大跨径双塔双索面钢箱梁斜拉桥施工控制研究.doc

1、大跨径双塔双索面钢箱梁斜拉桥施工控制研究摘要：本文以宁波象山港公路大桥主桥钢箱梁斜拉桥为背景, 对钢箱梁斜拉桥施工监控的主要过程进行研究，重点从施工张拉力、安装线形计算及施工监测等方面进行剖析，特整理形成本文，以供业内同行共同参考借鉴。 关键词：大跨径钢箱梁施工控制工艺要求 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 斜拉桥以其简洁优美的外形及良好的跨越能力而被广泛采用。近年来, 随着交通量的剧增, 桥面宽度及桥梁跨径均呈上升趋势, 传统的混凝土斜拉桥已难以满足实用要求, 大跨径钢箱梁斜拉桥因此应运而生。但该类桥的施工控制与以往的混凝土斜拉桥的施工控制存在着较大差异, 故而施工

2、控制必须因桥而异, 采取有针对性的措施。 国内外学者及工程技术人员对斜拉桥的施工控制进行了许多研究, 提出了诸如卡尔曼滤波法、最小二乘误差控制法、无应力状态控制法、自适应控制法等许多实用控制方法1,2。这些方法的实质都是基于对施工反馈数据的误差分析, 通过计算和施工手段, 对结构的目标状态和施工的实施状态进行控制调整, 达到对施工误差进行控制的目的。施工控制方法必须与各类斜拉桥设计施工的特点相结合, 才能在确保结构安全及施工便捷的前提下, 切实可靠地实现控制目标。目前国内大多数斜拉桥的施工控制文献都是针对混凝土斜拉桥进行的, 其相应的控制方法也是针对混凝土梁的施工特点提出来的, 对于大跨径的焊

3、接钢箱梁斜拉桥施工控制积累的经验还比较少。虽然预应力混凝土斜拉桥和钢箱梁斜拉桥施工控制的主要内容并无太大差异, 但由于结构自身特点以及施工工艺的不同, 所以在施工监控工作中的侧重点也有所不同。本文以宁波象山港公路大桥主桥钢箱梁斜拉桥为背景, 对钢箱梁斜拉桥施工监控的主要过程进行研究。 1 工程概况 宁波象山港公路大桥主桥为双塔双索面五跨连续半漂浮体系斜拉桥，跨径布置为 82+262+688+262+82m，如图 1 所示。主梁桥面纵坡为 2.5%，处于 R=27520m、切线长 T=688m、外矢矩 E=8.6m 的圆弧竖曲线上。主塔采用钻石形混凝土索塔，总高度为 226.5m，索塔除起步段外

4、采用爬升模板逐段连续施工。主梁为扁平流线形封闭钢箱梁，梁高 3.5m，横截面如图 2 所示，索塔区梁段及边跨梁段利用大型浮吊吊放在临时支架上定位焊接，标准梁段梁段、次边跨合龙段、中跨合龙段梁段利用桥面吊机起吊、定位和焊接。斜拉索采用 1670MPa 平行钢丝斜拉索，根据索力的不同共分 PES7-91、PES7-109、PES7-121、PES7-139、PES7-151、PES7-187、PES7-211 七种规格。全桥共 4222=176 根斜拉索，最长 376m，单根最大重量为 26.3t。 。 索塔与主梁之间设置竖向和横向支座，并安装纵向带限位功能的粘滞阻尼器。粘滞阻尼器对脉动风、刹车和

5、地震引起的动荷载具有阻尼耗能作用，而对温度和汽车引起的缓慢位移无约束。当由静风、温度和汽车引起的塔梁相对纵向位移在阻尼器设计行程以内时，不约束主梁运动，超出行程时，则约束主梁纵向位移。 图 1 象山港大桥主桥总体布置（长度单位:cm；高程单位:m） 图 2 钢箱梁横截面布置(单位：mm) 2 象山港公路大桥主桥施工监控的特点 2.1 钢箱梁斜拉桥施工阶段的特点 钢箱梁施工时具有以下特点: (1) 主梁的线形在钢梁预拼装阶段已经完全确定, 现场拼装时, 节段之间相对位置, 几乎没有调整的余地; (2) 全部节段的重量在拼装前可以预先获得; (3) 拼装阶段钢梁刚度很小, 索力及荷载对标高的影响非

