平潭海峡大小练岛水道桥施工监控

时间：2024-07-28

何宇李永强乐思韬郭辉王玉鹏

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

钢桁梁斜拉桥通常采用悬臂拼装法施工。结构内力和线形在施工过程中不断变化，经历复杂的体系转换，施工过程中受测量、施工、环境等影响产生的误差，导致每阶段结构状态无法与理想状态完全一致。因此，须对钢桁梁斜拉桥的施工全过程开展监测和控制。

国内外在大跨度桥梁施工监控方面广泛采用闭环控制法和自适应控制法。闭环控制是根据理想状态与实际结构之间的差别，按照某种性能最优的原则，通过施工过程中的纠正措施，使得偏差已经发生的结构达到一个最优的结构状态。它最初由日本在20 世纪80 年代应用于建筑施工监控过程中。我国90年代初开始在大跨度斜拉桥的施工控制中应用闭环控制，其中以2000年建成的芜湖长江大桥为代表。自适应控制是在闭环控制基础上增加一个参数识别的过程，通过若干阶段的重复循环不断修正参数主动降低误差。国内从90年代开始相关研究，在武汉天兴洲长江大桥、黄冈公铁两用长江大桥中均有应用。

1 工程概况

平潭海峡公铁两用大桥是新建福州—平潭铁路的关键性控制工程，大桥桥址位于海峡北口，具有风大、水深、浪高、航道多、流速大、冲刷严重、潮汐明显等典型外海环境特征。平潭海峡公铁两用大桥全长16.338 km，其中公铁合建长度14.399 km［1］。从北至南依次跨越元洪航道、鼓屿门水道及大小练岛水道，3座通航孔主桥分别采用主跨532，364 和336 m的钢桁梁斜拉桥。

大小练岛水道桥为主跨336 m 的双塔双索面五跨钢桁梁斜拉桥（图1），全长776 m。上层公路桥面除梁端无索区4.5 个节间为钢桁混凝土结合桥面，其他均为正交异性板的板桁组合结构整体桥面［2］。

图1 大小练岛水道桥立面布置（单位：m）

2 施工监控原理及步骤

大小练岛水道桥在国内是首次采用大节段整体吊装施工，施工过程中因为结构的计算参数与实际情况之间存在误差，导致桥梁施工时的实际结构情况与计算模型之间并不吻合。自适应控制法将这些引起误差的变量在施工过程中进行参数识别，并将修正后的参数用于下一阶段的结构分析，在不断的参数识别、修正过程中，使计算模型趋近于实际结构，从而实现对施工过程的有效控制。总体上基于自适应控制原理，进行斜拉桥正装及倒装的模拟计算［3-4］，在对应施工工序开始前作出预测，并依据计算结果结合现场监测进行控制，如图2所示。

图2 施工监控工作流程

3 施工监控方法及内容

大小练岛水道桥施工控制计算采用空间结构模型。斜拉桥塔柱和横梁包括承台均采用梁单元模拟，承台与基础固结，如图3（a）所示。大小练岛水道桥主梁桥面为板桁组合结构，桁架结构全部采用空间梁单元建模，加劲胁考虑到梁截面中；公路及铁路桥面正交异性板通过板单元模拟，同时考虑了纵向U 肋对板厚的贡献。其中上层及下层桥面系与主桁通过弹性连接的刚臂连接形成板桁组合结构共同承受荷载。主梁节段模型见图3（b）。采用等效弹性模量的桁架单元来模拟斜拉索。

图3 大小练岛水道桥索塔及钢桁梁节段模拟

3.1 施工过程监控计算

3.1.1 主梁安装线形计算

施工阶段主梁第i阶段施工预拱度的输出结果为主桁上弦节点在前i阶段（包括第i阶段）的累加总位移与预制拱度叠加的结果，如式（1），最终需保证结构施工完成后的线形与设计线形一致。

式中：｛Hi｝为第i阶段施工完成时上弦节点线形组；为预制节点线形组为前i阶段上弦节点累加总位移组。

根据实际确定的施工顺序和施工荷载情况进行主梁的安装线形计算，计算各施工阶段结构变形，据此计算相应杆件的安装高程。

3.1.2 斜拉索张拉计算

为使成桥后的结构线形及内力满足预先设定的最佳状态，应合理确定斜拉索初张力及张拉顺序。由于二期恒载占整个恒载的比重较大，为防止支座出现负反力，部分斜拉索初张拉时不能张拉到位。因此，在施工监控中设定2 个目标状态［5］：①因为主梁需满足弹性连续条件，将中跨合龙时的合龙口理想状态作为中间目标状态；②将理想成桥状态作为最终的目标状态，通过二次调整斜拉索索力来调整全桥状态，使主梁结构线形及内力，拉索索力均处于合理状态。

依据以下控制因素确定斜拉索的初张力：

1）中跨合龙状态下斜拉索的无应力长度。本桥将中跨合龙状态作为施工监控的中间目标状态，同时也作为斜拉索初张拉的目标状态，施工进行至此主梁应满足弹性连续条件，由此来确定斜拉索初张力。

