秦照付 徐 偉

(1.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司 南京 210061； 2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

隨著高鐵及城際鐵路的快速發(fā)展，跨越大江大河也不斷面臨新的挑戰(zhàn)，跨江跨河的橋梁形式需具備“高強(qiáng)、大跨、輕型、整體及新結(jié)構(gòu)”的特點(diǎn)，鐵路橋梁對(duì)剛度要求高，其結(jié)構(gòu)形式也在不斷發(fā)展變化，由早期的連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)發(fā)展到鋼桁拱橋、斜拉橋[1]，目前大多以桁式結(jié)構(gòu)為主，并且最大跨度也在不斷刷新，向千米級(jí)鐵路橋梁建設(shè)邁進(jìn)。

由于鋼桁斜拉橋具有剛度大、結(jié)構(gòu)受力合理，跨越能力大的特點(diǎn)，其可滿(mǎn)足高速行車(chē)總體靜力、動(dòng)力要求，近些年在鐵路或公鐵兩用橋梁中應(yīng)用較多[2]，目前的鋼桁梁橋具有以下特點(diǎn)[3]。

1) 大跨、重載、高速。主跨長(zhǎng)度由武漢長(zhǎng)江大橋的128 m增長(zhǎng)為已通車(chē)運(yùn)營(yíng)的武漢天興洲橋的504 m，荷載由雙線(xiàn)鐵路荷載到4線(xiàn)及6線(xiàn)鐵路荷載外加6車(chē)道公路荷載，最高運(yùn)行速度也由早期的50，60 km/h提高到現(xiàn)在的350 km/h。

2) 結(jié)構(gòu)形式變化較大。由于需承載多線(xiàn)鐵路和公路通行，截面形式由雙主桁發(fā)展到三主桁空間結(jié)構(gòu)，有利于結(jié)構(gòu)受力及制造、施工，以往的明橋面也逐漸被整體橋面結(jié)構(gòu)所代替。

3) 大量采用新材料、新工藝、新技術(shù)。由于是大跨、多線(xiàn)、公鐵共用，因此，無(wú)論恒載還是活載均較以往有較大區(qū)別，單個(gè)構(gòu)件受力大，施工工藝復(fù)雜，需采用高強(qiáng)度鋼材等。

1 鋼桁梁橋架設(shè)主要方法

鋼桁梁橋拼裝基本架設(shè)方法有以下4種，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可根據(jù)施工機(jī)具及現(xiàn)場(chǎng)條件同時(shí)采用幾種方法[4-6]。

1.1 支架架設(shè)法

支架法主要適用于位于無(wú)通航要求的河流、水深較淺及岸灘的連續(xù)鋼桁橋梁，大跨徑橋梁一般在邊跨采用支架拼裝。支架由于搭設(shè)方便，在節(jié)點(diǎn)處均有支撐點(diǎn)，因此拼裝線(xiàn)形及受力均易于保證，施工難度較小。

1.2 浮運(yùn)架設(shè)法

浮運(yùn)架設(shè)法是在岸上或工廠將鋼梁拼成整體后利用浮船將其運(yùn)至橋位處就位，此方法適用條件有限，僅適用一些小跨度橋梁，結(jié)構(gòu)整體性好，減少了水上及高空作業(yè)量，降低了拼裝控制的技術(shù)難度。

1.3 頂推或拖拉施工法

頂推或拖拉施工法是通過(guò)液壓千斤頂將在岸上或拼裝平臺(tái)上事先組拼好的鋼梁逐步頂推或拖拉到位的一種施工方法，由于鋼梁的拼裝主要在岸上或拼裝平臺(tái)上進(jìn)行，工作條件相對(duì)較好，因此，質(zhì)量能夠達(dá)到要求。

1.4 懸臂架設(shè)法

懸臂架設(shè)法是大跨度橋梁常用的一種施工方法，既有全伸臂架設(shè)又有半伸臂架設(shè)安裝，全伸臂施工時(shí)不設(shè)中間支點(diǎn)，大跨結(jié)構(gòu)主要依靠拉索或吊索塔架輔助受力，而半伸臂架設(shè)施工主要考慮結(jié)構(gòu)受力、變形及懸臂穩(wěn)定增加部分中間支點(diǎn)。懸臂架設(shè)過(guò)程中應(yīng)主要對(duì)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)形和內(nèi)力進(jìn)行控制。

