平潭海峽大小練島水道橋施工監控

何宇 李永強 樂思韜 郭輝 王玉鵬

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

鋼桁梁斜拉橋通常采用懸臂拼裝法施工。結構內力和線形在施工過程中不斷變化，經歷復雜的體系轉換，施工過程中受測量、施工、環境等影響產生的誤差，導致每階段結構狀態無法與理想狀態完全一致。因此，須對鋼桁梁斜拉橋的施工全過程開展監測和控制。

國內外在大跨度橋梁施工監控方面廣泛采用閉環控制法和自適應控制法。閉環控制是根據理想狀態與實際結構之間的差別，按照某種性能最優的原則，通過施工過程中的糾正措施，使得偏差已經發生的結構達到一個最優的結構狀態。它最初由日本在20 世紀80 年代應用于建筑施工監控過程中。我國90年代初開始在大跨度斜拉橋的施工控制中應用閉環控制，其中以2000年建成的蕪湖長江大橋為代表。自適應控制是在閉環控制基礎上增加一個參數識別的過程，通過若干階段的重復循環不斷修正參數主動降低誤差。國內從90年代開始相關研究，在武漢天興洲長江大橋、黃岡公鐵兩用長江大橋中均有應用。

1 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋是新建福州—平潭鐵路的關鍵性控制工程，大橋橋址位于海峽北口，具有風大、水深、浪高、航道多、流速大、沖刷嚴重、潮汐明顯等典型外海環境特征。平潭海峽公鐵兩用大橋全長16.338 km，其中公鐵合建長度14.399 km［1］。從北至南依次跨越元洪航道、鼓嶼門水道及大小練島水道，3座通航孔主橋分別采用主跨532，364 和336 m的鋼桁梁斜拉橋。

大小練島水道橋為主跨336 m 的雙塔雙索面五跨鋼桁梁斜拉橋（圖1），全長776 m。上層公路橋面除梁端無索區4.5 個節間為鋼桁混凝土結合橋面，其他均為正交異性板的板桁組合結構整體橋面［2］。

圖1 大小練島水道橋立面布置（單位：m）

2 施工監控原理及步驟

大小練島水道橋在國內是首次采用大節段整體吊裝施工，施工過程中因為結構的計算參數與實際情況之間存在誤差，導致橋梁施工時的實際結構情況與計算模型之間并不吻合。自適應控制法將這些引起誤差的變量在施工過程中進行參數識別，并將修正后的參數用于下一階段的結構分析，在不斷的參數識別、修正過程中，使計算模型趨近于實際結構，從而實現對施工過程的有效控制。總體上基于自適應控制原理，進行斜拉橋正裝及倒裝的模擬計算［3-4］，在對應施工工序開始前作出預測，并依據計算結果結合現場監測進行控制，如圖2所示。

圖2 施工監控工作流程

3 施工監控方法及內容

大小練島水道橋施工控制計算采用空間結構模型。斜拉橋塔柱和橫梁包括承臺均采用梁單元模擬，承臺與基礎固結，如圖3（a）所示。大小練島水道橋主梁橋面為板桁組合結構，桁架結構全部采用空間梁單元建模，加勁脅考慮到梁截面中；公路及鐵路橋面正交異性板通過板單元模擬，同時考慮了縱向U 肋對板厚的貢獻。其中上層及下層橋面系與主桁通過彈性連接的剛臂連接形成板桁組合結構共同承受荷載。主梁節段模型見圖3（b）。采用等效彈性模量的桁架單元來模擬斜拉索。

圖3 大小練島水道橋索塔及鋼桁梁節段模擬

3.1 施工過程監控計算

3.1.1 主梁安裝線形計算

施工階段主梁第i階段施工預拱度的輸出結果為主桁上弦節點在前i階段（包括第i階段）的累加總位移與預制拱度疊加的結果，如式（1），最終需保證結構施工完成后的線形與設計線形一致。

