段有限、控制難度大。

目前大跨斜拉橋的施工控制方法大多采用自適應控制法[7]，它是目前斜拉橋施工控制較理想的方法，其重點是對結構進行參數識別和誤差分析，在施工過程中采用索力和標高雙控，同時以結構的內力作為安全校核[8]。

因此，斜拉橋懸臂架設過程中主要控制指標有斜拉索索力、主塔及鋼桁梁桿件應力及位移相關參數，其中位移相關參數包括標高、主梁縱向壓縮位移、主橋軸線偏移及塔偏等方面，其中施工監測的內容包括環境物理量參數(如溫度、時間等)的測試、應力應變及索力監測、幾何變形量的測試等。

3 施工控制線形誤差分析

在鋼桁梁橋的制造、安裝架設過程中，由于種種原因會造成實際與理論之間的偏差。懸臂拼裝的鋼桁斜拉橋是空間結構，而誤差既有空間位置的偏差，又有內力索力的偏差，下面主要分析豎向變形方面的誤差。

根據《鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》的規定，鋼桁梁橋立面拱度偏差允許范圍見表1。

表1 鋼梁立面拱度偏差允許范圍

3.1 鋼梁制造產生的誤差

對于懸臂拼裝的鋼桁梁橋來說，對線形影響較大的主要有桿件的制造長度及栓孔的鉆孔精度，其主要受放樣與下料精度、焊接變形及環境溫度等影響。《鐵路鋼橋制造規范》對于桿件制造尺寸及螺栓孔距允許偏差規定如表2，并且近幾年一些主要鋼橋也會根據具體情況制定適合自身的制造規則，其主要偏差范圍可能會大于規范規定。

表2 主桁桿件允許偏差范圍 mm

而鋼桁梁橋的預拱度基本是通過上弦節點處的間距尺寸調整來實現，一般數值均較小，大多僅幾毫米到十幾毫米，如果存在偏差將對結構線形產生一定的影響，且最前端的變形會隨著后續節間的拼裝而呈線形增大。

由于桿件制造誤差有正有負，并無規律可循，且在實際架設過程中無法準確測量，因此給監控工作判斷分析造成了一定的困難。

3.2 鋼梁拼裝產生的誤差

鋼梁開始拼裝時一般先在臨時支架或托架上拼裝幾個節間，隨后則可能采用頂推施工或懸臂架設施工。

1) 臨時托架上拼裝鋼梁。對于采用高強螺栓連接的鋼桁梁橋來說，初始定位的準確性是非常重要的。但在實際施工過程中托架支點高程誤差及托架變形對拼裝線形會造成影響。

首先應將托架上各點高程誤差控制在±5 mm以內，且相鄰節點、同一節點上下游高差也控制在5 mm以內。其次無論采用何種形式的支架或托架，在托架受力后或多或少的存在彈性或非彈性變形，因此，在托架上拼裝鋼梁時應注意托架的變形，在高強螺栓施擰前必須將托架壓縮變形量考慮到調整量中。

2) 懸臂拼裝鋼梁。鋼桁梁橋由單根桿件采用螺栓進行散拼連接，其連接質量與制造精度至關重要。而懸臂拼裝時一般先安裝一定數量的沖釘，規范要求不得少于孔眼總數的50%，其余孔眼布置螺栓，且拼梁沖釘的公稱直徑宜小于設計孔徑0.1～0.3 mm，因此，理論上沖釘與栓孔存在一定間隙，在懸臂拼裝時鋼梁桿件由于自重作用繞節點轉動，從而會造成前端位移誤差，根據幾何關系前端位移計算公式如下。

式中：Δ為桿件前端位移，mm；l為節點螺栓群安裝定位沖釘對角線長度，m；L為桿件長度，m。

一般桿件高度在0.7～1.4 m，而節間長度為8～15 m、與桿件高度相差約10倍，因此，對于安裝時0.1～0.3 mm的栓孔間隙至少會造成每個節間前端1～3 mm的高程誤差，并會隨著節間的增加逐步累積，因此懸臂拼裝施工時應利用橋面吊機進行桿件前端標高調整，調整到位并測量復核后方可進行施擰。

