试议大跨度钢箱梁斜拉桥施工控制

试议大跨度钢箱梁斜拉桥施工控制

摘要：与悬索桥相比，钢箱梁斜拉桥具备刚度大、施工方法简便、抗风能力

强以及更加适用于恶劣地质条件的优点而越来越受到设计师们的青睐。但随着斜

拉桥跨度的逐渐增大，原有的施工控制方法已经难以满足施工安全要求，大跨度

斜拉桥的施工控制开始受到广泛关注。

关键词：大跨度；钢箱梁；斜拉桥；施工控制 一、斜拉桥施工控制系统概述

根据项目管理的相关理论，完整的施工控制应包括：监测系统、施工实时分

析系统、误差分析以及控制、修正系统。

1、监测系统

监测系统主要是指在混凝土浇筑过程中对混凝土的容重、尺寸、弹模以及强

度等进行监测、检测，同时对施工过程中的主梁高度、索塔的位移、应力等进行

监测。斜拉桥施工过程中监测是施工控制的重要内容，通过全过程的监测，获得

各施工阶段第一手内力、变形资料，从而为后续的误差分析、纠偏提供依据，也

是改进设计、确保安全的重要手段。施工过程中的监测、检测主要包括：变形监

测、索力及主要结构的应力监测、主要结构物的强度检测以及温度测量等。

2、施工期实时分析系统

施工期的实时分析对于施工方法及架设程序的确定具有重要意义。应根据初

步拟定的施工方案给出较为精确的施工荷载，在此基础上，根据现场测定的混凝

土容重、弹模等进一步确定合理的计算方法；由于斜拉桥架设过程中结构体系不

断变化，因此，应不断调整模拟方式并选择合适的计算模式，从而准确、全面的

反映实际的结构体系。在模拟过程中，应充分考虑到混凝土的非线性、温度影响

以及荷载的变化，包括风荷载等。计算方法主要有正装法及倒拆法两种。

3、误差分析系统

误差在斜拉桥施工中不可避免，应对各种误差进行辨识、分析，对于可能对

施工产生较大影响的误差如会造成桥梁的几何线性发生严重偏离等，应及时采取

措施进行修正或控制。

4、控制、修正系统

控制并修正系统是施工控制系统的核心内容。应该在每一阶段的施工完成

后，及时对施工过程中出现的问题进行分析、修正，为下一步施工提供参考并避

免误差再次发生。对于会影响下一阶段施工的误差及时进行修正，使得施工控制

目标回到原来的设计轨道上。良好地控制系统也能够指导下一步的施工，保证了

施工的顺利进行。

二、斜拉桥施工控制的主要内容

施工控制的主要内容由两个部分组成，一个是根据选定的施工方案，选择合

适的模拟方法进行仿真分析，从而得到相关的控制参数，形成定量化的施工控制

文件；另一方面是通过实际测量值与预测值的对比分析，对误差采取一定措施进

行调整。施工控制的具体内容可分为以下几个部分：

1、线形控制。大跨度桥梁施工过程中容易受到各种因素的影响从而使得结

构产生一定的挠曲变形，这极易造成施工过程偏离预期要求，严重的将会影响到

桥梁的顺利合拢，因此应对其几何尺寸进行严格控制，保证每步工序的误差在允

许范围内。

2、应力控制。一般应通过应力监测来达到了解结构实际应力状态的目的，

一旦发现监测截面应力状态超出允许范围，应详细分析其产生原因，并控制其在

允许范围内，结构应力状态对结构安全至关重要，应严格控制。

3、稳定性控制。稳定性控制是指施工各阶段的局部和整体稳定性，一般通

过稳定性安全系数进行判断。

4、安全控制。施工的安全性是施工控制的重要前提，桥梁施工的安全控制

与变形控制、应力控制及稳定控制是相辅相成的。由于桥梁结构形式不同，影响

施工安全的主要因素在各阶段也不尽相同，在施工控制中应根据实际情况，确定

其安全控制的重点。

三、施工控制原则

大跨度钢箱梁斜拉桥按照以下原则进行施工控制:

