凌華明 馬牛靜 王榮輝 黃繼榮

(1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目管理中心 廣州 510030； 2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510630)

鋼-混疊合梁斜拉橋是目前應(yīng)用十分廣泛的一種斜拉橋，其具有結(jié)構(gòu)受力合理、跨越能力大、自重小等特點(diǎn)[1]。鋼-混疊合梁斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，其幾何線形和內(nèi)力狀態(tài)與斜拉橋的施工過程和施工方法緊密聯(lián)系[2]，即在斜拉橋施工過程中，結(jié)構(gòu)的幾何線形和內(nèi)力狀態(tài)是不斷變化的。特別是在斜拉橋合龍前，主梁屬于柔性結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)受施工因素的影響較大。理想設(shè)計(jì)狀態(tài)是設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及預(yù)定的施工方法確定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)而得到的理想狀態(tài)，但結(jié)構(gòu)參數(shù)不是完全確定的，其不確定性會(huì)引起施工過程中的誤差[3]。

為保證成橋?qū)嶋H狀態(tài)與理想狀態(tài)相一致，需要對(duì)橋梁施工控制過程中的計(jì)算、施工，以及測(cè)量中的線形和應(yīng)力誤差進(jìn)行分析，針對(duì)各種因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響程度和規(guī)律進(jìn)行研究分析，然后制定科學(xué)合理、有針對(duì)性的施工控制措施。

1 斜拉橋主梁線形及應(yīng)力誤差分析

根據(jù)誤差產(chǎn)生的環(huán)節(jié)及原因的不同，可以大致將誤差分為以下三類：計(jì)算誤差、施工誤差、測(cè)量誤差。

1.1 計(jì)算誤差

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)誤差。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)誤差是指實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中采用的參數(shù)存在一定偏差所造成的誤差。結(jié)構(gòu)理論計(jì)算時(shí)采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)是設(shè)計(jì)時(shí)擬定的一個(gè)理想值，生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件，其實(shí)際參數(shù)一定有別于這個(gè)理想值，如主梁重量、材料容重、材料彈性模量、橋面吊機(jī)重量等。

2) 結(jié)構(gòu)分析模型誤差。結(jié)構(gòu)分析模型誤差是指斜拉橋建模仿真模擬過程中模型無法完全模擬橋梁實(shí)際情況從而產(chǎn)生的誤差。在建立結(jié)構(gòu)分析模型的過程中，會(huì)在一些方面進(jìn)行簡(jiǎn)化和假定，如邊界條件的模擬、材料的均勻性、單元之間的連接特性、施工支架剛度的模擬、施工荷載施加的位置、施工過程的模擬等，使得模型虛擬施工過程和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定的差異。由于這些情況模擬的不準(zhǔn)確性，造成了結(jié)構(gòu)分析模型計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差。

1.2 施工誤差

施工誤差主要包括：構(gòu)件尺寸制造誤差、鋼梁安裝定位誤差、荷載誤差(臨時(shí)荷載安放不規(guī)范、索力張拉不到位等)、環(huán)境因素(溫度、風(fēng))干擾引起的誤差等。施工技術(shù)水平的限制、施工條件局限、施工方法不恰當(dāng)?shù)染鶗?huì)引起此類誤差。

1.3 測(cè)量誤差

測(cè)量誤差主要與測(cè)量讀數(shù)、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量環(huán)境等方面有關(guān)。其中測(cè)量讀數(shù)引起的誤差屬于人為因素引起的誤差，測(cè)量?jī)x器引起的誤差取決于儀器精度，同時(shí)溫度、風(fēng)荷載等環(huán)境因素引起的誤差也不可忽視。

2 工程背景

廣州某跨江大橋主橋采用30 m+95 m+305 m+110 m+30 m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，半漂浮體系。主塔采用變異鉆石形橋塔，左側(cè)主塔為“Z3”，右側(cè)主塔為“Z4”；主梁采用兩矩形邊箱疊合梁，主梁中心線處梁高為2.25 m，斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，在主塔兩側(cè)均布置12對(duì)斜拉索(共8×12根拉索)。

上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，索塔區(qū)梁段和輔助跨梁段均采用搭設(shè)支架施工的方式，索塔區(qū)梁段在邊跨合龍前與塔柱臨時(shí)固結(jié)；標(biāo)準(zhǔn)梁段雙懸臂對(duì)稱施工至邊跨合龍后，中跨剩余梁段采用單懸臂施工至中跨合龍。