式中：｛Hi｝為第i階段施工完成時上弦節點線形組；為預制節點線形組為前i階段上弦節點累加總位移組。

根據實際確定的施工順序和施工荷載情況進行主梁的安裝線形計算，計算各施工階段結構變形，據此計算相應桿件的安裝高程。

3.1.2 斜拉索張拉計算

為使成橋后的結構線形及內力滿足預先設定的最佳狀態，應合理確定斜拉索初張力及張拉順序。由于二期恒載占整個恒載的比重較大，為防止支座出現負反力，部分斜拉索初張拉時不能張拉到位。因此，在施工監控中設定2 個目標狀態［5］：①因為主梁需滿足彈性連續條件，將中跨合龍時的合龍口理想狀態作為中間目標狀態；②將理想成橋狀態作為最終的目標狀態，通過二次調整斜拉索索力來調整全橋狀態，使主梁結構線形及內力，拉索索力均處于合理狀態。

依據以下控制因素確定斜拉索的初張力：

1）中跨合龍狀態下斜拉索的無應力長度。本橋將中跨合龍狀態作為施工監控的中間目標狀態，同時也作為斜拉索初張拉的目標狀態，施工進行至此主梁應滿足彈性連續條件，由此來確定斜拉索初張力。

2）索塔豎向支座反力。承壓支座不能承受拉力，因此在進行斜拉索初張拉的施工過程中應確保支座不出現負反力。

3）塔梁間縱向臨時約束所承受的主、邊跨不平衡力。施工過程中結構為大懸臂狀態，斜拉索初張力應保證其縱向不平衡力小于設計值。

4）施工過程中主梁的撓度控制。斜拉索的工廠制造長度根據最終成橋狀態確定，因此在初張拉過程中要充分考慮主梁的撓度控制，保證主梁撓度在允許范圍內，以免因撓度過大而導致斜拉索安裝困難。

3.2 施工監測

3.2.1 應力、溫度監測

1）索塔應力、溫度監測。在索塔的下塔柱、中塔柱和上塔柱各布設1 個應力、溫度測試斷面，共3 個斷面。索塔應力、溫度測試斷面各布設6個應力、溫度測點，全橋索塔共設應變、溫度測點72 個。在整個主梁架設施工過程中對塔柱應力、溫度進行監測。

2）主梁應力、溫度監測。主梁上的應力、溫度測試斷面共布置3 個，見圖4。應力、溫度測試斷面的布置不僅考慮在主梁懸臂架設［6］過程中主梁應變、溫度變化監測的要求，同時也考慮了成橋狀態主梁應力、溫度監測的要求，見圖5。C截面處斜拉索張拉過程中各桿件應力變化如圖6 所示，可知施工過程中桿件理論應力值與實測應力值差值吻合度較高，施工控制較好。

圖4 大小練島水道橋主梁應變、溫度測點布置（單位：mm）

圖5 各桿件應變、溫度測點布置

圖6 施工過程中C截面各桿件應力變化

3.2.2 變形監測

1）主梁線形監測。在主梁節段拼裝完成時立即讀取該節段前端臨時幾何測點的坐標初始值及其他控制測點的幾何變化值；在斜拉索安裝、架梁吊機移動后測量各控制測點的幾何變化值；在主梁合龍時、二期恒載鋪設完成時、索力調整時、施工荷載有較大變化時、結構體系轉換時均應監測各控制點的幾何變化值。

2）索塔偏位。主塔施工完成后，立即進行初讀，在主梁節段拼裝、斜拉索張拉和調整等某一施工階段完成時測量主塔的變形；在主梁合龍時、二期恒載鋪設完成時、索力調整時、施工荷載有較大變化時、結構體系轉換時均應監測主塔的變形。

3.2.3 索力監測

在安裝斜拉索時，測量該施工階段安裝的斜拉索及相鄰的3對索的索力；在調整斜拉索索力時，測量該施工階段調整的索及與這些索相鄰的3 對斜拉索索力；全部索力調整完成時，測試全橋斜拉索索力。