2）索塔竖向支座反力。承压支座不能承受拉力，因此在进行斜拉索初张拉的施工过程中应确保支座不出现负反力。

3）塔梁间纵向临时约束所承受的主、边跨不平衡力。施工过程中结构为大悬臂状态，斜拉索初张力应保证其纵向不平衡力小于设计值。

4）施工过程中主梁的挠度控制。斜拉索的工厂制造长度根据最终成桥状态确定，因此在初张拉过程中要充分考虑主梁的挠度控制，保证主梁挠度在允许范围内，以免因挠度过大而导致斜拉索安装困难。

3.2 施工监测

3.2.1 应力、温度监测

1）索塔应力、温度监测。在索塔的下塔柱、中塔柱和上塔柱各布设1 个应力、温度测试断面，共3 个断面。索塔应力、温度测试断面各布设6个应力、温度测点，全桥索塔共设应变、温度测点72 个。在整个主梁架设施工过程中对塔柱应力、温度进行监测。

2）主梁应力、温度监测。主梁上的应力、温度测试断面共布置3 个，见图4。应力、温度测试断面的布置不仅考虑在主梁悬臂架设［6］过程中主梁应变、温度变化监测的要求，同时也考虑了成桥状态主梁应力、温度监测的要求，见图5。C截面处斜拉索张拉过程中各杆件应力变化如图6 所示，可知施工过程中杆件理论应力值与实测应力值差值吻合度较高，施工控制较好。

图4 大小练岛水道桥主梁应变、温度测点布置（单位：mm）

图5 各杆件应变、温度测点布置

图6 施工过程中C截面各杆件应力变化

3.2.2 变形监测

1）主梁线形监测。在主梁节段拼装完成时立即读取该节段前端临时几何测点的坐标初始值及其他控制测点的几何变化值；在斜拉索安装、架梁吊机移动后测量各控制测点的几何变化值；在主梁合龙时、二期恒载铺设完成时、索力调整时、施工荷载有较大变化时、结构体系转换时均应监测各控制点的几何变化值。

2）索塔偏位。主塔施工完成后，立即进行初读，在主梁节段拼装、斜拉索张拉和调整等某一施工阶段完成时测量主塔的变形；在主梁合龙时、二期恒载铺设完成时、索力调整时、施工荷载有较大变化时、结构体系转换时均应监测主塔的变形。

3.2.3 索力监测

在安装斜拉索时，测量该施工阶段安装的斜拉索及相邻的3对索的索力；在调整斜拉索索力时，测量该施工阶段调整的索及与这些索相邻的3 对斜拉索索力；全部索力调整完成时，测试全桥斜拉索索力。

4 施工监控重难点

4.1 大节段钢桁梁吊装

4.1.1 监控难点

大小练岛水道桥主梁结构采用带斜副桁的桁架截面，全部在工厂预制完成，运至现场安装，两节间大节段钢梁的制造及拼装难度较大，精度不易保证。另外，主梁的结构刚度大，调整误差的方法有限。与混凝土斜拉桥的立模标高相比，由于混凝土梁段现场浇筑，从而可以对主梁各个节段连接处的悬臂端标高以及无应力转角进行较大程度上的调整。而栓接钢桁梁的拼装过程中则不具备这样的调整手段，同时转角误差由于误差的积累对标高具有非常大的影响。从这一点上来说，钢桁梁斜拉桥的线形控制较混凝土主梁斜拉桥的线形控制操作难度大。钢桁梁的预拱线形在钢梁制造阶段已经完全确定，现场拼装时节段之间相对位置几乎没有调整的余地。节段间连接方式采用栓焊结合方式，施工监控时靠焊缝间距调整标高作用较小。

4.1.2 控制措施

预制节段采用架梁吊机吊装就位，主梁线形在安装斜拉索前通过临时结构进行控制和调整；在安装斜拉索后，通过张拉斜拉索调整主梁标高。

4.2 合龙控制

4.2.1 监控难点

桥面正交异性板与钢梁已结合形成整体，刚度很大；合龙点为三维空间坐标，而且纵向和竖向两个方向在调整时相互影响，匹配难度大；桥面板和钢桁梁、斜拉索共同作用，且合龙要经过多次结构体系转换。

4.2.2 控制措施

合龙段设置了“长圆孔+圆孔”的构造，通过“分步走”的方式，将竖向和纵向相互影响的复杂合龙转化为两个方向相互独立的简单合龙，使合龙过程大大简化。

1）调整中线偏差。若两端出现相对偏差，采用倒链在合龙点横向对拉。

2）调整竖向偏差。悬臂端加减载，利用架梁吊机的前后移动调整悬臂前端若干对斜拉索索力。根据施工实际情况，确定调整措施，以使得两侧合龙点相对竖向偏差最小，直至4根弦杆均穿入长圆孔合龙铰。

3）调整纵向偏差。长圆孔销栓穿入后进行圆孔销栓穿入工作，圆孔销栓的穿入通过调整桥梁轴线方向位移来实现。其措施有：在索塔处布置千斤顶纵向顶推施力；利用温差的变化微调。由于气温的变化，钢梁的长度亦发生变化。选择在纵向偏差值较小的气温条件下，在S04主塔处布置千斤顶向跨中侧顶推，使纵向相对偏差值减小并趋于0，直到4根弦杆均穿入圆孔合龙铰。抽去长圆孔中的合龙铰轴，使此时的合龙点处于铰接状态。然后进行斜杆合龙，斜杆若不能闭合则在两悬臂端挂设滑轮组，通过斜向对拉调整。