【摘要】南京長江二橋南汊橋是一座主跨628m，雙塔、雙索面鋼主梁斜拉橋。針對特大跨度鋼主梁斜拉橋的施工特點，在本橋的施工中通過建立完善的施工控制體系，以主梁應(yīng)力監(jiān)控預(yù)警機制為保障，確定合理的施工容許誤差度，實現(xiàn)了控制線型平順、消除二次調(diào)索及減少施工周期的控制目標。本文主要介紹該橋施工控制方面的一些做法。
【關(guān)鍵詞】斜拉橋 施工 控制

一、工程概況
南京長江第二大橋主橋南汊橋是跨徑為 58.5m＋ 246.5m＋ 628m＋ 246.5m＋ 58.5m的雙塔、雙索面、鋼主梁斜拉橋，其主跨跨徑居斜拉橋世界第三、國內(nèi)第一。主梁采用焊接扁平鋼箱梁，梁高3.5m，寬37.2m（含風(fēng)嘴）。主梁標準梁段長度為15m，重量為272t。混凝土索塔采用分離式雙肢的倒Y型形式，承臺以上塔高195.4m。斜拉索采用φ7-139～φ7-265
的半平行鋼絲斜拉索，標準索距15m，全橋共80對160根斜拉索。
南汊橋鋼箱梁施工采用懸臂吊裝施工方法。主梁施工從1999年12月5日吊裝邊跨梁段到2000年7月9日中跨合龍共計8個月時間。其中懸臂吊裝作業(yè)從2000年2月20日開始，平均6天完成一組梁段施工。鋼箱梁標準梁段懸臂吊裝的施工順序為：鋼箱梁梁段起吊到位→調(diào)整梁段標高，完成鋼箱梁精匹配→進行鋼箱梁環(huán)縫焊接、U型加勁肋嵌補段連接→進行斜拉索掛索和第一次張拉→吊機前移到位→進行斜拉索第二次張拉→吊裝下一梁段。

二、施工控制的目的和任務(wù)
斜拉橋是一種超靜定次數(shù)很高的結(jié)構(gòu)體系，在斜拉橋的實際施工過程中由于各種結(jié)構(gòu)參數(shù)不可避免會與設(shè)計值存在差異，加之施工荷載等因素的不確定性，導(dǎo)致施工產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變位結(jié)果必然于設(shè)計預(yù)期存在偏差。這類偏差如不進行控制和調(diào)整則不僅會影響到成橋后橋梁的運營效果，并且會危及施工中的結(jié)構(gòu)安全。斜拉橋的施工控制目的就是確保斜拉橋施工中的快捷、安全并盡量使成橋后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線型與設(shè)計預(yù)期相符合。
國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對斜拉橋的施工控制進行了許多研究，提出了如：卡爾曼濾波法、最小二乘誤差控制法、無應(yīng)力狀態(tài)控制法等實用控制方法。這些方法的實質(zhì)都是基于對施工反饋數(shù)據(jù)的誤差分析，通過計算和施工手段對結(jié)構(gòu)的目標狀態(tài)和施工的實施狀態(tài)進行控制調(diào)整，達到對施工誤差進行控制的目的。施工控制的方法必需與各類斜拉橋設(shè)計施工的特點相結(jié)合，才能在確保結(jié)構(gòu)安全及施工便捷的前提下切實可靠地實現(xiàn)控制的目標。由于目前國內(nèi)大多數(shù)斜拉橋的施工控制都是針對混凝土斜拉橋進行的，其相應(yīng)的控制方法也是針對混凝土梁的施工特點提出來的，對于特大跨度的鋼主梁斜拉橋，施工控制積累的經(jīng)驗較少。
在南京二橋南汊橋的施工控制實施中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點和施工特點確定合理的施工誤差容許度，以應(yīng)力監(jiān)控預(yù)警體系為保障，以控制線型平順、消除索力的二次調(diào)整、確保施工安全快捷為目標，對主梁施工中主梁標高、主梁軸線、懸臂端傾角、索塔偏位、索力、塔梁應(yīng)力、拼接梁段焊縫寬度等內(nèi)容的施工誤差進行多元控制，取得了較滿意的結(jié)果。