1、满足结构受力要求。桥塔、主梁、索在各施工阶段应处于弹性状态，成

桥后的内力应与设计值相符。

2、满足施工过程及成桥线形要求。施工过程中桥塔、主梁的线形和位移应

处于合理范围内，成桥后主梁线形满足设计要求。 3、在钢箱梁拼装阶段严格控制梁段的安装夹角，在考虑误差修正的基础上，

对其进行微调。

4、在斜拉索张拉阶段严格控制梁段线形。由于钢箱梁刚度较小，斜拉索索

力的微小变化将引起悬臂端挠度的较大变化，因此在施工控制中应以主梁线形控

制为主，索力张拉不应超过容许范围。

5、在中跨合龙后实行线形与索力的双控。由于施工过程中累积的误差，需

结合全桥实测线形及索力情况，对索力做适当调整。此时结构的刚度增大，索力

调整时以索力控制为主，达到平滑各类误差的效果。

四、施工控制计算分析

大跨度斜拉桥一般采用分阶段循环施工方法，结构的形成须经历一系列的体

系转换过程。确定斜拉桥成桥状态及施工阶段状态的内力和线形是施工控制中最

基本的内容。因此，必须通过合理的计算方法和理论分析来确定桥梁结构在每个

施工阶段的内力及线形，结合参数敏感性分析及误差识别等手段控制施工过程中

结构状态，使最终成桥线形和受力状态满足设计要求。

1、有限元计算模型

无应力状态法是以成桥状态下索、梁、塔的无应力尺寸为目标，根据钢箱梁

的无应力曲率来确定拼装阶段钢箱梁的状态，由斜拉索的无应力长度控制索力张

拉值。该方法利用两状态之间斜拉索无应力长度的差值作为调整依据，可避开施

工临时荷载及温度的影响，并能满足施工过程中多工序同步作业。

无应力状态法的SCDS桥梁分析软件，该软件具有索长张拉功能，可以十分

方便地获取斜拉索张拉到位时的结构状态量。利用一次成桥模型确定斜拉索的最

终无应力长度，根据成桥的斜拉索无应力长度可以快速得到施工阶段斜拉索张拉

量。建立全桥有限元模型模拟主梁及斜拉索施工过程，按照实际情况模拟塔墩旁

的临时支架及塔梁临时固结等，计算各阶段的主梁位移、斜拉索索力、桥塔位移、

构件应力等，计算结果需与设计结果进行比对，以确保控制的目标与设计要求一

致。

2、非线性因素

大跨度钢箱梁斜拉桥计算需考虑的非线性影响因素主要包括斜拉索垂度效 应、结构大变形效应及弯矩－轴力组合效应。大跨度钢箱斜拉桥非线性增量及非

线性效应随着施工过程不断增大。SCDS软件通过Ernst公式修正索的弹性模量，

处理索的垂度效应影响，采用拖动坐标法处理结构大变形效应，通过几何刚度法

计算弯矩－轴力组合效应。

3、目标状态的确定

目标状态的确定主要包括成桥阶段及施工阶段合理状态的确定，合理成桥状

态的确定可以不考虑施工阶段的影响。建立一次成桥模型，确定成桥状态的斜拉

索无应力索长。混凝土梁斜拉桥或小跨径斜拉桥的竖向刚度一般由梁和索共同提

供，因此在梁的容许应力范围内，可以由梁的弯曲来克服一部分结构自重，减小

斜拉索索力，使用索量减少。而大跨径钢箱梁斜拉桥的竖向刚度主要由斜拉索提

供，主梁刚度非常小，可采用零位移法来确定成桥状态，即将自重及斜拉索拉力

作用下主梁及桥塔的节点位移为零作为成桥目标。将梁、索交点处设以刚性支撑，

计算出各支点反力，利用索力的竖向分力和刚性支点反力相等的条件，可以确定

斜拉索索力。

4、参数敏感性分析

大跨度斜拉桥施工过程中，材料参数、结构参数均会与设计取值有所差异，

需对其进行敏感性分析及识别，以便修正理论计算模型，使理论计算与实际结构

