混合梁斜拉桥边跨线形监控研究

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摘要：针对混合梁斜拉桥边跨混凝土梁目标线形的实现，以重庆某大桥为例，提出基于无应力状态控制法理论的主梁预拱度取值、预伸长尺寸确定、支座预偏量取值。该桥为多跨连续半飘浮体系混合梁斜拉桥，采用MIDAS建立全桥有限元模型，求得边跨混凝土梁设计预拱度；求得边跨预伸长和支座预偏量。事实证明，采用该方法对混合梁斜拉桥边跨线形的控制取得了良好的施工精度。

关键词：混合梁斜拉桥，无应力状态法，有限元法，支座预偏量

中图分类号：U445文献标识码： A

1.工程背景

重庆某长江大桥（以下均简称为大桥）全长1008m，为64+2×68+608+2×68+64m的7跨连续半漂浮体系的双塔双索面混合梁斜拉桥，边跨设置2个辅助墩和1个过渡墩（台），桥梁荷载等级为公路I级，主梁采用混合梁，边跨为混凝土梁，采用PK断面，整幅箱梁由两个倒梯形的边箱及连接两个边箱的横隔板构成，材料为C55 混凝土。箱梁总宽37.6m（含风嘴装饰板），中心梁高3.501m，标准断面顶、底板厚35cm，腹板厚50cm；中跨为钢箱梁，采用与混凝土断面相适应的边箱封闭式流线型扁平钢箱梁，材料为Q345-D。宽37.6m(含风嘴)，高3.5m，标准节段长15.5m。每隔3.1m 设一道横隔板。中跨主梁采用等高度的封闭式流线型扁平钢箱梁，桥面设置双向2%的横坡，采用正交异性钢桥面板。大桥桥型布置见图1。

图1 大桥总体布置图

2.国内外发展概况

混合梁斜拉桥是指主梁沿梁的长度方向由钢和混凝土两种材料构成，主跨采用钢梁，边跨（部分连结或全部连结或伸入主跨一部分）采用混凝土梁。混合梁合理使用两种材料，充分发挥钢梁自重较轻、跨越能力强以及混凝土梁自重大、造价低的特点，改善结构的受力性能，在中长跨径桥梁中有着极强的竞争力。近年来，伴随着我国交通基础设施大规模的建设，混合梁斜拉桥建设得到快速发展。2012年建成的主跨达926m的鄂东长江大桥，2009年建成主跨达1018的香港Stone-cutters桥，均采用混合梁斜拉桥方案。目前世界前10座最大跨度斜拉桥中混合梁斜拉桥占了7座。可以预见，混合梁在超大跨径斜拉桥建设中，将得到更为广泛的应用。

3.线形控制方法

大桥采用无应力状态法进行施工控制。无应力状态法的基本理论原理：

1，结构构件单元的内力和节点位移随着结构的加载，体系转换和斜拉索的张拉而变化，而单元的无应力长度和无应力曲率不会发生改变。斜拉索单元的无应力长度只有在调整自身索力时才会发生变化，而且索力和索长存在一一对应的关系；

2，一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力长度和曲率组成的结构，必然唯一地对应一个结构的内力和位移。

4.边跨混凝土梁线形控制思路

大桥边跨混凝土梁采用满堂支架法，由索塔中心向边跨逐跨浇筑施工。对于满堂支架施工的斜拉桥混凝土梁而言，在拉索过程中，受到主梁纵向压缩变形的影响，混凝土梁将发生纵向位移。故在边跨混凝土梁线形控制时除了施加竖向预拱度（不考虑主梁横向预拱度）外，还应施加主梁预伸长和支座预偏量。按照无应力状态法，边跨的无应力线形就是在设计线形的基础上施加竖向预拱度以及主梁的预伸长量。在实际施工过程中，边跨混凝土梁的竖向预拱度考虑进主梁的立模标高中的，而主梁的纵向预伸长和支座预偏量是通过边跨主梁浇筑过程逐跨分配。在计算分析过程中，采用MIDAS Civil建立了该桥全桥整体模型，用以复核和指导现场施工监控工作。