建立全橋的有限元模型，共計(jì)節(jié)點(diǎn)942個(gè)，單元677個(gè)，單元均采用平面桿系單元。采用施工階段聯(lián)合截面模擬鋼-混疊合梁截面，共設(shè)置73個(gè)施工階段聯(lián)合截面；主梁構(gòu)件均沿初始切線位移方向激活。全橋有限元模型圖見圖1。

圖1 有限元模型圖

3 誤差控制方法

疊合梁斜拉橋誤差的總體控制方法見圖2。

圖2 誤差的總體控制流程

3.1 計(jì)算誤差控制方法

計(jì)算誤差主要源于參數(shù)識(shí)別不準(zhǔn)確，模型中采用的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不吻合。但是，橋梁結(jié)構(gòu)涉及的參數(shù)眾多，而且一些參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響非常小，因此選擇關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行修正是比較合理、有效的計(jì)算誤差控制方法。

關(guān)鍵影響誤差的識(shí)別可通過參數(shù)敏感性分析實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析是在改變結(jié)構(gòu)某個(gè)單一參數(shù)而其余參數(shù)保持不變的前提下，分析主梁線形和內(nèi)力的變化情況。識(shí)別各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主梁線形和應(yīng)力的影響程度，選出對(duì)主梁線形及應(yīng)力影響較大的參數(shù)。

3.1.1關(guān)鍵參數(shù)選擇

本文選取鋼梁和橋面板的重量及彈性模量、斜拉索重量及彈性模量和施工臨時(shí)荷載等7個(gè)參數(shù)作為敏感性分析研究對(duì)象，分析它們對(duì)鋼-混疊合梁斜拉橋主梁線形、混凝土橋面板應(yīng)力及索塔偏移的影響。7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化范圍取值見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化表

將7個(gè)參數(shù)取為基準(zhǔn)值時(shí)的基準(zhǔn)狀態(tài)與改變這些參數(shù)計(jì)算得到的響應(yīng)變化值進(jìn)行對(duì)比，分析得出這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主梁線形、主塔縱橋向水平位移、橋面板應(yīng)力的影響程度大小。由于篇幅的限制，此處只列出鋼梁重量和鋼梁彈性模量變化時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)的詳細(xì)結(jié)果，其他參數(shù)的敏感性分析結(jié)果只作簡(jiǎn)單說明。

主梁順橋向坐標(biāo)以主跨跨中為原點(diǎn)，主梁線形“+”表示上撓，“-”表示下?lián)希恢魉v橋向水平位移“+”表示向大樁號(hào)移動(dòng)(左側(cè)為小里程方向)，“-”表示向小樁號(hào)移動(dòng)；橋面板應(yīng)力“+”表示拉應(yīng)力，“-”表示壓應(yīng)力。

1) 鋼梁重量。鋼梁重量變化±5%時(shí)對(duì)主梁線形、橋面板應(yīng)力及主塔縱橋向水平位移的影響分別見圖3、表2、表3。

圖3 鋼梁重量變化±5%時(shí)成橋線形變化

由圖3可知，主梁線形對(duì)鋼梁重量變化較敏感，當(dāng)鋼梁彈性剛度增大5%時(shí)，跨中線形最大變化值約為-300 mm；當(dāng)鋼梁重量減小5%時(shí)，最大變化值約350 mm。鋼梁重量變化引起的主梁線形變化沿兩側(cè)呈近對(duì)稱分布，其中主跨跨中處撓度絕對(duì)值最大。

表2 鋼梁重量變化±5%時(shí)橋面板應(yīng)力

由表2可知，當(dāng)鋼梁重量變化±5%時(shí)，橋面板應(yīng)力增量絕對(duì)值最大為4.16 MPa?？梢?，鋼梁重量是橋面板應(yīng)力的敏感因素。

表3 鋼梁重量變化±5%時(shí)主塔縱橋向水平位移

由表3可知，鋼梁重量變化對(duì)主塔縱橋向水平位移影響較大，主塔水平位移絕對(duì)值最大為18.6 mm。

2) 鋼梁彈性模量。鋼梁彈性模量變化±5%時(shí)對(duì)主梁線形、橋面板應(yīng)力及主塔縱橋向水平位移的影響分別見圖4、表4、表5。

圖4 鋼梁彈性模量±5%成橋線形變化

表4 鋼梁彈性模量變化±5%時(shí)橋面板應(yīng)力

表5 鋼梁彈性模量變化±5%時(shí)主塔縱橋向水平位移

由圖4可知，鋼梁彈性模量發(fā)生變化時(shí)對(duì)主梁線形的影響較大，以主跨跨中為分界線呈對(duì)稱變化，其中主跨跨中處線形變化絕對(duì)值最大。當(dāng)鋼梁彈性剛度增大5%時(shí)，跨中線形最大變化值為-15 mm左右；當(dāng)鋼梁彈性剛度減小5%時(shí)，最大變化值約18 mm。