目前懸臂拼裝主要包括桿件散拼、多節(jié)間的桁片拼裝及整個(gè)節(jié)間的整節(jié)段拼裝，無(wú)論是哪種拼裝，基本均采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，隨著制造及設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，逐漸由節(jié)點(diǎn)散拼過(guò)渡到節(jié)點(diǎn)外整體拼裝，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)拼裝的工作量及難度。

2 施工控制概述

由于橋梁施工方法不同，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線(xiàn)形調(diào)整方法也不盡相同，施工過(guò)程中的控制要求也大不一樣。對(duì)于支架法及整體拼裝的浮運(yùn)法，相對(duì)來(lái)說(shuō)具有可控性，而頂推或懸臂架設(shè)法則調(diào)整手段有限、控制難度大。

目前大跨斜拉橋的施工控制方法大多采用自適應(yīng)控制法[7]，它是目前斜拉橋施工控制較理想的方法，其重點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別和誤差分析，在施工過(guò)程中采用索力和標(biāo)高雙控，同時(shí)以結(jié)構(gòu)的內(nèi)力作為安全校核[8]。

因此，斜拉橋懸臂架設(shè)過(guò)程中主要控制指標(biāo)有斜拉索索力、主塔及鋼桁梁桿件應(yīng)力及位移相關(guān)參數(shù)，其中位移相關(guān)參數(shù)包括標(biāo)高、主梁縱向壓縮位移、主橋軸線(xiàn)偏移及塔偏等方面，其中施工監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括環(huán)境物理量參數(shù)(如溫度、時(shí)間等)的測(cè)試、應(yīng)力應(yīng)變及索力監(jiān)測(cè)、幾何變形量的測(cè)試等。

3 施工控制線(xiàn)形誤差分析

在鋼桁梁橋的制造、安裝架設(shè)過(guò)程中，由于種種原因會(huì)造成實(shí)際與理論之間的偏差。懸臂拼裝的鋼桁斜拉橋是空間結(jié)構(gòu)，而誤差既有空間位置的偏差，又有內(nèi)力索力的偏差，下面主要分析豎向變形方面的誤差。

根據(jù)《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，鋼桁梁橋立面拱度偏差允許范圍見(jiàn)表1。

表1 鋼梁立面拱度偏差允許范圍

3.1 鋼梁制造產(chǎn)生的誤差

對(duì)于懸臂拼裝的鋼桁梁橋來(lái)說(shuō)，對(duì)線(xiàn)形影響較大的主要有桿件的制造長(zhǎng)度及栓孔的鉆孔精度，其主要受放樣與下料精度、焊接變形及環(huán)境溫度等影響?！惰F路鋼橋制造規(guī)范》對(duì)于桿件制造尺寸及螺栓孔距允許偏差規(guī)定如表2，并且近幾年一些主要鋼橋也會(huì)根據(jù)具體情況制定適合自身的制造規(guī)則，其主要偏差范圍可能會(huì)大于規(guī)范規(guī)定。

表2 主桁桿件允許偏差范圍 mm

而鋼桁梁橋的預(yù)拱度基本是通過(guò)上弦節(jié)點(diǎn)處的間距尺寸調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般數(shù)值均較小，大多僅幾毫米到十幾毫米，如果存在偏差將對(duì)結(jié)構(gòu)線(xiàn)形產(chǎn)生一定的影響，且最前端的變形會(huì)隨著后續(xù)節(jié)間的拼裝而呈線(xiàn)形增大。

由于桿件制造誤差有正有負(fù)，并無(wú)規(guī)律可循，且在實(shí)際架設(shè)過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，因此給監(jiān)控工作判斷分析造成了一定的困難。

3.2 鋼梁拼裝產(chǎn)生的誤差

鋼梁開(kāi)始拼裝時(shí)一般先在臨時(shí)支架或托架上拼裝幾個(gè)節(jié)間，隨后則可能采用頂推施工或懸臂架設(shè)施工。

1) 臨時(shí)托架上拼裝鋼梁。對(duì)于采用高強(qiáng)螺栓連接的鋼桁梁橋來(lái)說(shuō)，初始定位的準(zhǔn)確性是非常重要的。但在實(shí)際施工過(guò)程中托架支點(diǎn)高程誤差及托架變形對(duì)拼裝線(xiàn)形會(huì)造成影響。

