獨塔中央索面鋼混組合梁斜拉橋施工控制技術研究

吳連盛 WU Lian-sheng

（上海公路投資建設發展有限公司，上海 200335）

0 引言

組合梁斜拉橋是由鋼主梁與混凝土橋面板通過剪力釘、濕接縫形成組合截面共同受力的一類組合結構橋梁，它除具有結構自重小，跨越能力強，施工速度快等優點外，還能夠節省鋼材用量，避免鋼橋面瀝青鋪裝的耐久性問題，且其剛度和抗風穩定性優于鋼箱梁。近年來在中國橋梁建設中得到廣泛應用[1]。

相對于鋼主梁斜拉橋，組合梁斜拉橋的施工過程比較復雜，懸臂施工時，先進行主梁的連接安裝，再澆筑濕接縫，形成組合截面[2]。由于組合前后的主梁截面剛度的差異，必須根據實際工序模擬來準確計算施工過程各階段橋梁結構的受力和變形，從而加以管控，使其成橋狀態滿足設計要求。

本文以閔浦三橋為工程背景，結合本項目的結構及施工特點，介紹了本項目的施工控制原理、具體實施工作及施工控制成效，可作為同類型橋梁工程施工控制工作的參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

閔浦三橋主橋為獨塔中央雙索面四跨連續鋼混組合梁斜拉橋，跨徑布置為（50+2×220+50）m，總長540m，如圖1所示。主梁采用整體式箱型斷面，雙層布置，上層供機動車輛通行，下層挑臂供行人及非機動車通行。

圖1 閔浦三橋立面布置圖（mm）

1.2 主梁設計

主梁截面采用開口鋼箱與混凝土橋面板構成的組合結構，主橋全長采用統一的截面高度，主梁中心高度3.945m，標準節段長9m，重約240t。主梁頂面設2.0%的雙向橫坡，如圖2所示。鋼主梁材質為Q345qD，頂寬21.4m，底寬18.6m。中央布索區設封閉箱室，底部設置長4.8m的挑臂，作為下層人非混行車道。主梁在塔墩處設置縱向固定支座，錨墩及過渡墩均設置縱向活動支座。主墩及過渡墩設置橫向阻尼支座。

圖2 主梁標準橫斷面圖

1.3 主塔設計

主塔采用鉆石型，塔高136m，橋面以上高度103.8m，主梁下方設置一道橫梁。塔柱截面為帶倒角的箱形截面，采用C50混凝土。斜拉索在塔內采用鋼錨梁錨固方式。為方便內模施工，鋼錨梁的支承牛腿為鋼結構。上塔柱錨索區塔柱內壁設置一層鋼板（可兼作施工內模），鋼牛腿焊接在鋼板上，鋼板通過剪力釘或穿孔鋼板與混凝土塔壁連接。

1.4 斜拉索設計

全橋合計84根斜拉索，采用中央雙索面扇形布置，橫向間距為1.0m，斜拉索梁端通過鋼錨箱錨固于鋼主梁中間箱室，縱向索距為9m。斜拉索材質為單絲涂敷環氧涂層鋼絞線，標準強度為1860MPa，采用雙層PE護套防護。

1.5 施工方法

上部結構B1～B16梁段采用橋面吊機懸臂拼裝架設工藝，邊跨主梁及部分主跨主梁采用支架滑移安裝。具體步驟為：①主塔施工完成后，利用浮吊吊裝主梁B0-1和B0-2節段至塔旁托架，并在塔旁支架上完成；②在己經施工的B0主梁頂面安裝橋面吊機，雙懸臂對稱拼裝B1～B16節段主梁，并相應對稱張拉該節段斜拉索；③B17～B29節段主梁利用浮吊吊裝至滑移支架，由江側向岸側逐段滑移至設計位置；④以S9節段作為合龍段段完成主跨合龍，張拉剩余斜拉索；⑤張拉縱向預應力，調整全橋索力，從而完成主梁施工。

2 施工控制策略及特點分析

2.1 施工控制策略

鋼-混組合梁斜拉橋在不同的施工階段，因結構、受力特點不同，所采取的施工控制策略也存在差異。

塔柱施工期間，結構簡單，受力較為明確，只要按照預定的施工工序及加載方式進行施工，內力即可達到控制的要求。因此控制的直接目標是塔柱的外形尺寸，當外形達到要求后，內力控制目標自動實現。此階段從控制論的角度應采用開環控制的控制策略。

