大跨度悬索桥钢塔施工控制技术

《Structures》：Construction control techniques for steel towers in long-span suspension bridges

　　摘要
由于钢塔具有较高的强度重量比和施工效率，因此被越来越多地应用于大跨度桥梁中。不过，其施工过程中往往面临几何对齐控制困难、大型鞍形预偏置的实施问题以及塔基连接安全性的挑战。本研究以张靖高长江大桥的北通道桥为工程背景，该桥为双塔单跨悬索桥，采用门式钢塔结构，系统研究了大跨度悬索桥中钢塔的关键施工控制技术。具体而言，研究开发了一种结合工厂预组装与现场安装的高精度几何对齐控制系统。该方法考虑了自重、塔顶荷载及基础沉降因素，能够在制造和安装过程中进行动态校正。基于全站仪测量的现场数据证明了所提方法的有效性与准确性。此外，为了解决在塔顶空间受限情况下仍需较大鞍形预偏置的问题，研究提出了一种融合塔体牵引与直接鞍形预偏置的混合控制策略，并利用BNLAS方法进行了全桥非线性分析，以确定最优的偏置比例。研究结果表明，在梁体安装前拆除预偏置缆绳是安全且可行的。另外，针对塔基连接问题，研究建立了多尺度有限元模型来模拟施工过程。数值预测结果与通过超声波检测和压力传感器获得的现场监测数据高度吻合，证明了所建模型的可靠性。基于经验证的模型，进一步评估了二次张拉策略，结果表明施工死荷载带来的额外预应力损失对张拉程度的敏感性较低。这些研究成果为大跨度悬索桥中钢塔的施工控制提供了理论依据和实践指导。

引言
悬索桥因其出色的跨径能力与结构效率，被广泛用于大跨度桥梁工程中[1]。在悬索桥的主要承重构件中，桥塔起着至关重要的作用，它负责支撑主缆系统并将缆索力安全传递至基础。随着桥梁跨径的不断增大，桥塔系统在承载能力与施工效率方面面临着越来越高的要求。因此，凭借较高的强度重量比和快速的施工速度，全钢塔逐渐成为传统混凝土塔或混合塔的有力替代方案[2]。

与斜拉桥中使用的钢塔相比，悬索桥中的钢塔结构形式相对简单，其中门式框架是最常见的结构形式[3]。悬索桥中钢塔的应用最早始于美国，随后在日本得到发展[4]。表1总结了具有代表性的国际案例。例如，1931年通车的乔治·华盛顿大桥，以其双塔三跨钢桁架结构展现了悬索桥卓越的承载能力。20世纪后期，日本开始广泛采用柔性钢桥塔[5]。1998年竣工的明石海峡大桥，以其1991米的巨大跨径成为世界桥梁技术的象征之一。其钢塔采用十字形截面，通过多组对角构件和横向支撑连接，整体高度约为海平面上300米[6]。

在中国，钢塔最初应用于斜拉桥，如2005年竣工的南京第三长江大桥，后来也被应用于悬索桥，比如2012年建成的台州长江大桥[8]。表2列出了国内典型的钢塔悬索桥。尽管这些项目表明钢塔在大型桥梁工程中的应用可行性日益提高，但与国际水平相比，其在悬索桥中的应用仍然相对有限。

随着桥梁跨径的持续增加，钢塔的结构设计与施工控制变得越来越复杂。这种复杂性不仅源于桥塔更高的高度与更大的灵活性，还体现在对几何精度的更高要求以及施工过程中更为复杂的力重分布上。在安装过程中的几何对齐控制，以及在大鞍形预偏置条件下塔基连接的力学行为，已成为影响大跨度悬索桥施工精度与结构安全的关键因素[10]。

