混合梁斜拉橋的靜力分析與施工控制

馬志偉

摘要：針對超大跨度混合梁斜拉橋建設面臨的挑戰，提出基于幾何控制的全過程施工監控的觀點，建立完善的施工監控體系，確保大橋建成后內力及線形滿足理想狀態要求。施工實踐表明，實測數據與理論計算吻合很好。

關鍵詞：斜拉橋；控制；施工監控

中圖分類號：K928文獻標識碼： A

一、混合梁斜拉橋的結構特點及受力特性

1、斜拉橋結構的受力特性

斜拉橋的上部結構是索塔、主梁、斜拉索三種基本構件組成的高次超靜定結構體系。其中斜拉索兩端分別錨固在主梁和索塔上，通過斜拉鎖將主梁的恒載和活載傳遞到索塔，然后傳遞到地基。斜拉橋的主梁就像是多點彈性支承連續梁，利用斜拉索作為主梁的彈性支承，大大降低了主梁的彎矩，改善了主梁的受力狀態，使得主梁截面尺寸可以大幅度的減小，節省了材料，而且由于結構自重的減輕，·又能大幅度的提高主梁的跨徑。由于拉索在主梁上產生的水平分力和在索塔上產生的豎向分力，使得主梁和塔柱承受壓力，而斜拉索承受拉力，這就充分發揮了鋼材受拉，混凝土受壓的特性。因此，在大跨度橋梁結構方案的比選中，斜拉橋因其簡明的結構受力，優美的線性，良好的剛度，較為經濟的材料費用，和良好的抗風能力等眾多優點而受到廣大設計人員的喜愛。

2、混合梁斜拉橋的結構特點

混合梁斜拉橋的主梁由混凝土和鋼材結合而成，一般為邊跨采用混凝土主梁，中跨采用鋼主梁，外形上要求混凝土主梁和鋼主梁的輪廓基本一致，以保證平順的過度和兩種不同材料主梁的完美結合?；炷林髁阂话闵烊胫骺缫恍《尉嚯x，在受力方面上考慮一般將結合段設計在主跨彎矩和剪力都較小的位置，當然還要考慮到施工方便和造價兩個方面?；旌狭盒崩瓨虻闹髁褐饕Y構特點有：主跨為鋼箱梁，減小主梁自重，增加跨越能力，鋼箱梁地面加工，懸臂拼裝，施工周期短。邊跨為預應力混凝土梁，剛度和穩定性較好，通過斜拉索可以對主跨起到良好的錨固作用。而且邊跨一般在岸邊，采用支架現澆施工，施工方法簡單且施工進度快。

二、工程概況及監控目標

本文以國內首座千米級混合梁斜拉橋為工程為例，主梁為鋼－混凝土混合梁，中跨為 PK 斷面鋼箱梁，邊跨采用截面形式相同的混凝土箱梁；鋼混結合段設在中跨距索塔中心線 12.5 m處；南北塔每側邊、中跨各 30 對斜拉索。其跨徑布置為1476m的半漂浮體系斜拉橋。全橋結構布置如圖1。

本橋基于幾何控制理論進行施工監控，對大橋施工期線形、索力及應力等內容進行有效的控制和調整，從而保證結構在制造及安裝階段變形及內力處于安全、合理的可控范圍內，降低誤差，最終成橋時結構內力和線形均符合設計要求，并且與理論期望值的誤差最小。

1、施工監控特點及總體控制思路

本橋因造型獨特，監控期面臨以下困難及特點。邊跨為混凝土，結構自重及剛度大；中跨鋼結構，自重相對輕、剛度小。因此，邊中跨跨度、結構剛度、變形以及材料特性均相差較大，非線性效應顯著，無論是幾何形態還是物理變化均呈現較大的不對稱。邊中跨、索塔施工方法差異大。邊跨采用支架現澆施工，支架沉降、混凝土收縮徐變對全橋內力及線形影響較大；中跨鋼箱梁及鋼錨箱采用工廠預制，現場拼裝，因節段多，誤差的累積將嚴重影響橋梁線形及受力。由于大橋的修建經歷較長工期，溫度、施工臨時荷載等外因的影響不容忽視。橋面寬度38 m，需考慮主梁第一、第二、第三體系對結構的影響，對監控提出了更高的要求。由于結構復雜，跨徑大，施工監控測點眾多，且測點的距離遠近不一，準確、及時地進行施工量測是保證高質量監控的必要條件。

