大跨度斜拉橋施工線形控制關鍵影響因素分析

韓 旭 （中新蘇滁（滁州）開發有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

斜拉橋項目施工作業時，結構體系會隨著邊界條件與荷載的改變而出現變化，從而導致各施工環節的結構變形和內力狀態發生改變。本文以斜拉橋的幾何控制理論為依據，重點分析線形控制誤差來源以及傳統誤差調整方法及其缺點，并深入研究探討幾何控制誤差調整方法在斜拉橋橋梁施工中的具體應用。

1 斜拉橋的幾何控制理論概述

無應力狀態控制方法概念誕生于20世紀80年代末期，由我國橋梁工程專家秦順全教授最早于1992年提出并成功應用于武漢第二長江大橋的建設中，取得了十分顯著的應用效果。

無應力狀態控制方法解決了橋梁工程中的施工控制問題，適用范圍廣泛且在大跨徑斜拉橋建設工程中具有較高的適用性。無應力狀態控制方法在大跨徑斜拉橋工程建設中的應用可與有應力狀態量相結合，充分利用兩種狀態量的突出特性，由此衍生出幾何控制的概念。

幾何控制方法的應用條件是以保證結構體系和作用系統狀態不變為前提的，在此前提下可實現構件安裝的無應力狀態與對應的無應力狀態保持一致。在施工控制過程中，只能夠對每個構件進行無應力狀態控制；在施工過程中對主梁安裝線形的控制即是對無應力狀態線形的控制。橋梁建設工程中，需要首先實現對于主梁線形的精準制造控制，在現場安裝工作開始之前做到梁段之間的非應力相對位置匹配，確保每段橋梁都能滿足安裝條件，進而做到從整體上控制主梁形狀。

2 線形控制誤差的來源

在實際施工控制的過程中，由于現場環境、測量誤差等方面因素的影響，有限元模型與現場實際情況存在一定偏差，偏差主要來源于以下幾個方面。

2.1 計算參數誤差

有限元模型以設計值為數據基礎，但工程實際測量參數與設計參數之間難免存在誤差，即理論值與測量值之間存在偏差。根據幾何控制理論，疊合梁斜拉橋工程中所產生的誤差主要由以下幾個參數的計算過程導致。

2.1.1 荷載誤差

①梁截面的重量誤差

大跨度斜拉橋多采用混凝土和鋼作為主要原材料，施工過程中會形成梁截面和鋼梁的自重誤差。

②施工臨時荷載誤差

在施工過程中，通常采用機械配合人工的安裝方式，施工過程中所使用的機械設備即為臨時荷載。橋面起重機前后理論值與支點反力的偏差以及橋面與吊籃的累計荷載都是臨時荷載誤差的主要來源。

2.1.2 幾何設計參數誤差

①鋼梁的長度誤差

鋼梁的實際長度和設計長度之間的偏差會形成軸向偏差，除了影響合攏段長度外，還會造成梁端錨固點與設計位置之間的偏離。

②無應力的拉索長度偏差

拉索長度測量時需建立相應的計算模型，與材料種類、張力、溫度等因素有關；在制造拉索的過程中會產生一定的誤差，對施工過程造成不良影響。

③拉索錨固點的偏差

在進行索塔建設的過程中，因材料自身的形變和豎向分力的作用，拉索錨固點的位置會因此向下偏移。錨固點的坐標位置偏差會直接影響到索長，進而對主梁的高度和索力造成影響。

④索導管定位偏差

為了保持拉索與主塔混凝土之間保持足夠距離，需要通過安裝索導管的方式進行控制；在澆筑定型過程中，由于索導管無法完全固定，會引起索導管的位置偏離，導致拉索與索導管間產生磨損，使拉索索長產生偏差、主梁標高變化。