首先應(yīng)將托架上各點(diǎn)高程誤差控制在±5 mm以?xún)?nèi)，且相鄰節(jié)點(diǎn)、同一節(jié)點(diǎn)上下游高差也控制在5 mm以?xún)?nèi)。其次無(wú)論采用何種形式的支架或托架，在托架受力后或多或少的存在彈性或非彈性變形，因此，在托架上拼裝鋼梁時(shí)應(yīng)注意托架的變形，在高強(qiáng)螺栓施擰前必須將托架壓縮變形量考慮到調(diào)整量中。

2) 懸臂拼裝鋼梁。鋼桁梁橋由單根桿件采用螺栓進(jìn)行散拼連接，其連接質(zhì)量與制造精度至關(guān)重要。而懸臂拼裝時(shí)一般先安裝一定數(shù)量的沖釘，規(guī)范要求不得少于孔眼總數(shù)的50%，其余孔眼布置螺栓，且拼梁沖釘?shù)墓Q(chēng)直徑宜小于設(shè)計(jì)孔徑0.1～0.3 mm，因此，理論上沖釘與栓孔存在一定間隙，在懸臂拼裝時(shí)鋼梁桿件由于自重作用繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而會(huì)造成前端位移誤差，根據(jù)幾何關(guān)系前端位移計(jì)算公式如下。

式中：Δ為桿件前端位移，mm；l為節(jié)點(diǎn)螺栓群安裝定位沖釘對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，m；L為桿件長(zhǎng)度，m。

一般桿件高度在0.7～1.4 m，而節(jié)間長(zhǎng)度為8～15 m、與桿件高度相差約10倍，因此，對(duì)于安裝時(shí)0.1～0.3 mm的栓孔間隙至少會(huì)造成每個(gè)節(jié)間前端1～3 mm的高程誤差，并會(huì)隨著節(jié)間的增加逐步累積，因此懸臂拼裝施工時(shí)應(yīng)利用橋面吊機(jī)進(jìn)行桿件前端標(biāo)高調(diào)整，調(diào)整到位并測(cè)量復(fù)核后方可進(jìn)行施擰。

3.3 測(cè)試造成的誤差

由于每種儀器均存在精度問(wèn)題，結(jié)構(gòu)測(cè)試不可避免的存在著誤差，為減少測(cè)試因素造成的誤差可以從儀器測(cè)試精度、定期檢驗(yàn)與標(biāo)定、選擇專(zhuān)業(yè)測(cè)試人員等方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

斜拉橋索力測(cè)試由于方法及手段較多，方法不同可能會(huì)造成差異，如較多使用的頻譜法，主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推定索力，計(jì)算結(jié)果與兩端約束條件相關(guān)，不同假定會(huì)有一定的差別；斜拉橋線(xiàn)形測(cè)量時(shí)，由于存在環(huán)境條件、儀器及人為觀測(cè)等誤差，從而產(chǎn)生一定影響，尤其是由于風(fēng)荷載及架梁吊機(jī)等引起鋼梁晃動(dòng)或振動(dòng)，懸臂端的最大振幅達(dá)到厘米級(jí)[9]，將給測(cè)試造成困難，數(shù)據(jù)有一定的不確定度。

3.4 仿真分析造成的誤差

結(jié)構(gòu)仿真分析主要會(huì)在以下方面造成誤差。

1) 模型簡(jiǎn)化及參數(shù)的不確定性。施工監(jiān)控仿真計(jì)算模型中通常會(huì)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化和假定，如材料的彈性模量、容重、尺寸、截面特性等主要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范采用，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，由于結(jié)構(gòu)材料的離散性、結(jié)構(gòu)尺寸誤差、模型模擬得不準(zhǔn)確等，理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)總是有一定差異從而造成計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差。

2) 結(jié)構(gòu)的環(huán)境條件與理論計(jì)算狀態(tài)有差別，尤其是溫度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)更大，雖然可以選擇在夜間或環(huán)境影響較小的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試，但影響難以避免：①結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)不相同，如鋼梁、混凝土橋塔及斜拉索的溫度存在差別，鋼梁上下弦溫度場(chǎng)也會(huì)不同；②體系溫度也在不斷變化。因此，在計(jì)算時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確模擬溫度。

3) 施工方案及工序造成的誤差。如橋面板與鋼桁結(jié)構(gòu)之間的焊接順序及部位與計(jì)算時(shí)所考慮的不一致,從而造成結(jié)構(gòu)剛度誤差。