三、施工控制體系
南京二橋南汊橋施工控制體系由施工控制實時計算體系、施工測量實際體系、現(xiàn)場參數(shù)采集體系、應(yīng)力監(jiān)控預(yù)警體系等幾部分組成。
實時計算由兩套獨立計算體系來共同完成，以確?？刂颇繕酥档目煽啃?。其中以由設(shè)計單位交通部公路規(guī)劃設(shè)計院采用該院QJX軟件進行的計算為主，提供各階段的設(shè)計計算數(shù)據(jù)和施工控制實際預(yù)測計算數(shù)據(jù)，同時由監(jiān)控單位之一的西南交通大學(xué)采用該校BSAS軟件進行校核計算。計算采用正裝計算法，全橋施工劃分為72個施工階段進行計算。
施工實時測量由幾何測量、物理測量和力學(xué)測量三部分組成。幾何測量即線型測量，其內(nèi)容包括：主梁標高、主梁拼裝傾角、主梁軸線、索塔偏位等內(nèi)容。線型測量由兩套獨立測量體系共同完成，以確保獲取準確的施工數(shù)據(jù)。其中，以由施工單位湖南路橋公司的測量數(shù)據(jù)為主，由二橋測量中心組成單位之一的河海大學(xué)進行測量復(fù)核。物理測量的主要內(nèi)容為溫度的測量，包括環(huán)境溫度、構(gòu)件表面溫度和鋼箱梁溫度場的測試。力學(xué)測量包括索力測量和應(yīng)力測量。索力采用頻譜法測定，并用斜拉索張拉階段壓力傳感器的數(shù)據(jù)進行標定。根據(jù)索塔的結(jié)構(gòu)及受力特點，在蒙塔下橫梁上、下的塔柱斷面設(shè)置應(yīng)力測點，采用混凝土內(nèi)預(yù)埋鋼弦計進行應(yīng)力測量。根據(jù)施工中主梁的受力情況，結(jié)合成橋動、靜試驗及結(jié)構(gòu)的長效觀測，全橋布置 11個主梁應(yīng)力測試斷面，共 144個應(yīng)力測點，對施工中主梁應(yīng)力進行監(jiān)控。鋼梁應(yīng)力測試元件采用表面鋼弦應(yīng)變計，所選元件能同時測量出測點處的鋼梁溫度。主梁應(yīng)力測點布置參見圖1。

由索塔和主梁的應(yīng)力測試部分組成主梁施工的應(yīng)力監(jiān)控體系。應(yīng)力的測試數(shù)據(jù)不僅是判斷施工誤差的重要因素，同時也是確定施工誤差調(diào)整方法及調(diào)整幅度的重要依據(jù)。對應(yīng)力測試數(shù)據(jù)的正確分析和判斷，并結(jié)合索力和線型數(shù)據(jù)可以確定結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力狀況的大致情況，為安全施工提供預(yù)警。
現(xiàn)場參數(shù)的采集包括對結(jié)構(gòu)恒載、施工荷載、臨時荷載及材料參數(shù)等的分析采集和分析，以便判斷是否進行計算參數(shù)的調(diào)整。