图2 大桥全桥整体模型示意图

4.1边跨竖向预拱度的设置

边跨成桥状态的设计线形是其无应力线形的基础上施加上成桥结构状态位移，即

-成桥设计线形

-无应力线形迭代初值

-成桥状态结构位移

-结构刚度矩阵

-结构内力状态的荷载向量

其中即为边跨立模时所设竖向预拱度，但由于斜拉桥的非线性结构的特点，一次迭代计算所得的成桥结构位移无法作为施工过程中的竖向预拱度，必须经过多次迭代，最终得出立模所需的竖向预拱度。结合实际工程中所遇到的各种外荷载工况，现得出边跨混凝土梁立模标高计算公式如下：

-i位置立模标高

-i位置设计标高

-i位置预拱度

-梁段自重在i位置产生的挠度总和

-张拉预应力在i位置产生的挠度总和

-张拉斜拉索在i位置产生的挠度总和

-施工过程中收缩徐变在i位置产生的挠度

-二期恒载在i位置产生的挠度

-支架变形值

-成桥十年收缩徐变在i位置产生的挠度

其中支架变形值的应通过现场支架预压取得，在预压过程中，通过分级加载以及卸载，消除支架和地基的非弹性变形。永江大桥边跨预拱度采用Midas civil模型计算成桥结构位移（不含支架变形值）加上实测支架变形值。

边跨混凝土主梁的线形监测点布置如下：在每一跨的横隔板（拉索锚固位置处横隔板、辅助墩和索塔位置处横隔板）中心线位置处设置线形观测断面，观测断面在桥轴线和两侧各布置1个测点，共布置3个测点，测点采用Φ16 钢筋在垂直方向与顶板的上下层钢筋点焊牢固，测点（钢筋）露出箱梁混凝土顶面2cm，测头磨平并用红油漆标记。

图3 边跨混凝土主梁线形观测点布置位置示意图（单位：cm）

二期调索后，对全桥线形进行测量，并将理论线形和实测线形进行比对，结果如下

图4 上游实测高程与理论高程对比

图5 上游实测高程与理论高程对比

图6 上游实测高程与理论高程对比

如上图所示，上游侧理论高程与实际高层最大误差43mm，中间理论高程与实际高程最大误差52mm，下游理论高程与实际高程最大误差49mm，在实际施工过程中，由于存在测点钢筋头露出长度误差，测量误差及环境变化等影响因素，使得桥面上游、中间、下游的高程误差增大，可采用三者的平均误差来进行监控成果误差分析，可得出北岸边跨混凝土梁理论高程与实际高层最大平均误差为32mm，满足大桥施工监控细则及相关规范要求。

4.2边跨预伸长和支座预偏量的设置

在纵向位移上，由于斜拉桥主梁在斜拉索水平分力以及后期的收缩徐变影响，会发生压缩变形。按照无应力状态法的理念，为保证梁单元的无应力长度不变，需设置主梁的预伸长和边跨各支座预偏量。通过力学模型计算，得出各工况下支座偏移量，见图7。

图7 永川侧边跨支座偏移量

考虑成桥十年收缩徐变影响后，永川侧29#墩支座最大位移63mm，30#墩支座最大位移57mm，31#墩支座最大位移28mm。将以上支座最大位移反响施加，即为边跨各墩支座预偏量。相应的主梁预伸长则可在逐跨浇筑过程通过调节一至两个横隔板的间距来逐跨施加实现。

5.总结

目前，大桥已顺利合龙，该桥基于无应力状态控制法进行边跨线形的控制，取得了良好的施工精度，可为同类型桥梁的建设提供借鉴与参考。

6.参考文献

[1] 现代大型斜拉桥塔梁施工测控技术 岳东杰、郑德华

[2] 混合梁斜拉桥 徐国平、张喜刚等

[3] 千米级斜拉桥设计指南 张喜刚、陈艾荣

[4] 无应力状态法 秦顺全