南澳大桥施工监控技术开发研究

■王新刚，董佳鹏，樊士广

■1.中交天津港湾工程研究院有限公司结构所，天津市 300222;2.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066002

1 引言

矮塔斜拉桥是高次超静定结构，其施工方法与成桥后的主梁线形和结构内力有密切关系，特别是在施工中如果要进行索力调整，这势必引起主梁内力和标高的变化，再加上混凝土徐变、收缩的影响，使得混凝土矮斜拉桥在施工过程中受力十分复杂。因此，必须对矮塔斜拉桥拉索张拉吨位对主梁挠度、塔柱位移等施工控制参数的理论计算值，以及施工程序做出明确规定，并在施工中加以有效的管理和控制，以确保矮塔斜拉桥在施工过程中桥梁结构始终处于安全范围内，并在成桥后使主梁的线形符合设计要求，受力处于最优状态。由此可见，矮塔斜拉桥的施工监控是十分重要的。

本文结合广东省南澳大桥，在研究现代控制理论的基础上，应用midas/Civil 桥梁结构专业有限元软件对矮塔斜拉桥施工过程进行仿真模拟，结合现场实测数据，研究开发能够推广应用的矮塔斜拉桥施工监控技术。

2 矮塔斜拉桥施工监控内容及方法

2.1 矮塔斜拉桥施工监控的监测内容

(1)几何变形监测。矮塔斜拉桥的几何变形测量包括主梁标高测量、轴线测量和主塔变位测量，并对测量结果进行分析、处理，提出相应的控制意见。

(2)混凝土应力监测。主要目的是了解梁、塔控制截面的应力状况，确保结构施工安全。结构应力的变化不像变形控制那样易于发现，若应力控制不力将会给结构造成危害，严重者将发生结构破坏，所以，它比变形监测显得更加重要。

(3)斜拉索索力监测。斜拉索索力值将直接影响主梁的线形及结构的施工质量和施工安全，因此在施工过程中必须准确掌握索力的实际状态。

(4)温度监测。温度监测主要针对日照引起的桥梁混凝土结构由表及里的表层温度梯度，使混凝土产生非均匀变形，对桥梁结构内力和变形的影响是极为复杂的，尤其在施工阶段，对主梁变形和主塔水平位移的影响尤为显著。

2.2 矮塔斜拉桥施工阶段控制的主要方法

在矮塔斜拉桥施工过程中，主要采用自适应控制系统［1］

2.3 矮塔斜拉桥施工过程模拟分析方法

矮塔斜拉桥施工过程模拟，必须模拟现场施工过程，详尽地分析各施工阶段的受力特性和变形。施工监控中桥梁结构的模拟分析计算方法主要有倒拆计算法、正装计算法和倒拆一正装计算法。

3 南澳大桥施工过程仿真分析计算

3.1 工程概况

南澳大桥为连接汕头市南澳县与汕头市区的一座跨海大桥，主桥为(126 +238 +126)m 矮塔斜拉桥。主梁为单箱单室断面，根部梁高8m，跨中及边跨现浇段梁高4m，以路线中心线为基准呈2.0%双面坡构造，梁高按2 次抛物线变化。主桥预应力混凝土箱梁采用C60 混凝土，主塔墩采用C50 混凝土。主梁顶面宽14.4m，两侧悬臂宽度为1.1m。

3.2 南澳大桥分析计算模型的建立

应用桥梁专业有限元软件Midas/Civil，按照设计图纸和实际施工阶段的划分，建立有限元分析模型。

3.3 南澳大桥的仿真分析计算

施工监控实施前必须进行详细的施工监控仿真分析计算，对该桥在给定的成桥索力值作用下进行计算复核，复核主梁截面应力在成桥状态时使用荷载作用下是否满足要求。经过计算，成桥状态时主梁截面上下缘混凝土最大的压应力和最大拉应力均满足C60 混凝土的容许值。

3.4 斜拉索初拉索力的确定

斜拉桥是多次超静定结构体系，所以计算拉索初拉力需要多次的反复计算。

MIDAS/Civil 的未知荷载系数功能使用了索力优化法则，可以计算出特定约束条件的最佳荷载系数，在计算斜拉桥拉索初拉力非常有效［2］。

3.5 主梁立模标高的确定

立模标高应满足成桥时的主梁标高与设计成桥标高一致的要求。本桥立模标高的计算方法。立模标高按下式确定:。其中，H 为主梁的立模标高;H0 为成桥后3 年主梁的设计标高;H1 为施工过程因施工荷载及混凝土在施工阶段的收缩徐变等的累积挠度;从为成桥后3 年混凝土收缩徐变的挠度值(不包括施工阶段的)和1/2 活载挠度值之和。

4 南澳大桥的施工监控

4.1 施工监控的目标

施工监控总的来说有两方面的目标:一是实现设计文件所规定的成桥状态;另一目标是保证结构在施工过程中的安全。

4.2 斜拉索索力的调整

在斜拉桥的施工过程中，斜拉索的索力在不断地发生变化，为使实测索力值达到设计索力值，可以充分利用斜拉索的“主动受力”的特征，通过多次张拉斜拉索使最终调索后的成桥索力与合理成桥状态的索力相近。

4.3 主梁标高的控制

矮塔斜拉桥的主梁刚度较大，不能利用索力调整进行主梁线形调整，在箱梁混凝土浇筑过程中，必须对立模标高控制，即对主梁施工线形进行严格控制。在矮塔斜拉桥施工中，进行线形控制的目的不仅是为保证桥梁线形符合设计要求，而且关系到梁上索导管与拉索相对位置是否准确，拉索能否在索导管内自由活动，拉索在承受活载时是否受剪等问题。如果拉索抵死索导管，使得拉索承受额外的剪力，则桥梁的耐久性将大大降低。主梁标高测点布置在每节段梁距前端30cm 处，在横断面布置6 个测点，即主梁中心处和上、下游处。

4.4 温度和应力的监测

结构的应力监测是反映结构是否处于安全状态的最直观的指标。因此在索塔及主梁的重点部位设置应力监测断面。主塔共设置3 个测试截面，分别在上桥塔相连处、塔与主梁相连处及桥塔根部。主梁共布置8 个应力监测截面。

5 施工监控成果综述

南澳大桥主梁于2010 年4 月开始施工，于2014 年9 月进行主跨合拢。南澳大桥在施工控制的实施过程中，业主单位、设计单位、监理单位、监控单位、施工单位紧密配合，使得施工控制工作能够顺利进行。从本桥目前施工控制的整个过程来看，无论是主梁线形，还是索力和主梁应力，都得到了很好的控制，达到了规定的要求。下面给出主梁施工完毕后的标高、应力、索力的计算值与实测结果。

6 结论

本文结合南澳大桥工程，对矮塔斜拉桥的施工监控进行了开发研究。从整个施工监控过程来看，无论是索力、主梁应力和主梁线形都得到了很好的控制，达到了施工监控的目的和要求，证明了本桥施工监控的原则和方法的合理性，为今后类似的混凝土矮塔斜拉桥施工监控提供了有益的参考和借鉴。

［1］袁震东.自适应控制理论及其应用.华东师范大学出版社，1988.

［2］葛俊颖.桥梁工程软件midas Civil 使用指南.北京:人民交通出版社，2013.