四、施工控制的方法
施工過程中通過實時測量體系獲取到準確的施工的數(shù)據(jù)，在施工現(xiàn)場將這些數(shù)據(jù)與施工控制計算體系發(fā)出的施工控制目標進行比較、分析，確定施工誤差狀態(tài)，對各類誤差進行綜合分析，通知施工單位采取相應(yīng)的措施進行調(diào)整。通過現(xiàn)場參數(shù)采集體系來確定施工中主要的實際參數(shù)，與設(shè)計參數(shù)進鑄比較分析，完成對施工計算體系中的計算參數(shù)的識別和修正。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)控預(yù)警體系所得出的主梁應(yīng)力狀況結(jié)果及各類誤差的狀態(tài)來確定誤差調(diào)整方法、誤差調(diào)整幅度及誤差調(diào)整時機。
南京二橋南汊橋的施工控制原則是以線型和索力雙控，并盡量做到主梁軸線、索塔偏位及連接段焊縫寬度等多元目標的控制結(jié)果在容許誤差度以下。
斜拉橋施工控制的實質(zhì)是對施工誤差進行分析判斷，并對誤差提出控制方法，對需要調(diào)整的誤差提出調(diào)整措施。要做到這一點，除了要確保目標數(shù)據(jù)的正確性和采樣數(shù)據(jù)的可靠性以外，還需要對施工誤差提出一套合理的容許誤差度，作為誤差控制和調(diào)整的依據(jù)。誤差容許度的確定需要以設(shè)計及施工的具體特點相結(jié)合，以保障施工偏差不至于影響施工中結(jié)構(gòu)安全度，也不至于因過多的誤差調(diào)整影響到施工進度。
南京二橋南汊橋主梁的設(shè)計特點是采用焊接扁平流線形鋼箱梁，在主梁施工階段主梁的設(shè)計應(yīng)力水平不高，以截面受壓狀態(tài)為主。相對于混凝土主梁斜拉橋的施工而言，施工中主梁拉、壓應(yīng)力富余程度相對較均衡。南漢橋主梁的施工特點是主梁架設(shè)施工主要在春、夏季進行，并要求在臺風(fēng)季節(jié)來臨前完成主梁吊裝，保證在秋季進行橋面鋪裝的工作。鋼主梁斜拉橋架設(shè)過程中主梁標高對溫度變化非常敏感，關(guān)鍵控制施工工序只能在夜晚進行，因此施工工期要求較緊。根據(jù)南汊橋的這些特點，在施工控制中確定以主梁拼裝階段標高誤差在+2cm～-1cm之間，懸臂端傾角誤差在+0.03°以內(nèi)，連接端焊縫寬度在 6mm～ 15mm之間；在斜拉索二次主梁階段主梁標高誤差在+2cm～-1cm之間，懸臂端傾角誤差在+0.03°以內(nèi)，斜拉索張拉力誤差基本在±5％以內(nèi)。
與混凝土斜拉橋懸臂澆筑施工中的立模標高相類似，鋼主梁斜拉橋主梁拼裝時存在一個鋼梁的拼裝標高的概念。鋼梁的拼裝標高必須依據(jù)成橋線型、主梁施工恒載變形、鋼梁的制造預(yù)拼線型來確定。在確定拼裝標高過程中還應(yīng)兼顧斜拉索的初始張拉力的確定和合理成橋內(nèi)力狀態(tài)的確定。在確定了正確的拼裝標高以后，在主梁的施工過程中通過現(xiàn)場參數(shù)采集體系確定準確的施工實際參數(shù)（如梁段重量、施工荷載等），代人施工控制追蹤預(yù)測計算便可以得到各控制施工階段主梁標高的實際預(yù)測值。
與混凝土斜拉橋的立模標高的實現(xiàn)相比，鋼箱梁的拼裝不能像混凝土梁段澆筑那樣實現(xiàn)主梁梁段連接處轉(zhuǎn)角和懸臂端標高的較大調(diào)整。全焊接接口鋼箱梁可以通過調(diào)整頂、底板焊縫寬度來實現(xiàn)梁端懸臂端標高及傾角的微小調(diào)整，而全栓接接口的鋼箱梁幾乎很難通過接頭調(diào)整來實現(xiàn)標高和傾角的變化。南京二橋南漢橋的箱梁接口連接形式為箱梁的頂。底板和腹板及底板的U型加勁肋，采用焊接連接，頂板的U型加勁肋采用栓接連接，在主梁拼裝階段對標高和傾角調(diào)整的可操作性較小。因此，鋼箱梁的施工控制中的標高調(diào)整主要通過斜拉索張拉力的調(diào)整來實現(xiàn)。同時，如果完全通過斜拉索索力來實現(xiàn)標高的控制，必然會帶來較大的主梁傾角誤差，也會引起內(nèi)力誤差的較多集聚。鋼箱梁主梁懸臂端傾角的較大誤差會導(dǎo)致下一拼接梁段更大的標高誤差。傾角誤差較難于調(diào)整回來，會導(dǎo)致最后的拼裝梁段的標高誤差較大地偏離原設(shè)計值。因此，鋼箱梁斜拉橋的線型控制實際較混凝土主梁斜拉橋的線型控制困難。
