蘇通大橋施工構(gòu)件尺寸偏差對主梁線形影響分析

莫慧蘭， 張震韜， 徐文勝

(1. 湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430000；2.呼和浩特市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；3.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院; b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074)

為明確施工架設(shè)的各項(xiàng)控制精度要求以及主要的控制參數(shù)，需要對結(jié)構(gòu)參數(shù)及其在可控范圍內(nèi)的誤差進(jìn)行影響分析，這樣不僅可為狀態(tài)調(diào)整與最優(yōu)控制找到最佳的狀態(tài)調(diào)整參數(shù)，減少參數(shù)識別的盲目性，同時也為合理確定各項(xiàng)參數(shù)的精度控制目標(biāo)提供理論依據(jù)[1,2]。

斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中，對結(jié)構(gòu)受力或線形影響較大的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有[3～6]：荷載方面的梁段自重，施工臨時荷載(施工設(shè)備，模板的重量等)；構(gòu)件力學(xué)性能方面的材料模量，構(gòu)件剛度(軸向剛度、彎曲剛度)；構(gòu)件幾何尺寸誤差(構(gòu)件長度、線形)；混凝土收縮徐變等。另外，施工環(huán)境影響(溫度變化，風(fēng)載作用)、主梁邊、中跨的合攏技術(shù)及控制措施、臨時約束的拆除方式(臨時墩、塔梁臨時錨固系統(tǒng))、鋼箱梁梁段現(xiàn)場連接方式(尤其是采用焊接連接時，梁段間焊縫收縮量的控制)等也是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和施工線形的主要因素。

1 蘇通大橋結(jié)構(gòu)概況

蘇通長江公路大橋位于長江下游，臨近長江入?？?，是目前世界上最大跨度的雙塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑為1088 m。大橋橋位區(qū)江面寬約6 km，大橋全長8206 m,主橋鋼箱梁共分為17種類型、141個梁段，節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度16 m、邊跨尾索區(qū)節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度12 m，鋼箱梁全寬41 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段最大起吊重量約450 t。塔柱采用倒Y形結(jié)構(gòu)，分為下塔肢、中塔肢、上塔肢和橫梁四部份，索塔高300.4 m。其中，下塔肢為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上塔肢為鋼錨箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)。按初步施工方案和設(shè)計圖紙，將蘇通長江公路大橋主橋施工流程劃分255個施工階段，每個標(biāo)準(zhǔn)梁段施工分為5個階段，即梁段起吊、梁段焊接、斜拉索一張、吊機(jī)前移、斜拉索二張。

2 施工構(gòu)件尺寸偏差對主梁線形影響分析

制定精度控制標(biāo)準(zhǔn)是架設(shè)幾何控制所面臨的一個關(guān)鍵性問題。若控制要求過于寬松，可能導(dǎo)致施工過程出現(xiàn)過大的施工誤差累積，從而嚴(yán)重偏離理想施工狀態(tài)和最終成橋目標(biāo)狀態(tài)，給結(jié)構(gòu)的安全和耐久性造成隱患。若限值過于嚴(yán)格，由于施工過程中客觀存在的參數(shù)的不確定性和施工誤差，難免需要在施工階段反復(fù)調(diào)整索力和線形，使施工進(jìn)度難以保證。因此，限制合理的架設(shè)精度目標(biāo)值，同時使中間施工階段的控制在實(shí)踐上具有一定的靈活性，即采用適應(yīng)性架設(shè)幾何控制，將極大地方便施工。

本文對蘇通大橋的構(gòu)件尺寸影響因素進(jìn)行了分析，研究其對蘇通大橋施工過程主梁線形的影響規(guī)律，為施工控制精度的制定提供依據(jù)。按有限位移理論，采用ANSYS進(jìn)行全橋三維空間結(jié)構(gòu)非線性分析，主要考慮的非線性因素有：斜拉索垂度、大位移和P-Δ效應(yīng)。在建立空間模型時，主要作了下列處理：

