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摘要：本文以大连某位于“S”形反向平面曲线上高矮塔单索面曲线斜拉桥为项目依托，通过有限元方法建立三维模型，对结构进行施工工况模拟计算，计算分析了各施工阶段梁塔控制截面应力、成桥后挠度、成桥索力及桥塔预偏值，并与关键施工工况监控数据进行对比，表明有限元计算结果与监控数据有着较好的吻合度。通过对该桥施工监控技术的研究，为类似位于“S”形反向曲线上的高矮塔单索面曲线斜拉桥的施工监控提供重要的参考。
关键词：施工监控；反向曲率；曲线斜拉桥；有限元分析
1 工程概况
本文以大连滨海大道西延伸线项目中一位于S形反向平面曲线上斜拉桥为工程依托，对其进行施工监控技术研究。
该桥位于“S”形反向平面曲线上，分别由半径半径265m圆弧、缓和曲线、半径310m圆弧组成。4#塔位于缓和曲线上，5#塔位于半径为310m的圆弧上。双塔单索面斜拉桥，高矮塔，桥塔、桥跨不对称，跨径布置为50m+96m+192m+70m＝408m。桥面宽29.5m，主梁采用正交异性桥面板钢箱梁。采用塔梁固结、塔墩分离的体系。桥梁上部钢箱梁，中心梁高3.0m，箱梁顶板宽度29.5m，底板宽度22.83m，全桥设单向横坡。在边墩处钢箱梁内施加压重，压重材料采用混凝土，容重要求达到24kN/m3。桥塔均为钢箱结构，Z4处桥塔桥面以上高56.5m，Z5处桥塔桥面以上高36.5m。本桥为单索面斜拉桥，Z4桥塔两侧各设置9对斜拉索，Z5桥塔两侧各设置5对斜拉索，拉索横向间距为1.8m。斜拉索采用双层热挤PE护套环氧涂层平行钢丝拉索体系，钢丝采用φ7mm环氧涂层高强钢丝，钢丝强度fpk=1670Mpa。
桥型布置图、断面图见图1~图2。
图2 钢箱梁断面图（单位：cm）
2 有限元模型的建立
利用MIDAS CIVIL建立全桥三维有限元模型，索塔、主梁采用梁单元，拉索采用拉索单元。斜拉索与索塔、主梁的锚固采用刚性连接，索塔与梁体固结采用刚性连接模拟。满堂支架采用仅受压的弹性连接模拟，抗压刚度按实际试压数据修正。由于桥梁处于三维空间中，对支撑边界模拟时，调整局部坐标系，使之受力符合实际。本模型按实际施工工序划分施工阶段，工14个施工阶段进行模拟分析。本桥有限元模型见图3，主要模拟计算施工阶段如表1，。
3 有限元模拟分析
从成桥状态的内力与位移进行有限元模拟分析，为斜拉桥梁体和索塔的空间弯矩、应力水平，以及拉索索力、索塔塔偏的施工控制及监测提供依据。
（1）成桥状态内力分析
从成桥状态的内力与位移出发，对其进行了有限元分析，其成桥状态梁体内力、索塔根部内力、拉索索力、梁体位移、索塔预偏值结果见下表。
（2）成桥状态位移分析
按照设计文件、施工组织设计等文件，进行正装计算得到成桥状况下主梁竖向位移及塔偏，其中最大竖向累计位移为-72mm，其中Z4塔最大横向位移为-144mm（路线右侧）、Z5塔最大横向位移为-51mm（路线右侧）
4 施工控制及控制结果分析
根据该斜拉桥位于小半径“S”形反向平面曲线这一特点，设计施工工序为满堂支架搭设，梁体及索塔拼的装、张拉斜拉索、拆除满堂支架、调索、桥面铺装及其附属工程施工、成桥状态调索（如有必要）。施工过程中拆除满堂支架工况对索力进行调整，成桥状态下对索力微调均匀。施工过程中对索力、桥塔偏、梁体线形、施工过程中的梁体扭转位移等参数进行了监测，并与有限元模型计算结果进行比较。施工监控重要关键工况：
（1）支架预压工况，测试支架沉降为施工监控参数调整提供依据。
（2）架设梁体工况，对其高程进行检测为施工监控参数调整提供依据。
（3）浇筑压重混凝土工况，对其挠度、应力测点进行检测为施工监控下一步工作提供依据。
（4）张拉斜拉索工况，对其挠度、应力、索力测点进行检测为施工监控下一步工作提供依据。