鋼混組合梁斜拉橋的主梁控制分為邊跨支架段、懸拼段和合龍段幾部分。在主梁懸臂拼裝施工階段，施工過程中循環的步驟較多，各個工況的線形變化和受力狀態往往會偏離設計所確定的理想目標，從施工特點的角度宜采取自適應控制的策略，控制流程如圖3所示。對于采用支架滑移安裝的邊跨主梁節段，在確定了安裝線形后，其線形測控相對較為簡單，同樣采用開環控制的控制策略。

圖3 閔浦三橋懸臂施工階段控制流程

2.2 施工控制特點分析

2.2.1 主梁線形控制

B1～B16梁段采用橋面吊機懸臂拼裝的施工工藝，主梁線形在預制階段就已確定，為保證焊接質量，施工過程中的標高誤差通過調節頂、底板焊縫寬度的方式對標高進行調整的幅度非常有限[3]。此外，索梁溫差和主梁溫度梯度對于主梁前端標高有較大的影響，嚴重影響了鋼箱梁的精確定位和線形測量工作。為消除日照溫差引起的梁體撓曲，線形測量選擇在溫度變化小、氣溫穩定的時間段進行，并在盡可能短的時間內完成測量工作。

2.2.2 橋塔線形控制

主塔在施工和成橋狀態通過斜拉索均承擔相當部分的梁體重量。在不平衡荷載和大氣溫差及日照等影響下，均會使主塔產生不同程度的偏位。為了不影響主梁的架設施工，必須掌握主塔線形在自然條件下的變化規律以及在索力影響下偏離平衡位置的程度。

2.2.3 橋面板面內應力控制

現行橋梁規范著重于頂底板邊緣的拉壓受力和腹板的彎剪受力分析[4]，傳統橋梁應力監測工作往往也注重于截面上、下緣的正應力，包括縱向和橫向應力，而對頂、底板的面內主應力關注較少。因此并沒有真正反映出組合梁梁斜拉橋應力狀態，也無法判斷和預防頂底板斜裂縫的發生。為保障大橋施工過程的安全，提高橋面板抗裂的風險控制能力，應通過空間網格計算分析和現場監測，對閔浦三橋的精細化分析提供全面可靠的數據支撐和實橋驗證。

2.2.4 索力控制

大跨徑組合梁斜拉橋鋼梁剛度較小，索力及臨時荷載在懸臂拼裝階段對高程的影響非常明顯[5]，斜拉索索力準確與否，直接關系到主梁的線形，橋面板的受力狀態，乃至整個施工過程的結構安全。因此，組合梁斜拉橋施工中必須確保斜拉索的初張力值合理，索力測試結果正確可靠。

3 施工監控成效分析

3.1 監控計算

采用MIDAS Civil有限元分析軟件建立全橋空間桿系模型，主梁及橋塔采用梁單元進行模擬，斜拉索采用桁架單元進行模擬，全橋共離散為762個單元，計算模型如圖4所示。

圖4 閔浦三橋全橋有限元模型

主梁節段的空間網格模型采用WISEPLUS橋梁結構空間分析軟件建立，混凝土橋面板劃分為13根縱梁單元，鋼主梁劃分為30根縱梁單元。空間網格模型中混凝土橋面板與鋼主梁對應節點之間通過獨立的剛臂單元連接，如圖5所示。

圖5 主梁標準節段網格模型示意圖

空間效應受力分析將包含設計采用的所有荷載工況，包括施工階段恒載、斜拉索施工索力、混凝土徐變收縮、非線性溫度效應、扭轉畸變效應、剪力滯效應等，以反映組合箱梁斷面的各階段受力狀況。

3.2 橋塔線形

主塔偏位監測包括順橋向和橫橋向兩個方向偏位值的測量。分別在中塔柱、上塔柱和塔頂布設線形監測點，測定在主梁懸臂施工過程中，索塔沿縱、橫向的水平位移，主塔共計6個變形觀測點，如圖6所示。主橋二期鋪裝完成后，主塔實測偏位為4～6mm，與理論偏位（0mm）基本接近。