綜上所述，制造、拼裝、測(cè)試及計(jì)算分析所造成的誤差，均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，可通過(guò)儀器設(shè)備及人員、環(huán)境等方面采取相應(yīng)措施避免，或通過(guò)參數(shù)識(shí)別調(diào)整模型數(shù)據(jù)達(dá)到與實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能一致。

4 實(shí)例分析

4.1 橋梁概述

某鐵路斜拉橋上部結(jié)構(gòu)采用81.75 m+135 m+432 m+135 m+81.75 m鋼桁梁雙索面斜拉橋，節(jié)段長(zhǎng)度為13.5 m，桁寬18.0 m，寬跨比為1/24，桁高14.0 m, 高跨比1/30.9。主桁上下弦均采用箱形截面，上弦外高1.3 m、內(nèi)寬1 m、桿件板厚24～40 mm。下弦內(nèi)高1.4 m、內(nèi)寬1 m、桿件板厚24～44 mm。腹桿采用箱形及H形截面，插入節(jié)點(diǎn)板內(nèi)與弦桿拼接。箱形桿件外高0.8～1 m、外寬1 m、板厚30～40 mm。H形桿件翼緣板寬0.76～0.9 m、外寬1 m、板厚30～36 mm。橋面板采用正交異性板整體鋼橋面結(jié)構(gòu)，其上鋪設(shè)混凝土道碴槽板，頂面設(shè)2%橫坡，高度2 m，橋面板標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫向?qū)?5.6 m，縱向長(zhǎng)6.75 m。全橋鋼梁總質(zhì)量約為17 000 t。

斜拉索采用直徑7 mm的鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲斜拉索，抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa，彈性模量為1.95 GPa，全橋共計(jì)5種規(guī)格、共112根。斜拉索施工時(shí)在索塔內(nèi)張拉。

該橋鋼梁拼裝以塔為中心，先采用臨時(shí)支墩滑移拼裝墩頂四節(jié)間，然后再利用架梁起重機(jī)對(duì)懸臂拼裝其余節(jié)間，到輔助墩后起頂安裝支座形成單懸臂，繼續(xù)對(duì)稱(chēng)架設(shè)邊跨到邊墩、中跨至跨中進(jìn)行合龍。

墩頂四節(jié)間鋼梁在臨時(shí)托架上拼裝時(shí)各節(jié)點(diǎn)高程誤差見(jiàn)表3；當(dāng)對(duì)稱(chēng)拼裝至最大懸臂狀態(tài)時(shí)(見(jiàn)圖1)，鋼梁最前端位移誤差見(jiàn)表4。

表3 墩頂托架拼裝時(shí)節(jié)點(diǎn)高程實(shí)測(cè)誤差

圖1 最大雙懸臂拼裝狀態(tài)示意(單位：m)

表4 最大懸臂拼裝時(shí)前端節(jié)點(diǎn)高程實(shí)測(cè)誤差

4.2 誤差原因分析

1) 托架拼裝階段。由表3可見(jiàn)，墩頂節(jié)間高程誤差總體較小，最大僅6 mm，而邊跨側(cè)比中跨側(cè)誤差略大，呈現(xiàn)兩端低中間E16處高，即轉(zhuǎn)角比理論小一些。

在托架上拼裝時(shí)主要受到支點(diǎn)標(biāo)高定位不準(zhǔn)、支架或托架變形，以及鋼梁制造誤差影響，而鋼桁梁的預(yù)拱度主要通過(guò)墩頂節(jié)間上弦尺寸調(diào)整形成一定轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果定位不準(zhǔn)及制造誤差大將對(duì)后續(xù)標(biāo)高影響較大，因此，在墩頂鋼梁架設(shè)初始定位時(shí)應(yīng)充分重視，控制托架兩端如E14，E18節(jié)點(diǎn)處為正誤差，即轉(zhuǎn)角略大一些。

2) 懸臂拼裝階段。由表4可見(jiàn)，懸臂前端高程誤差逐步偏大，而邊跨側(cè)比中跨側(cè)誤差大，邊跨最前端E6最大達(dá)77 mm，中跨最前端E27最大達(dá)38 mm，上下桁之間也存在一定偏差，總體上是實(shí)測(cè)結(jié)果較理論結(jié)果低。