（5）拆除支架工况，对其挠度、应力、索力测点进行检测为施工监控下一步工作提供依据，必要时调索。
（6）二期施工工况，对挠度、应力、索力测点进行检测，必要时调索。
4.1梁体线形控制及结果
该桥线形控制通过有限元正装分析、倒装分析，确保主梁线形、索塔塔偏、拉索索力与设计状态相吻合，根据施工工序要求，桥梁梁体节段拼装定位的控制是梁体线形控制的关键。
为消除支架变形及基础沉降影响，施工过程中严格按照滞后3个节段进行节段拼装监控验收，验收合格后方可进行节段间的拼接。施工过程中主梁各节段测点如图4。
桥梁梁体施工拼装预拱度的合理性与结构受力性能安全密切相关，对于满堂支架施工桥梁，合理确定拼装定位是桥梁达到合理成桥状态的关键。本桥成桥状态桥梁线形平顺，且满足相关规范及设计要求。
根据表1数据可知，成桥状态索塔理论预偏值为146mm，实测塔回位151mm，误差为3.4%，拆除支架工况塔偏误差2.9%，与理论值吻合较好；主跨跨中拆除支架工况挠度增量为43mm，实测挠度增量为38mm，误差为-9.3%，与理论值基本吻合；主跨跨中成桥状态挠度增量为-126mm，实测挠度增量为-119mm，误差为-5.6%，与理论值吻合较好；主跨梁体拆除支架工况扭转0.00163rad，梁截面外侧相对扭转位移为24mm，实测扭转角为0.00149rad，实测梁截面外侧相对扭转位移为22mm，与理论值吻合较好。
4.3索力控制及结果
斜拉桥施工监控有限元计算的拉索索力准确度与成桥线形和结构受力状态关系密切，而桥梁结构的温差又影响索力大小，对斜拉索索力监控是斜拉桥受力满足设计合理成桥受力状态的关键。
本桥施工监控工作中，斜拉索下料长度、初始张拉索力计算是均要考虑垂度效应影响。由于本桥为反向曲线上的斜拉桥，结构体系较复杂，满堂支架各支点反力与理论计算值有所差别，需对斜拉索进行调索工作。根据本桥施工工期要求，本桥在二期恒载前进行索力调整。通过有限元模型计算，给出该工况下的拉索影响矩阵，计算各拉索调整值。本桥设计成桥索力、拉索初始张拉力、施工成桥索力如下图6、图7所示。
本项目成桥索力控制较好，实测索力与设计成桥索力差值均小于80kN，误差百分比均小于5%，均满足设计及相关规范[3]要求。
图6 右侧拉索初始张拉力、施工成桥索力、设计成桥索力对比
4 结语
本文以位于S形反向平面曲线上斜拉桥为背景，研究适用于类似复杂桥梁的控制体系，主要结论：
1、施工工况实测监控数据与理论模型计算结果吻合较好，验证了有限元模型适应于小半径“S”形反向平面曲线斜拉桥计算，本文结论可靠。
2、理论计算及实践表明，采用的模拟计算、监控方法确保了主梁线形平顺，斜拉索索力误差均在5%内，在受力方面安全可控，各施工监控验收指标均满足设计及相关规范要求。
3、本桥施工过程及成桥状态表现的梁体变形、索塔塔偏、索力均匀度以及内力方面与理论计算理论轨迹、监控要求基本一致，本桥监控方法可运用于类似桥梁施工监控中，可为小半径“S”形反向平面曲线斜拉桥施工监控提供借鉴。
参考文献：
[1]JTG D60 －2015，公路桥涵设计通用规范．
[2]JTG/T F50 －2011，公路桥涵施工技术规范．
[3]JTG F80/1 － 2004，公路工程质量检验评定标准第一册（土建工程）．
[4]熊明祥，黄亮文，许国光，朋吴奎． 关于“S”形反向平面曲线桥梁的探讨和研究［J］． 工程设计，2010，24（4）：489-491．
论文作者:张文伟
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/19
标签：斜拉桥论文; 工况论文; 挠度论文; 曲线论文; 支架论文; 拉索论文; 位移论文; 《防护工程》2019年第6期论文;