由于斜拉橋施工計算中很難準確將各施工階段中實際塔、梁、索的溫度場分布狀況和溫度變化狀況對施工狀況影響反映出來，而鋼箱梁施工中塔、梁位移及應(yīng)力受溫度變化的響應(yīng)非常敏感。因此在南汊橋的施工控制中，首先控制關(guān)鍵施工工序及施工測量數(shù)據(jù)采集的時間，來減少溫度變化對施工控制精度的影響。選擇春、夏季節(jié)代表性天氣狀況對主梁溫度場及溫度變化進行24h連續(xù)觀測，根據(jù)溫度變化趨勢確定在春季晚上9時后，夏季晚上11時后進行主梁梁段匹配工序和斜拉索二次張拉工序，并在日出前完成工序施工及施工數(shù)據(jù)的測量。施工工序中控制階段的實際時間根據(jù)當(dāng)日的溫度狀況作出具體調(diào)整。
在鋼箱梁的精匹配階段，對主梁進行標高、傾角及軸線的同步觀測。由施工控制計算給出控制預(yù)測值，現(xiàn)場確定施工誤差。通過調(diào)整底板焊縫間隙對標高、傾角及軸線進行微調(diào)，以懸臂端標高控制為主，同時盡量將傾角及焊縫間隙的誤差控制在誤差容許度以內(nèi)。在斜拉索的第二次張拉階段，對主梁標高、傾角、軸線及索塔偏位進行同步觀測。在斜拉索張拉誤差基本控制在± 5％以內(nèi)的前提下，通過斜拉索索力來調(diào)整主梁標高誤差，同時盡量使傾角及索塔偏位在容許誤差范圍內(nèi)。
對各控制施工階段，由施工控制計算給出模擬溫度變化計算得到的“溫度-主梁撓度影響曲線”，以方便現(xiàn)場監(jiān)控人員根據(jù)環(huán)境溫度對施工控制目標值進行適當(dāng)修正，以正確判定施工誤差狀況，現(xiàn)場確定誤差控制幅度。在各斜拉索第二次張拉階段，由施工控制計算給出“斜拉索張拉力-主梁撓度、傾角影響曲線”，并要求對斜拉索張拉進行分級張拉同步觀測，
由計算數(shù)據(jù)及分級張拉的實測撓度變化數(shù)據(jù)現(xiàn)場確定斜拉索的超張拉誤差量，來確保主梁標高及傾角的誤差盡可能小。
在各控制施工階段進行線型測量的同時進行應(yīng)力監(jiān)測，分析主梁應(yīng)力誤差狀況，對主梁吊裝和斜拉索張拉階段結(jié)構(gòu)的安全度進行判定，對超出應(yīng)力容許誤差的情況進行分析預(yù)警。

五、主跨合龍后的控制結(jié)果
南汊橋施工控制中通過完善的施工控制體系、合理的容許誤差度、恰當(dāng)?shù)目刂普{(diào)整手段，將斜拉橋施工控制中的施工環(huán)節(jié)、測量環(huán)節(jié)、基本誤差分析環(huán)節(jié)控制在施工現(xiàn)場的同一周期內(nèi)進行，可以將誤差的被動調(diào)整轉(zhuǎn)換為誤差的主動控制，減少誤差調(diào)整的環(huán)節(jié)從而壓縮施工周期。
在南汊橋中跨合龍前，合龍段兩邊的標高相對誤差為5mm，軸線相對誤差為0.3mm，確保了主梁合龍的順利進行。在主跨合龍并解除塔下臨時約束后，主梁線型平順（參見圖1）最大標高誤差10.2cm，主梁應(yīng)力水平在設(shè)計要求的范圍內(nèi)（參見圖1），斜拉索索力相對誤差在±10％以內(nèi)。控制結(jié)果滿足設(shè)計預(yù)期要求，能夠?qū)崿F(xiàn)不對斜拉索索力進行M次調(diào)整的控制目標。

參考文獻
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