鋼桁斜拉橋施工控制的線形誤差分析

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)，其可滿足高速行車總體靜力、動力要求，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。主跨長度由武漢長江大橋的128 m增長為已通車運(yùn)營的武漢天興洲橋的504 m，荷載由雙線鐵路荷載到4線及6線鐵路荷載外加6車道公路荷載，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、公鐵共用，因此，無論恒載還是活載均較以往有較大區(qū)別，單個構(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)場施工時(shí)可根據(jù)施工機(jī)具及現(xiàn)場條件同時(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液壓千斤頂將在岸上或拼裝平臺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上進(jìn)行，工作條件相對較好，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)過程中應(yīng)主要對結(jié)構(gòu)的線形和內(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節(jié)間的整節(jié)段拼裝，無論是哪種拼裝，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)散拼過渡到節(jié)點(diǎn)外整體拼裝，大大降低了現(xiàn)場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)力及線形調(diào)整方法也不盡相同，施工過程中的控制要求也大不一樣。對于支架法及整體拼裝的浮運(yùn)法，相對來說具有可控性，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)是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)識別和誤差分析，在施工過程中采用索力和標(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、主橋軸線偏移及塔偏等方面，其中施工監(jiān)測的內(nèi)容包括環(huán)境物理量參數(shù)(如溫度、時(shí)間等)的測試、應(yīng)力應(yīng)變及索力監(jiān)測、幾何變形量的測試等。

3 施工控制線形誤差分析

在鋼桁梁橋的制造、安裝架設(shè)過程中，由于種種原因會造成實(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

對于懸臂拼裝的鋼桁梁橋來說，對線形影響較大的主要有桿件的制造長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)拱度基本是通過上弦節(jié)點(diǎn)處的間距尺寸調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，一般數(shù)值均較小，大多僅幾毫米到十幾毫米，如果存在偏差將對結(jié)構(gòu)線形產(chǎn)生一定的影響，且最前端的變形會隨著后續(xù)節(jié)間的拼裝而呈線形增大。

由于桿件制造誤差有正有負(fù)，并無規(guī)律可循，且在實(shí)際架設(shè)過程中無法準(zhǔn)確測量，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

鋼梁開始拼裝時(shí)一般先在臨時(shí)支架或托架上拼裝幾個節(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。對于采用高強(qiáng)螺栓連接的鋼桁梁橋來說，初始定位的準(zhǔn)確性是非常重要的。但在實(shí)際施工過程中托架支點(diǎn)高程誤差及托架變形對拼裝線形會造成影響。

首先應(yīng)將托架上各點(diǎn)高程誤差控制在±5 mm以內(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以內(nèi)。其次無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，從而會造成前端位移誤差，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角線長度，m；L為桿件長度，m。

一般桿件高度在0.7～1.4 m，而節(jié)間長度為8～15 m、與桿件高度相差約10倍，因此，對于安裝時(shí)0.1～0.3 mm的栓孔間隙至少會造成每個節(jié)間前端1～3 mm的高程誤差，并會隨著節(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)整到位并測量復(fù)核后方可進(jìn)行施擰。

3.3 測試造成的誤差

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

斜拉橋索力測試由于方法及手段較多，方法不同可能會造成差異，如較多使用的頻譜法，主要通過經(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)，不同假定會有一定的差別；斜拉橋線形測量時(shí)，由于存在環(huán)境條件、儀器及人為觀測等誤差，從而產(chǎn)生一定影響，尤其是由于風(fēng)荷載及架梁吊機(jī)等引起鋼梁晃動或振動，懸臂端的最大振幅達(dá)到厘米級[9]，將給測試造成困難，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)仿真分析主要會在以下方面造成誤差。

1) 模型簡化及參數(shù)的不確定性。施工監(jiān)控仿真計(jì)算模型中通常會進(jìn)行一些簡化和假定，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，尤其是溫度對鋼結(jié)構(gòu)的影響相對更大，雖然可以選擇在夜間或環(huán)境影響較小的時(shí)間段進(jìn)行測試，但影響難以避免：①結(jié)構(gòu)的溫度場不相同，如鋼梁、混凝土橋塔及斜拉索的溫度存在差別，鋼梁上下弦溫度場也會不同；②體系溫度也在不斷變化。因此，在計(jì)算時(shí)無法準(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，或通過參數(shù)識別調(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)對稱架設(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)高程誤差見表3；當(dāng)對稱拼裝至最大懸臂狀態(tài)時(shí)(見圖1)，鋼梁最前端位移誤差見表4。

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

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)測誤差

4.2 誤差原因分析

1) 托架拼裝階段。由表3可見，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)拱度主要通過墩頂節(jié)間上弦尺寸調(diào)整形成一定轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)，如果定位不準(zhǔn)及制造誤差大將對后續(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，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)測結(jié)果較理論結(jié)果低。

根據(jù)前述誤差因素對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個節(jié)間拼裝誤差可能對最大懸臂前端的影響示意見圖2，計(jì)算如下。

E6(10個節(jié)間):

E27(11個節(jié)間):

圖2 墩頂誤差對懸臂前端影響示意(單位：mm)

②懸臂拼裝時(shí)由于沖釘間隙誤差可能對最大懸臂前端的影響見表5。

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

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)識別調(diào)整

通過結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的理論值與實(shí)測值的對比，分析結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，識別引起這種偏差的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)參數(shù)分析判定，通過修正設(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。

橋梁施工過程中存在的誤差可以分為3類：第一類是可以測量的誤差，比如構(gòu)件尺寸、材料容重、材料彈性模量等，通過實(shí)測得到實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)該實(shí)測參數(shù)對計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而解決該類誤差問題；第二類是無法準(zhǔn)確測量的誤差，比如模型簡化誤差、構(gòu)件實(shí)際剛度誤差、人為操作誤差等可通過平差計(jì)算來解決；第三類就是實(shí)際環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)的影響所造成的誤差，通過選取穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行測試予以解決。

5 結(jié)論

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

1) 應(yīng)對桿件制造質(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，并通過工廠預(yù)拼檢查制造質(zhì)量；其次對于桿件的制造長度誤差，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)場墩頂處鋼梁拼裝時(shí)的高程控制要準(zhǔn)確。因其對后續(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，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，會造成拼裝桿件繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致桿件前端偏低，而轉(zhuǎn)動角度與栓孔群安裝沖釘?shù)膶蔷€尺寸、沖釘直徑及桿件長度相關(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，并通過上弦節(jié)點(diǎn)板孔距進(jìn)行設(shè)置，為保證懸臂拼裝過程中線形與設(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形誤差。