(1) 用“魚刺梁”模擬主梁，主梁采用beam44模擬；

(2) 索塔采用beam44模擬；

(3) 斜拉索采用link8模擬，采用單根斜拉索用多鏈桿單元模擬的方法來考慮索的垂度非線性影響；

(4) 斜拉索與主梁之間的連接采用“魚刺”與主梁連接，“魚刺”用剛度很大(相對于主梁剛度)的beam4梁單元模擬；

(5) 塔、墩底部的樁基礎(chǔ)采用彈簧單元約束的方法模擬。

斜拉橋結(jié)構(gòu)由塔、梁、索三部分組成，幾何尺寸偏差主要表現(xiàn)在塔高度和塔施工完成時的垂直度、鋼箱梁的無應(yīng)力線形和無應(yīng)力長度、斜拉索的無應(yīng)力長度等方面。

2.1 鋼箱梁無應(yīng)力長度偏差

鋼箱梁節(jié)度長度誤差敏感性分析采用了最大單懸臂模型， 因?yàn)榇四Ｐ蛯χ髁鹤兾坏挠绊懘笥诔蓸蚰Ｐ?。此敏感參?shù)考慮了鋼箱梁節(jié)度長度增加及減少比例為2 mm/16 m時對主梁變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力和索力的影響。最大垂直變位在單懸臂的中跨，當(dāng)鋼箱梁節(jié)度長度增加比例為2 mm時，中跨最大垂直變位為+271.8 mm，減少時為-271.6 mm，結(jié)果如圖1所示。

圖1 梁長尺寸偏差對成橋主梁線形的影響

2.2 鋼箱梁無應(yīng)力線形偏差

鋼箱梁節(jié)段在工廠內(nèi)預(yù)制成形，一般可以獲得與計算無應(yīng)力線形相同或者接近的制作無應(yīng)力線形，但在現(xiàn)場安裝時，由于節(jié)段間焊接變形和受力狀態(tài)的不同，鋼箱梁節(jié)段間夾角會與設(shè)計夾角發(fā)生偏離，會改變鋼箱梁的無應(yīng)力線形。為此，需要研究夾角變化對成橋狀態(tài)的影響。由于頂?shù)装鍩笗r會發(fā)生不同收縮而改變夾角，研究時考慮了梁段焊接處每頂?shù)装褰涌p收縮差±0.5 mm時對主梁變形的影響。如圖2所示，最大垂直變位在邊跨，當(dāng)梁段焊接處頂?shù)装褰涌p收縮差+0.5 mm時，中跨垂直變位為-1.4 mm，頂?shù)装褰涌p收縮差-0.5 mm時，中跨垂直變位為1.4 mm。可見表現(xiàn)出整體同向性的頂?shù)装搴缚p收縮差對跨中鋼箱梁線形影響不大，但對邊跨鋼箱梁影響較大，這是由于邊跨鋼箱梁跨度小，表現(xiàn)出較大的整體剛度。但需要注意，隨機(jī)性頂?shù)装搴缚p收縮差會對主梁局部線形和局部索力分配造成影響，鋼箱梁焊縫頂?shù)装迨湛s差值必須有效控制在一個可接受的范圍內(nèi)。

圖2 整體同向性頂?shù)装搴缚p收縮差對鋼箱梁線形影響

2.3 斜拉索無應(yīng)力長度偏差

研究時改變拉索無應(yīng)力長度，其他參數(shù)保持不變?？紤]了增長及減少拉索長度比例為1/20000對主梁變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及應(yīng)力和索力的影響，如圖3所示。從主梁變位可見，最大垂直變位在中跨，當(dāng)拉索增加比例1/20000時，為-121.2 mm，減少比例1/20000時，為+121.3 mm，可見斜拉索無應(yīng)力長度的控制非常重要。

圖3 斜拉索無應(yīng)力長度變化對鋼箱梁線形影響

2.4 索塔高度偏差

索塔的幾何不確定性主要是指橋塔高度的調(diào)整?？紤]到橋塔混凝土的徐變與收縮以及因施加的恒載而引起的索塔軸向縮短，一般在施工中均按照計算量(理論壓縮量、收縮值、徐變值)把模板進(jìn)行提升，從而將混凝土橋塔造得高一些，使得竣工后和設(shè)計標(biāo)高比較一致。雖然可以把理論計算的補(bǔ)償量分配給橋塔的幾個節(jié)段，但是，當(dāng)索塔錨固采用鋼錨箱時，往往只在索塔下橫梁處或中塔柱交匯點(diǎn)、拉索錨固區(qū)之下幾個控制點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。國內(nèi)施工或施控單位對此尚不夠重視，通常以設(shè)計標(biāo)高立模，未考慮補(bǔ)償量，因而索塔標(biāo)高誤差相對較大。