本橋施工監控實施前，需從以下幾方面建立一套完善的控制總體思路，從而保證監控質量。首先建立完善的斜拉索、索塔及主梁控制體系，并多套軟件配合使用，確保計算的正確性，進行結構線形、內力及應力分析控制。邊、中跨差異大，根據其施工特點及敏感性分析結果，對于中跨采用幾何線形控制為主，以無應力索長和索力進行調控輔助；邊跨因澆筑結束，線形調整受限，懸臂施工期主要以混凝土梁應力、索力控制為主，避免梁體開裂。鋼主梁及鋼錨箱因采用工廠預制，現場吊裝的方法施工，其制造線形及自重對安裝線形的影響較大，需加強制造階段的監控；每一批鋼主梁及鋼錨箱制造結束后需進行模型計算更新并開展線形評價，指導下批次的加工制造以及后續安裝階段的調整；拉索及梁長的制造誤差、梁段軸向壓縮、拉索錨固誤差均對橋梁標高產生影響，是施工控制的重要因素。施工期溫度、臨時荷載、混凝土收縮徐變的影響需在每一個施工階段進行修正。建立完善的監控測試系統，如：主梁及索塔變形及受力監測系統、監測與控制數據的冗余糾錯系統、溫度測量分析系統、基于神經網絡的平差系統，以達到加強數據監測和采集速度，提高監測效率。

2、監控內容及總流程

計算分析階段

該階段的主要內容即對全橋建立分析模型，首先進行參數敏感性分析，確定影響結構內力及線形的敏感參數，為容許誤差的建立奠定基礎；其次，通過計算分析，確定各構件的無應力尺寸及各階段的加工尺寸，對于邊跨支架現澆混凝土主梁確定其立模標高；最后，進行階段安裝分析，確定各階段理想目標線形及合理內力，建立預警機制。

階段預制階段

評估及確定建造過程的可靠性和準確性；對每批次的制造加工成果進行評估，確認誤差傳遞及累積情況，及時更新及糾正后續梁段制造參數，為安裝及誤差調整提供依據。

現場安裝階段

該階段是橋梁建設的重要環節，與制造階段相輔相成，因此需建立完善的現場幾何監測系統，加強索塔、主梁、鋼混結合段、拉索的控制，并對施工中出現的問題提供建議，進行誤差分析與調控?；趲缀慰刂频某罂缍然旌狭盒崩瓨蚴┕けO控總流程如圖 2。

3、施工監控主要對象

幾何控制以變形為控制目標量，亦可建立變形與受力之間的協調關系?？刂七^程中，需加強構件的變形控制，對關鍵構件及部位需加強內力及應力的調控。施工監控的主要對象如下。

索塔：鋼錨箱應控制其無應力構形及安裝線形；控制塔偏；準確進行索套管的定位。

主梁：對于中跨鋼箱梁嚴格控制其無應力線形及安裝幾何位置；邊跨需準確計算其立模標高；邊中跨竣工線形應滿足理想狀態要求。

斜拉索：拉索作為重要的受力及傳力構件，嚴格控制其無應力長度、拉索錨點坐標。

受力狀態：拉索施工及竣工索力；主梁、索塔施工和竣工期應力狀態。

線形誤差容許值：由于施工誤差不可避免，并考慮到混凝土收縮徐變對結構線形和內力的影響，在基準溫度 20℃下。

4、施工監控成果

采用上述監控體系進行全過程控制，中跨及邊跨成橋線形如圖 3、圖 4。

從圖 3、圖 4 可看出，邊中跨成橋線形平順、光滑，與成橋設計目標線形吻合良好。中跨最大線形誤差132 mm，邊跨最大線形誤差 11 mm，均滿足施工控制精度要求?？紤]到南北岸結構、受力對稱，以北岸為研究對象，邊中跨索力對比如圖 5?；趲缀慰刂频娜^程自適應控制可得到很好的監控效果，成橋內力及線形均能滿足理想狀態要求。

結語

采用基于幾何控制理論的全過程自適應施工監控具有高效易實施等特點，為千米級混合梁斜拉橋的監控帶來新的控制理念，是我國在該領域的重大突破，為同類型橋梁的施工及監控提供參考。

參考文獻

[1]陳明憲.斜拉橋的發展與展望[J].中外公路，2009

[2]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2009