6、常明显; (4) 钢箱梁受日照温度作用, 影响明显; (5) 钢箱梁的抗拉、抗压能力均较强。 2.2 钢箱梁施工监控的特点 根据以上特点, 象山港公路大桥主桥施工监控具有以下特点: (1) 大桥所处桥位 10m 高度处 100 年一遇基本风速为 46.5m/s，风荷载作用下侧向弯矩较大而主梁抗侧弯刚度相对较小，在风荷载作用下，侧向弯曲应力较大，因此施工监控必须首先控制钢箱梁成桥阶段应力满足设计要求，确保结构安全和运营阶段桥面板应力不能过高，在此前提下对主梁的线形和索力进行控制; (2) 主桥次边跨跨径大、边跨跨径相对较小，且边跨钢箱梁除 N(S)A23 和 N(S)AH2 梁段外其余梁段均采用

7、悬臂施工。因此辅助墩墩顶的负弯矩大、过渡墩的支座反力偏小（尤其是在活载作用下） ，需将辅助墩负弯矩和过渡墩支反力作为监控重点之一; (3) 本桥采用几何控制法，因此结构无应力线形的制造精度控制是成功实现几何控制法的前提。在钢箱梁的加工过程中，须通过对箱梁节段之间预转角、焊缝预留宽度、节段重量和制造环境温度的严格控制以大大减少钢箱梁节段现场安装时的误差来源; (4) 大桥塔高梁长，在施工过程中结构的几何非线性效应较为显著，因此在进行施工监控时必须采用能够精确、全面计算几何非线性效应的分析软件和施工监控方法; (5) 钢箱梁安装施工工期长，跨越季节多，温度影响大。 3 施工过程仿真计算 前期施工监

8、控结构分析工作是施工监控项目首先开展的工作，也是施工监控工作的基础。这一阶段工作的最大要点在于：在确保设计成桥目标实现的前提下，施工全过程理论计算结果与未来施工实际状态应尽可能地接近，使理论分析和实际施工状态间的误差减少到最小。施工控制计算采用桥梁结构分析程序 MIDAS Civil 2010, 有限元模型如图 3 所示。计算内容包括索塔线形、主梁线形、索塔应力、钢箱梁应力、斜拉索索力、辅助墩和过渡墩以及塔梁竖向支座反力等控制指标。 图 3 象山港大桥施工过程仿真计算有限元模型 3.1 斜拉索施工张拉力计算 为了使成桥后的结构内力和线形达到预先确定的理想成桥设计状态，必须确定各施工阶段斜拉索的

9、各次张拉力和张拉顺序。象山港公路大桥主桥斜拉索的各次张拉力确定原则是以合理成桥状态索力为基础，计算最后一次张拉时的索力(或无应力索长)，中间张拉力则根据施工过程仿真计算的应力与线形结果确定，在计算中间索力时应考虑以下因素： 索塔线形：桥塔水平偏位应满足控制目标线形的要求； 主梁线形：线形应尽量平顺，避免凸起和折角； 索塔应力：尽量优化索塔应力； 主梁应力：满足控制目标主梁应力的要求； 支座反力：避免出现支座负反力（拉力） ，并应有一定的压力储备； 3.2 钢箱梁安装线形计算 钢箱主梁的安装线形计算是在施工过程仿真计算中，根据实际确定的施工顺序和施工荷载，计算出各施工阶段的主梁线形。它将作为各施

10、工阶段验收时或线形偏差评估时的目标线形。由于施工过程中实际的斜拉索张拉力、施工荷载条件如桥面吊机重量、支点位置等，以及实际结构参数如梁段重量、构件刚度和材料弹性模量等均可能与初始计算的预定值不同，因此必须在施工监控中根据实际条件、并结合施工监测系统的反馈结果对模型进行修正后，才能用于后续工况的安装线形计算。 本文施工阶段张拉索力的确定采用影响矩阵法。以合理成桥状态下的索力作为初始索力进行正装计算, 并求出影响矩阵, 根据选定的控制目标解出索力调整量, 从而对施工张拉索力做出调整, 继续进行施工阶段正装迭代, 直至成桥索力收敛。这样就得到了最终的施工张拉索力。象山港公路大桥施工张拉索力见图 4，成桥状态下索力、主梁线形及内力见图 5图 11，各墩支座反力如表 1 所示。