3.3 測試造成的誤差

由于每種儀器均存在精度問題，結構測試不可避免的存在著誤差，為減少測試因素造成的誤差可以從儀器測試精度、定期檢驗與標定、選擇專業測試人員等方面進行質量控制。

斜拉橋索力測試由于方法及手段較多，方法不同可能會造成差異，如較多使用的頻譜法，主要通過經驗公式進行推定索力，計算結果與兩端約束條件相關，不同假定會有一定的差別；斜拉橋線形測量時，由于存在環境條件、儀器及人為觀測等誤差，從而產生一定影響，尤其是由于風荷載及架梁吊機等引起鋼梁晃動或振動，懸臂端的最大振幅達到厘米級[9]，將給測試造成困難，數據有一定的不確定度。

3.4 仿真分析造成的誤差

結構仿真分析主要會在以下方面造成誤差。

1) 模型簡化及參數的不確定性。施工監控仿真計算模型中通常會進行一些簡化和假定，如材料的彈性模量、容重、尺寸、截面特性等主要根據設計圖紙及規范采用，同時結合實測數據進行修正，由于結構材料的離散性、結構尺寸誤差、模型模擬得不準確等，理論模型與實際結構總是有一定差異從而造成計算值與實測值的誤差。

2) 結構的環境條件與理論計算狀態有差別，尤其是溫度對鋼結構的影響相對更大，雖然可以選擇在夜間或環境影響較小的時間段進行測試，但影響難以避免：①結構的溫度場不相同，如鋼梁、混凝土橋塔及斜拉索的溫度存在差別，鋼梁上下弦溫度場也會不同；②體系溫度也在不斷變化。因此，在計算時無法準確模擬溫度。

3) 施工方案及工序造成的誤差。如橋面板與鋼桁結構之間的焊接順序及部位與計算時所考慮的不一致,從而造成結構剛度誤差。

綜上所述，制造、拼裝、測試及計算分析所造成的誤差，均呈現一定的規律性，可通過儀器設備及人員、環境等方面采取相應措施避免，或通過參數識別調整模型數據達到與實際結構盡可能一致。

4 實例分析

4.1 橋梁概述

某鐵路斜拉橋上部結構采用81.75 m+135 m+432 m+135 m+81.75 m鋼桁梁雙索面斜拉橋，節段長度為13.5 m，桁寬18.0 m，寬跨比為1/24，桁高14.0 m, 高跨比1/30.9。主桁上下弦均采用箱形截面，上弦外高1.3 m、內寬1 m、桿件板厚24～40 mm。下弦內高1.4 m、內寬1 m、桿件板厚24～44 mm。腹桿采用箱形及H形截面，插入節點板內與弦桿拼接。箱形桿件外高0.8～1 m、外寬1 m、板厚30～40 mm。H形桿件翼緣板寬0.76～0.9 m、外寬1 m、板厚30～36 mm。橋面板采用正交異性板整體鋼橋面結構，其上鋪設混凝土道碴槽板，頂面設2%橫坡，高度2 m，橋面板標準節段橫向寬15.6 m，縱向長6.75 m。全橋鋼梁總質量約為17 000 t。

斜拉索采用直徑7 mm的鍍鋅高強平行鋼絲斜拉索，抗拉強度為1 670 MPa，彈性模量為1.95 GPa，全橋共計5種規格、共112根。斜拉索施工時在索塔內張拉。

該橋鋼梁拼裝以塔為中心，先采用臨時支墩滑移拼裝墩頂四節間，然后再利用架梁起重機對懸臂拼裝其余節間，到輔助墩后起頂安裝支座形成單懸臂，繼續對稱架設邊跨到邊墩、中跨至跨中進行合龍。

墩頂四節間鋼梁在臨時托架上拼裝時各節點高程誤差見表3；當對稱拼裝至最大懸臂狀態時(見圖1)，鋼梁最前端位移誤差見表4。

表3 墩頂托架拼裝時節點高程實測誤差

圖1 最大雙懸臂拼裝狀態示意(單位：m)