2.1.3 結構性能誤差

①單元的抗彎剛度

在工程實際中，鋼梁的橫隔板和橫向預應力對橋梁結構有一定的影響。但在建模過程中，這一因素常常被忽略，從而降低了鋼梁的計算抗彎剛度。

②材料彈性模量

材料彈性模量的來源包括斜拉索彈性模量和鋼梁彈性模量，其實測結果與理論值存在偏差。

2.2 環境因素引起的偏差

大跨度斜拉橋具有工期長、季節跨度大的特點，因不同季節天氣因素影響而產生偏差。

2.3 測量誤差

測量數據是大跨度斜拉橋設計的根本依據，但由于人為因素和儀器誤差，會造成測量結果與實際存在偏差。

2.4 施工誤差

在實際的施工過程中不能完全做到與設計的完全一致。對于施工誤差，需要加強施工管理，使施工過程按照計劃進行開展，避免產生較大誤差。

3 誤差調整常規方法分析

大跨度橋梁施工過程的誤差消除方法主要包括最小二乘誤差分析方法、無應力狀態控制方法和基于施工全過程的自適應控制方法等。這些誤差消除方法主要通過調整控制主梁標高和索力進行誤差消除。一旦遇到誤差較大的情況，需要重新測量主梁高度和拉索的施工應力，過程較為繁瑣，在工程應用中具有一定的局限性，尤其是對于鋼梁和斜拉索的出廠制造誤差控制上，此類方法的適用性較差。當前，大跨度斜拉橋的施工控制方法多為幾何控制方法，在出現計算參數變化時，可通過利用無應力基準狀態原理實現誤差消除。此外，可以把大跨度斜拉橋當做一個不確定性系統，在獲得施工現場實際測量數據之后，對比與理論計算數據之間的差異，隨后進行計算模型的修正工作，通過迭代式的仿真方法使模型設計更加貼合實際。從幾何控制方法的控制概念可知，在保證完成狀態的誤差修正計算模型與原模型的無應力索長一致的前提下，可以消除誤差對結構的影響。

橋梁工程結構圖

4 誤差調整方法應用實例

某斜拉橋主橋采用塔梁固結、塔墩分離的結構體系，主塔采用布置在分隔帶的獨塔形式，塔在橋面以上高度32.5m，塔身采用矩形截面，在塔根部進行分叉鏤空景觀設計。主梁采用整體式單箱三室箱型截面，邊腹板采用60°斜腹板形式；主梁截面高度在縱向按二次拋物線形變化；主梁采用三向預應力體系，預應力管道為PE塑料波紋管并采用真空壓漿工藝。主橋斜拉索采用單索面雙排索布置在主梁的分隔帶處；全橋設置192根斜拉索，每個塔左右分別有48根索。該橋梁結構示意圖如上圖。

根據上述分析過程，本文提出了一種基于幾何控制原理的誤差調整方法，具體如下：將成橋狀態無應力索長作為控制參數，將修正誤差模型成橋狀態無應力索長調整至基準狀態，通過調整初始張拉索力，使成橋無應力索長接近最大值。在完成參數誤差的識別和測量之后，對計算模型進行相應的更新，最終計算出新的無應力索長L'，其計算公式如下：

L'與基準狀態下計算出的無應力索長L之間存在偏差ΔL。

將多次計算結果過進行比較分析，使得在重復無應力索長和參考狀態之前，誤差滿足允許范圍要求。由于無應力索長與索力之間的關系呈現出非線性，所以需要根據情況微調部分索力，以達到接近參考狀態的目的。此方法可以規避傳統誤差修正方法的局限性，降低施工控制的操作難度，在較高程度上保證了結構線形和內力控制精度，在保證正常施工的前提下實現誤差控制，對于大跨度斜拉橋鋼梁具有較好的適用性。該方法屬于先行誤差調整方法，能夠較快的計算出目標的無應力索長，并使基本狀態的完整索力接近最大值。

從實驗結果上看，使用此方法進行誤差調整后，成橋索力的誤差可控制在2%以內，基本滿足誤差要求。因此，基于幾何控制方法原理所進行的誤差調整在大跨度斜拉橋施工控制誤差調整中具有較高的適用性，可以滿足實際施工要求。