圖6 索塔偏位監測點布置

3.3 主梁線形

主梁線形監測是保證大橋達到設計預期目標的關鍵。每節段主梁在懸臂前端設置一個線形監測斷面，在橫向左右兩側邊護欄內側和結構中心布置3個測點。在梁段吊裝前，根據已拼裝梁段的實測標高提供待拼梁段的安裝定位標高，定位誤差控制在±5mm以內，軸線與已成相鄰梁段的偏差控制在±2mm以內。此外，在每一施工循環各主要工況作用前后，監測主梁各控制點的標高，以掌握結構在施工階段過程中的變形響應，并與理論計算值進行對比，通過誤差分析修正計算模型，使理論計算值接近實際的結構響應。

成橋階段主梁線形觀測結果如圖7所示。根據觀測數據，橋面鋪裝后，主梁線形整體平順。小里程（閔行側）主梁高程平均偏差為-28～44mm，大里程（奉賢側）主梁高程平均偏差為-20～49mm，各控制點絕對偏差均控制在±50mm以內，滿足±（L/5000+30）=64mm的規范要求。

圖7 成橋階段橋面實測線形及偏差折線圖

3.4 主梁應力

3.4.1 縱向應力

橋梁施工過程的應變測試，不僅起到驗證成橋狀態與設計狀態符合度的作用，也是多方數據校驗、快速鎖定誤差來源的重要依據。根據理論計算，選擇近塔根部、主跨跨中、輔助墩頂與邊跨跨中等施工過程中受力較大的斷面開展應變測試工作，每個斷面在鋼梁上、下緣布置應變傳感器，如圖8所示。

施工全過程的主梁縱向應力監測表明，實測應力水平、應力變化趨勢與理論計算基本一致。以成橋階段跨中斷面主梁應力測試結果為例，如圖9所示，主梁鋼梁應力誤差在-7.4～+5.8MPa之間，與理論計算偏差在15%以內，儲備較為充裕，結構受力狀態符合設計要求。

圖9 跨中斷面成橋階段主梁應力測試結果對比

3.4.2 橋面板面內應力

在空間網格模型分析基礎上，選取懸臂施工節段LS2、LS5、LS10、LS15，以及滿堂支架滑移節段LS21、LS27共計6個主梁節段，10個特征測試斷面進行橋面板板內應力監測，以確定混凝土橋面板面內應力實際發展情況。測點布置如圖10所示。

圖10 橋面板面內應力監測測點現場布置

以LS5梁段橋面板為例，各關鍵施工階段下，橋面板面內應力監測數據與理論值對比如圖11所示。由對比結果可知，各關鍵施工階段下，橋面板面內應力與空間網格分析結果能夠較好地符合，且應力水平較理論計算值偏小，橋面板應力處于安全狀態。

圖11 LS5斷面橋面板面內應力對比示意圖

3.5 斜拉索索力

鋼絞線斜拉索索力測量方法主要為磁通量法，并同時與張拉千斤頂油壓讀數，錨下壓力傳感器讀數等數據進行比對，以實現對索力的精確控制。

橋面系鋪裝完成后，對全橋斜拉索索力進行通測，索力理論值與實測值對比如圖12所示。由圖中數據可以看出，實測成橋索力與理論值分布趨勢一致，相對偏差在-6.2%～+4.3%之間，除個別3根斜拉索外，索力誤差范圍基本控制在±5%范圍以內，滿足控制要求[6]。由此可見，成橋狀態下，本橋實際索力與理論值吻合度較好，斜拉索張拉控制達到了預期目標。

圖12 成橋階段索力及索力偏差分布圖

4 結語

以上海市閔浦三橋為工程背景，結合橋梁結構特點和現場施工實際情況，對獨塔組合梁斜拉橋控制工作的原理、方法和具體實施工作進行了總結和闡述。監控結果表明：成橋階段主梁實際線形與成橋目標線形偏差較小，鋼主梁及橋面板應力狀態均處于合理范圍內，斜拉索成橋實測索力與設計成橋索力吻合度較好，施工控制達到了預期目標。