由表4可知，鋼梁彈性模量的變化對(duì)成橋狀態(tài)橋面板最大應(yīng)力的影響較小，當(dāng)鋼梁彈性模量增大±5%時(shí)，橋面板應(yīng)力增量絕對(duì)值最大約為0.2 MPa。鋼梁彈性模量±5%時(shí)，橋面板應(yīng)力增量絕對(duì)值相等，符號(hào)相反。

由表5可知，鋼梁彈性模量變化對(duì)主塔縱橋向水平位移影響小，主塔水平位移絕對(duì)值最大為1.3 mm。

3) 其他參數(shù)

運(yùn)用同樣的分析方法，可以得到橋面板重量、彈性模量和斜拉索重量、彈性模量，以及施工臨時(shí)荷載等參數(shù)的敏感性分析結(jié)果。其結(jié)果分別見表6～表8。

表6 主梁線形

表7 橋面板應(yīng)力

表8 主塔縱橋向水平位移

由上述數(shù)據(jù)分析可得，鋼梁、橋面板彈性模量及施工臨時(shí)荷載對(duì)主梁線形、橋面板應(yīng)力及主塔偏移影響均較小，鋼梁和橋面板重量變化對(duì)主梁線形和橋面板應(yīng)力的影響最為明顯，為關(guān)鍵敏感參數(shù)。因此，為得出準(zhǔn)確的理論計(jì)算結(jié)果，縮小計(jì)算誤差，應(yīng)對(duì)預(yù)制的鋼梁和橋面板進(jìn)行稱重，根據(jù)實(shí)際的重量修正計(jì)算模型。

3.1.2計(jì)算誤差調(diào)整方法

傳統(tǒng)的計(jì)算誤差調(diào)整方法是以主梁標(biāo)高和斜拉索索力為控制參數(shù)，當(dāng)參數(shù)誤差超過規(guī)范的允許值，根據(jù)修正過的計(jì)算模型重新計(jì)算主梁的安裝標(biāo)高和安裝索力[4]。但是當(dāng)斜拉索已制造完成，施工過程中斜拉索長(zhǎng)度的調(diào)整量有限，傳統(tǒng)的誤差調(diào)整方法可能出現(xiàn)因?yàn)檎{(diào)整量超出調(diào)整范圍而無法施工的情況。

大跨度疊合梁斜拉橋的施工控制一般采用幾何控制法[5-6]，其理論基礎(chǔ)是無應(yīng)力控制法[7]。幾何控制法是通過對(duì)制造階段構(gòu)件無應(yīng)力狀態(tài)及安裝階段結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)的精確控制，實(shí)現(xiàn)橋梁成橋狀態(tài)逼近設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)。

施工中可以基于幾何控制法對(duì)計(jì)算誤差進(jìn)行調(diào)控。由幾何控制法的原理可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)的幾何體系(結(jié)構(gòu)體系、邊界條件、無應(yīng)力尺寸和形狀)和作用體系(施加與結(jié)構(gòu)上的荷載、作用)確定時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是唯一確定的[8]。因此，制造廠精確制造出的鋼梁無應(yīng)力尺寸和形狀在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中按無應(yīng)力尺寸和形狀不變的原則重現(xiàn)后，可實(shí)現(xiàn)成橋狀態(tài)逼近設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算采用的參數(shù)不準(zhǔn)確時(shí)，首先識(shí)別出計(jì)算參數(shù)誤差后，根據(jù)識(shí)別的誤差修正施工計(jì)算模型，計(jì)算出誤差影響下的成橋線形及無應(yīng)力索長(zhǎng)，與設(shè)計(jì)理想成橋線形和無應(yīng)力索長(zhǎng)對(duì)比。以無應(yīng)力索長(zhǎng)為控制參數(shù)，以成橋線形為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)后續(xù)梁段的施工控制進(jìn)行調(diào)整(主要是對(duì)初張索力的調(diào)整，調(diào)整量由更新模型成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)的差值決定)，得到更新后的模型。再次計(jì)算得到成橋線形與無應(yīng)力索長(zhǎng)。反復(fù)地進(jìn)行方案的調(diào)整和對(duì)比評(píng)價(jià)，直至更新模型的無應(yīng)力索長(zhǎng)逼近設(shè)計(jì)無應(yīng)力索長(zhǎng)，成橋線形與理想成橋線形的差值在偏差允許范圍。最后得到新的施工索力及梁段夾角，應(yīng)用到后續(xù)梁段的施工控制中，消除計(jì)算誤差的影響。