按塔高+10 mm、+20 mm、+30 mm、+40 mm四種情況計算，在計算模型中，僅加高了上塔柱部分，這樣處理只是變化了塔高和拉索的塔端錨點(diǎn)位置，不會影響結(jié)構(gòu)的其它部分?；鶞?zhǔn)狀態(tài)為設(shè)計塔高，四種變化均以基準(zhǔn)狀態(tài)得到的安裝線形為計算的初始線形和保持斜拉索無應(yīng)力長度不變，然后分別變化塔高進(jìn)行計算。塔高變化導(dǎo)致的線形變化如圖4所示。由圖4可知，塔高增加40 mm時，主梁線形的變化在-1.0～107.3 mm之間。塔高偏差也是不容忽視的問題。

圖4 主梁線形隨塔高的變化

2.5 索塔施工垂直度偏差

在施工過程中，由于種種原因，沿塔高方向塔軸線的可能偏離設(shè)計位置。按三種情況考慮這一因素的影響，第一種情況南、北索塔同時向江側(cè)偏技術(shù)規(guī)范值、L/2000、L/3000、L/4000、L/10000；第二種情況南、北索塔同時向岸側(cè)偏技術(shù)規(guī)范值、L/2000、L/3000、L/4000、L/10000；第三種情況南、北索塔同時向同一方向(如南通側(cè))偏技術(shù)規(guī)范值、L/2000、L/3000、L/4000、L/10000，L為塔全高，塔軸線偏離的分布按塔底為零、其余部分線性分布。在計算模型中實(shí)現(xiàn)時，不僅考慮了塔柱的偏離，也考慮了拉索塔端錨點(diǎn)隨塔柱的移動?；鶞?zhǔn)狀態(tài)為設(shè)計位置，四種變化均以基準(zhǔn)狀態(tài)得到的安裝線形為計算的初始線形和保持斜拉索無應(yīng)力長度不變，然后分別變化塔偏進(jìn)行計算。

塔軸線的初始偏離導(dǎo)致的線形變化如圖5～圖7所示。由圖可知，兩塔對稱偏離軸線(同時向江側(cè)或同時向岸側(cè))對主梁線形的影響較兩塔軸線反對稱偏離軸線(同時向南通側(cè)或同時向蘇州側(cè))要小，從數(shù)值上說，正對稱偏離時也較反對稱偏離時要大，但總體上影響不大。

圖5 南北索塔同向岸側(cè)偏對成橋主梁線形的影響

圖6 南北索塔同向江側(cè)偏對成橋主梁線形的影響

圖7 南北索塔同向北側(cè)偏對成橋主梁線形的影響

從以上分析可以看出，梁長、塔高、斜拉索長度對最終幾何線形影響很大，所以在制作工廠和現(xiàn)場斜拉索安裝時需要對塔端、梁端拉索錨固坐標(biāo)進(jìn)行精確測量，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)在安裝斜拉索前對索無應(yīng)力長度進(jìn)行修正。參照諾曼底大橋和多多羅大橋架設(shè)經(jīng)驗(yàn)，由于長索的索力誤差在長懸臂狀態(tài)下更加容易引起主梁線形的改變，對蘇通長江公路大橋等超大跨度斜拉橋，規(guī)定短索的誤差容許范圍為索長的1/10000，并將長索的索長控制精度要求提高到1/20000。

3 結(jié) 語

以蘇通長江公路大橋?yàn)槔?，為研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對于控制結(jié)果的影響，探明各參數(shù)對于施工控制的重要性，為施工控制方案的制定、制造和施工階段控制容許誤差的確定、施工控制決策的制訂等提供科學(xué)依據(jù)，對施工全過程結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析進(jìn)行研究，揭示了幾何控制技術(shù)的主要控制參數(shù)，為蘇通大橋的施工控制提供了控制標(biāo)準(zhǔn)。蘇通大橋的高質(zhì)量的建成通車，驗(yàn)證了本文的分析結(jié)論。

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