表4 最大懸臂拼裝時前端節點高程實測誤差

4.2 誤差原因分析

1) 托架拼裝階段。由表3可見，墩頂節間高程誤差總體較小，最大僅6 mm，而邊跨側比中跨側誤差略大，呈現兩端低中間E16處高，即轉角比理論小一些。

在托架上拼裝時主要受到支點標高定位不準、支架或托架變形，以及鋼梁制造誤差影響，而鋼桁梁的預拱度主要通過墩頂節間上弦尺寸調整形成一定轉角來實現，如果定位不準及制造誤差大將對后續標高影響較大，因此，在墩頂鋼梁架設初始定位時應充分重視，控制托架兩端如E14，E18節點處為正誤差，即轉角略大一些。

2) 懸臂拼裝階段。由表4可見，懸臂前端高程誤差逐步偏大，而邊跨側比中跨側誤差大，邊跨最前端E6最大達77 mm，中跨最前端E27最大達38 mm，上下桁之間也存在一定偏差，總體上是實測結果較理論結果低。

根據前述誤差因素對懸臂前端高程的影響并結合表3數據分析如下。

①墩頂4個節間拼裝誤差可能對最大懸臂前端的影響示意見圖2，計算如下。

E6(10個節間):

E27(11個節間):

圖2 墩頂誤差對懸臂前端影響示意(單位：mm)

②懸臂拼裝時由于沖釘間隙誤差可能對最大懸臂前端的影響見表5。

因此由①②2項誤差可能造成節點前端的線形誤差分別為：

E6:Δ1+Δ7-14=33.5+48.4=81.9 mm

E27:Δ2+Δ18-26=17.75+50.5=68.25 mm

表5 最大懸臂拼裝時前端節點高程誤差計算值mm

4.3 參數識別調整

通過結構內力及位移的理論值與實測值的對比，分析結構的實際狀態與理想狀態的偏差，識別引起這種偏差的主要設計參數，并進一步對結構參數分析判定，通過修正設計參數，確定出結構參數的綜合效應真實值，為結構分析提供可靠的數值，以達到控制橋梁結構實際狀態與理想狀態的偏差的目的。

橋梁施工過程中存在的誤差可以分為3類：第一類是可以測量的誤差，比如構件尺寸、材料容重、材料彈性模量等，通過實測得到實際結構參數，并根據該實測參數對計算數據進行修正，從而解決該類誤差問題；第二類是無法準確測量的誤差，比如模型簡化誤差、構件實際剛度誤差、人為操作誤差等可通過平差計算來解決；第三類就是實際環境因素對結構的影響所造成的誤差，通過選取穩定狀態進行測試予以解決。

5 結論

對鋼桁梁橋來說，大多還是采用懸臂拼裝架設并以高強螺栓連接為主，為保證拼裝過程中的結構線形與設計一致，避免誤差過大應重點注意以下內容。

1) 應對桿件制造質量嚴格控制，尤其應控制墩頂處設置預拱度桿件的制造尺寸精度，并通過工廠預拼檢查制造質量；其次對于桿件的制造長度誤差，即兩端栓孔群中心距尺寸和拼接板栓孔精度要嚴格控制。

2) 現場墩頂處鋼梁拼裝時的高程控制要準確。因其對后續節點的標高有一定影響，隨著拼裝節間的增加，高程誤差有逐步增大的趨勢，當有預拱度設置時應適當保持拱角度稍大一些。

3) 由于懸臂拼裝時沖釘與栓孔之間本身存在間隙，且沖釘經常使用磨損導致直徑減小，會造成拼裝桿件繞節點轉動，導致桿件前端偏低，而轉動角度與栓孔群安裝沖釘的對角線尺寸、沖釘直徑及桿件長度相關，因此沖釘應盡量沿栓孔群四周均勻布置，并經常檢查沖釘直徑是否符合要求，拼裝時利用架梁吊機將桿件前端適當吊起，適當調整標高后及時施擰部分高強螺栓。

4) 由于大跨度鋼桁梁橋在設計及制造時也確定了預拱度，并通過上弦節點板孔距進行設置，為保證懸臂拼裝過程中線形與設計一致，可以考慮在設計時適當調整該值以抵消由于栓孔間隙造成的線形誤差。