3.2 施工誤差控制方法

施工誤差中構(gòu)件尺寸制造誤差、鋼梁安裝定位誤差、荷載誤差的控制需要在構(gòu)件預(yù)制和施工安裝過程中嚴(yán)格執(zhí)行施工方案及操作規(guī)范。

施工過程中，大跨度鋼-混疊合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)對(duì)溫度、風(fēng)荷載等環(huán)境因素較敏感[9]。但是橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素不可控，所以環(huán)境因素引起的誤差應(yīng)該通過選擇合適的施工時(shí)段控制。當(dāng)溫度較高時(shí)，鋼主梁受高溫影響，變形較大，容易引起較大施工誤差，此時(shí)橋梁構(gòu)件安裝和施工不宜進(jìn)行，特別是主梁合龍時(shí)，應(yīng)該選擇在夜晚進(jìn)行。

當(dāng)施工誤差已經(jīng)形成，應(yīng)在后續(xù)的施工階段中進(jìn)行適度調(diào)整，減小施工誤差的影響。誤差調(diào)整應(yīng)分段進(jìn)行，不要一步調(diào)整到位，保證線形平順、無折點(diǎn)。若當(dāng)前節(jié)段架設(shè)完成后，線形誤差較小時(shí)，架設(shè)下一節(jié)段時(shí)可不考慮誤差影響，仍按照理論安裝標(biāo)高進(jìn)行架設(shè)也不會(huì)導(dǎo)致明顯折點(diǎn)；而線形誤差較大時(shí)，架設(shè)下一節(jié)段時(shí)安裝標(biāo)高應(yīng)進(jìn)行修正，必要時(shí)可以調(diào)整施工索力，避免出現(xiàn)明顯折點(diǎn)。

3.3 測(cè)量誤差控制

測(cè)量誤差主要來源于環(huán)境因素影響及測(cè)量讀數(shù)誤差。環(huán)境因素(溫度和風(fēng)等)對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，由于環(huán)境因素的不可控性，只能選擇性規(guī)避不良測(cè)量環(huán)境。測(cè)量讀數(shù)誤差的控制，要減小施工因素引起的主梁振動(dòng)，以免測(cè)量讀取時(shí)數(shù)值波動(dòng)大，引起數(shù)據(jù)讀取不準(zhǔn)確。

在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，應(yīng)確保溫度在測(cè)量時(shí)間內(nèi)保持基本穩(wěn)定，并記錄現(xiàn)場(chǎng)大氣溫度和鋼梁內(nèi)、外表面溫度，以供監(jiān)控單位對(duì)溫度影響進(jìn)行修正。

在測(cè)量條件良好時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作可由施工單位和監(jiān)控單位同時(shí)獨(dú)立測(cè)量，相互校核，排除因儀器、人員讀數(shù)等導(dǎo)致的誤差。

4 結(jié)論

1) 疊合梁斜拉橋線形和應(yīng)力誤差由計(jì)算、施工及測(cè)量等3個(gè)方面引起。

2) 以某大跨度疊合梁斜拉橋?yàn)槔瑢?duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行敏感性分析，對(duì)比了不同參數(shù)對(duì)主梁線形、橋面板應(yīng)力，以及主塔縱橋向水平位移的影響。分析得出構(gòu)件彈性模量對(duì)主梁、主塔線形和橋面板應(yīng)力的影響小，而鋼梁重量和橋面板重量作為影響疊合梁斜拉橋受力狀態(tài)的主要因素，對(duì)主梁、主塔線形和橋面板應(yīng)力的影響明顯。

3) 計(jì)算誤差的調(diào)整，應(yīng)著重對(duì)鋼梁和橋面板重量進(jìn)行把控，根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的重量對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行參數(shù)修正。計(jì)算誤差的調(diào)整方法基于幾何控制法，以無應(yīng)力索長(zhǎng)為控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際成橋狀態(tài)逼近設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)。

4) 施工誤差的控制主要通過嚴(yán)格施工實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要注意施工環(huán)境影響，選擇合適的施工時(shí)段，減小環(huán)境因素引起的施工誤差；測(cè)量誤差的控制主要在于規(guī)避不良環(huán)境及控制干擾測(cè)量的振動(dòng)。