4 施工監控重難點

4.1 大節段鋼桁梁吊裝

4.1.1 監控難點

大小練島水道橋主梁結構采用帶斜副桁的桁架截面，全部在工廠預制完成，運至現場安裝，兩節間大節段鋼梁的制造及拼裝難度較大，精度不易保證。另外，主梁的結構剛度大，調整誤差的方法有限。與混凝土斜拉橋的立模標高相比，由于混凝土梁段現場澆筑，從而可以對主梁各個節段連接處的懸臂端標高以及無應力轉角進行較大程度上的調整。而栓接鋼桁梁的拼裝過程中則不具備這樣的調整手段，同時轉角誤差由于誤差的積累對標高具有非常大的影響。從這一點上來說，鋼桁梁斜拉橋的線形控制較混凝土主梁斜拉橋的線形控制操作難度大。鋼桁梁的預拱線形在鋼梁制造階段已經完全確定，現場拼裝時節段之間相對位置幾乎沒有調整的余地。節段間連接方式采用栓焊結合方式，施工監控時靠焊縫間距調整標高作用較小。

4.1.2 控制措施

預制節段采用架梁吊機吊裝就位，主梁線形在安裝斜拉索前通過臨時結構進行控制和調整；在安裝斜拉索后，通過張拉斜拉索調整主梁標高。

4.2 合龍控制

4.2.1 監控難點

橋面正交異性板與鋼梁已結合形成整體，剛度很大；合龍點為三維空間坐標，而且縱向和豎向兩個方向在調整時相互影響，匹配難度大；橋面板和鋼桁梁、斜拉索共同作用，且合龍要經過多次結構體系轉換。

4.2.2 控制措施

合龍段設置了“長圓孔+圓孔”的構造，通過“分步走”的方式，將豎向和縱向相互影響的復雜合龍轉化為兩個方向相互獨立的簡單合龍，使合龍過程大大簡化。

1）調整中線偏差。若兩端出現相對偏差，采用倒鏈在合龍點橫向對拉。

2）調整豎向偏差。懸臂端加減載，利用架梁吊機的前后移動調整懸臂前端若干對斜拉索索力。根據施工實際情況，確定調整措施，以使得兩側合龍點相對豎向偏差最小，直至4根弦桿均穿入長圓孔合龍鉸。

3）調整縱向偏差。長圓孔銷栓穿入后進行圓孔銷栓穿入工作，圓孔銷栓的穿入通過調整橋梁軸線方向位移來實現。其措施有：在索塔處布置千斤頂縱向頂推施力；利用溫差的變化微調。由于氣溫的變化，鋼梁的長度亦發生變化。選擇在縱向偏差值較小的氣溫條件下，在S04主塔處布置千斤頂向跨中側頂推，使縱向相對偏差值減小并趨于0，直到4根弦桿均穿入圓孔合龍鉸。抽去長圓孔中的合龍鉸軸，使此時的合龍點處于鉸接狀態。然后進行斜桿合龍，斜桿若不能閉合則在兩懸臂端掛設滑輪組，通過斜向對拉調整。

4.3 數據分析

大小練島水道橋施工控制的最基本要求是保證施工中的安全和結構恒載內力及結構線形符合設計要求。在主梁的懸臂拼裝施工過程中，確保主梁線形和順、正確是第一位的。施工中以標高控制為主，索力控制為輔。中跨合龍后平潭側與福州側斜拉索理論值與實測值的對照分別見圖7、圖8。

圖7 合龍后平潭側索力

圖8 合龍后福州側索力

由理論值與實測值比較可知，主梁撓度差值基本保持在2 cm 之內，實現了施工過程中對主梁線形的控制，合龍后全橋節點高程見圖9。同時斜拉索初張拉實測值與理論值差值保持在合理范圍以內，主梁線形和順、正確，初張拉索力控制正常。

圖9 合龍后全橋節點高程

5 結語

2018 年12 月28 日，新建福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋大小練島水道橋順利合龍，為福平鐵路早日通車打下了基礎。施工監控保證了橋梁在施工過程中結構的安全并使得結構最終趨向設計成橋狀態。同時施工監控的過程中也收集了橋梁結構在成橋運營條件下無法獲取的重要資料，為今后橋梁的健康維護提供必要支持。