根據(jù)前述誤差因素對(duì)懸臂前端高程的影響并結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析如下。

①墩頂4個(gè)節(jié)間拼裝誤差可能對(duì)最大懸臂前端的影響示意見(jiàn)圖2，計(jì)算如下。

E6(10個(gè)節(jié)間):

E27(11個(gè)節(jié)間):

圖2 墩頂誤差對(duì)懸臂前端影響示意(單位：mm)

②懸臂拼裝時(shí)由于沖釘間隙誤差可能對(duì)最大懸臂前端的影響見(jiàn)表5。

因此由①②2項(xiàng)誤差可能造成節(jié)點(diǎn)前端的線(xiàn)形誤差分別為：

E6:Δ1+Δ7-14=33.5+48.4=81.9 mm

E27:Δ2+Δ18-26=17.75+50.5=68.25 mm

表5 最大懸臂拼裝時(shí)前端節(jié)點(diǎn)高程誤差計(jì)算值mm

4.3 參數(shù)識(shí)別調(diào)整

通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，識(shí)別引起這種偏差的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析判定，通過(guò)修正設(shè)計(jì)參數(shù)，確定出結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合效應(yīng)真實(shí)值，為結(jié)構(gòu)分析提供可靠的數(shù)值，以達(dá)到控制橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差的目的。

橋梁施工過(guò)程中存在的誤差可以分為3類(lèi)：第一類(lèi)是可以測(cè)量的誤差，比如構(gòu)件尺寸、材料容重、材料彈性模量等，通過(guò)實(shí)測(cè)得到實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)該實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而解決該類(lèi)誤差問(wèn)題；第二類(lèi)是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的誤差，比如模型簡(jiǎn)化誤差、構(gòu)件實(shí)際剛度誤差、人為操作誤差等可通過(guò)平差計(jì)算來(lái)解決；第三類(lèi)就是實(shí)際環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響所造成的誤差，通過(guò)選取穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試予以解決。

5 結(jié)論

對(duì)鋼桁梁橋來(lái)說(shuō)，大多還是采用懸臂拼裝架設(shè)并以高強(qiáng)螺栓連接為主，為保證拼裝過(guò)程中的結(jié)構(gòu)線(xiàn)形與設(shè)計(jì)一致，避免誤差過(guò)大應(yīng)重點(diǎn)注意以下內(nèi)容。

1) 應(yīng)對(duì)桿件制造質(zhì)量嚴(yán)格控制，尤其應(yīng)控制墩頂處設(shè)置預(yù)拱度桿件的制造尺寸精度，并通過(guò)工廠預(yù)拼檢查制造質(zhì)量；其次對(duì)于桿件的制造長(zhǎng)度誤差，即兩端栓孔群中心距尺寸和拼接板栓孔精度要嚴(yán)格控制。

2) 現(xiàn)場(chǎng)墩頂處鋼梁拼裝時(shí)的高程控制要準(zhǔn)確。因其對(duì)后續(xù)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高有一定影響，隨著拼裝節(jié)間的增加，高程誤差有逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)有預(yù)拱度設(shè)置時(shí)應(yīng)適當(dāng)保持拱角度稍大一些。

3) 由于懸臂拼裝時(shí)沖釘與栓孔之間本身存在間隙，且沖釘經(jīng)常使用磨損導(dǎo)致直徑減小，會(huì)造成拼裝桿件繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致桿件前端偏低，而轉(zhuǎn)動(dòng)角度與栓孔群安裝沖釘?shù)膶?duì)角線(xiàn)尺寸、沖釘直徑及桿件長(zhǎng)度相關(guān)，因此沖釘應(yīng)盡量沿栓孔群四周均勻布置，并經(jīng)常檢查沖釘直徑是否符合要求，拼裝時(shí)利用架梁吊機(jī)將桿件前端適當(dāng)?shù)跗穑m當(dāng)調(diào)整標(biāo)高后及時(shí)施擰部分高強(qiáng)螺栓。

4) 由于大跨度鋼桁梁橋在設(shè)計(jì)及制造時(shí)也確定了預(yù)拱度，并通過(guò)上弦節(jié)點(diǎn)板孔距進(jìn)行設(shè)置，為保證懸臂拼裝過(guò)程中線(xiàn)形與設(shè)計(jì)一致，可以考慮在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)調(diào)整該值以抵消由于栓孔間隙造成的線(xiàn)形誤差。