状态相吻合。这些结构参数主要有:桥塔刚度、主梁刚度、斜拉索弹性模量、梁

段重量、温度影响等。

5、平差计算

在施工中间状态，当结构偏离理论值超过容许误差后，需通过索力平差手段

将误差减小，达到结构线形连续、索力分布均匀的目标，从而实现对结构的

整体

优化。在施工控制过程中，平差计算采用影响矩阵法。以主梁标高为主，桥塔塔

偏、斜拉索索力、结构内力为辅，作为受调向量，在计算过程中接受调整，以期

达到某种期望状态。斜拉索拔出量作为施调向量。由于平差调整时，斜拉索改变

量较小，采用线性叠加原理，将单位施调向量逐一加到结构上，分别求出相应的

影响向量，即能形成结构的影响矩阵。可利用计算模型获得斜拉索拔出量与主梁

标高、桥塔塔偏、斜拉索索力、结构内力等参数的影响矩阵。

五、施工控制关键技术

1、施工阶段主梁标高的确定

桥梁设计竖曲线一般为圆曲线，钢箱梁制造时一般以多段折线代替曲线形成

无应力曲率，在无应力状态下，梁段间夹角应为定值。

主梁位移包括刚体位移和梁体变形2部分，因此不能利用设计高程来确定施

工阶段钢箱梁的拼装高程。根据无应力状态法的思想，标准梁段拼装主要控制梁

段间的无应力转角。在施工控制中，通过控制待拼装梁段前、后端测点的高差间

接控制无应力转角。采用此方法拼装梁段，在理论上剔除了温度及临时荷载对拼

装线形的影响，同时由于前、后端测点间距较小，利用水准仪等仪器，可获得较

高的测试精度，能大大提高控制精度。

2、索力张拉控制

索力张拉控制包括标准循环阶段的斜拉索到位张拉及全桥调索阶段。在施工

阶段，索力张拉以控制标高、线形为主，兼顾索力与应力，根据参数敏感性分析

结果，到位张拉时需对桥面临时荷载进行严格控制，临时荷载需与计算模型保持

一致。施工控制过程中，斜拉索索力均能控制在5%以内。

在边、中跨合龙前，当线形及索力误差较大时，需进行全桥调索，根据实测

结果进行平差计算得到斜拉索的拔出量，在现场即可控制拔出量完成平差调索。

利用拔出量控制张拉索力，施工现场张拉斜拉索可与其他工序同步作业，不影响

进度。

3、现场参数识别

在桥梁施工过程中，大多数的参数与设计值有差异，设计参数误差是引起施

工误差的主要因素之一。因此，施工控制中需对这些参数进行识别，对模型进行

修正，使实际结构状态与理论状态相吻合。在施工过程中，重点对梁段重量、斜

拉索弹性模量进行了分析识别，同时对桥塔刚度、主梁刚度、结构温度等参数进

行识别、修正，对桥面临时荷载进行严格控制，使理论计算与实桥测试结果较吻

合。通过制作桥塔混凝土试块测得弹性模量。通过对钢箱梁称重及斜拉索厂内测

试，取得梁段重量及斜拉索弹性模量实测值。

利用传感器实测结构温度对模型施加温度荷载，获得斜拉索张拉的准确理论 值。张拉时间安排在凌晨温度较稳定的时段，以减小不均匀温度场对结构的影响。

桥面施工临时荷载主要为桥面吊机，在桥面吊机移动时，施工临时荷载变化参数

仅为吊机位置，通过实测主梁的高程变化量及索力变化，获得桥面吊机的重量。

结束语

为了安全可靠地建好每座大跨度钢箱梁斜拉桥，施工控制是非常重要的，应

对大跨度钢箱梁斜拉桥施工中的各个环节、各道工序进行科学合理的组织施工、

严格监控，从而保证大跨度钢箱梁斜拉桥的施工安全和施工质量。

参考文献

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