关于钢桥塔施工的研究主要集中在三个方面：几何对齐控制、鞍形预偏置处理以及塔基连接行为。

（1）塔体的垂直度精度会受到制造与安装过程中累积误差的影响。在斜拉桥中，闭环控制与自适应控制策略已被广泛应用。在制造阶段，激光跟踪器等先进技术可实现微米级的精度控制[11]。张[12]以台州长江大桥为对象，建立了针对复杂钢塔的全流程施工控制系统，通过预设的调整节点补偿值，实现对整个施工过程中几何误差的主动控制。吴[13]分析了马鞍山长江公路大桥钢塔安装精度的影响因素，并开发了一套涵盖工厂制造与现场安装的对齐控制系统。然而，现场测量常常受到温度梯度与大气折射的影响。戴[14]采用了BGK-4000温度应力传感器与数字温度计相结合的双重校准方式，并配合机器人全站仪，以捕捉几何变化并补偿风荷载引起的误差；最终验收测量则在凌晨1点之后、温度差低于1摄氏度时进行。黄等人[15]对南京第三长江大桥进行了深入研究，建立了平面与高程控制网，并定量分析了大气折射对三角高程测量的影响。尽管这些研究提供了宝贵的经验，但现有大部分研究都是针对斜拉桥开展的。针对大跨度悬索桥钢塔的系统性控制方法，尤其是那些涉及制造偏差与安装顺序耦合效应的控制方法，目前仍缺乏充分研究。

（2）在悬索桥中，为了防止施工期间因缆索力不平衡而导致塔体过度弯曲，主鞍座通常会向侧跨方向设置一定的预偏置[16]。该预偏置值的确定一般依赖于分段抛物线理论及专用软件[17]。张等人[18]提出了一种基于抛物线理论主缆IP点来确定鞍座定位精度的分析方法，证实了缆索自重会导致鞍座出现偏心现象。传统的直接鞍形预偏置方法在混凝土塔中已较为成熟，但对于钢塔，则发展出了塔体牵引的替代方法。齐[19]研究了预偏置计算的控制原理，根据塔基应力确定了顶升的距离与时机；数值模拟表明，过度的顶升会减少所需的顶升次数，而顶升后的状态则决定了主缆的抗滑验算。这种方法在某些情况下具有更大的灵活性，尤其是在直接定位鞍座较为困难时[20]。不过，目前关于塔体牵引的经验仍然有限，而在塔顶作业空间受限且需要较大预偏置的情况下，其适用性更具挑战性。

（3）塔基连接是施工阶段与运营阶段均至关重要的受力传递区域[21]。在钢塔中，锚杆式承重连接被广泛使用，现有研究主要探讨了其在斜拉桥中的力学行为与受力传递特性[22]。吴等人[23]利用ANSYS建立了武汉江汉六桥钢-混凝土连接段的3D有限元模型，分析了从施工到完工过程中钢塔、混凝土及预应力锚栓的应力分布与演化情况。黄桥等人[24]为南京的一座斜拉桥建立了ABAQUS模型，研究了钢墩底部钢-混凝土承重连接的结构特性与受力传递机制；进一步的参数研究探讨了锚栓预应力、承重板厚度以及混凝土强度等级的影响[25]。然而，对于采用钢塔的悬索桥——尤其是在存在较大预偏置且结构形态不断变化的施工条件下——针对塔基连接的系统性研究仍然十分有限[26]。

为弥补这些不足，本研究以张靖高长江大桥的北通道桥为工程背景，提出了三种相应的控制技术。

（1）建立了适用于大型钢塔整体组装过程的高精度几何控制系统。提出了在分段制造与组装过程中，多因素作用下几何误差的产生机制与控制方法，探讨了复杂施工环境中高精度测量技术的适用性及其精度保障机制。最后，给出了工厂预组装数据与现场安装数据之间的相关性分析及动态调整策略。

（2）研究了大型鞍形预偏置的施工控制技术及实施方法。以张靖高长江大桥的北通道桥为例，分析了传统直接鞍形预偏置方法在塔顶空间受限条件下的局限性，以及塔体牵引方法在大跨度悬索桥中的应用难题。提出了一种融合塔体牵引与直接鞍形预偏置的混合控制技术。建立了考虑几何与非线性效应的全桥模型，用于模拟包括预偏置、对称张拉以及分阶段释放大吨位临时缆绳在内的整个过程。重点分析了结构的变形响应与塔基应力分布，并探讨了缆绳拆除时机与步长对结构安全及缆索力变化的敏感性。

（3）研究了钢塔施工过程中基础锚栓的内力控制问题。建立了涵盖下塔柱、墩帽、桩帽以及锚栓系统的精细化有限元模型，用于模拟关键施工阶段。揭示了在自重、临时荷载以及塔体预偏置作用下的锚栓预紧力分布与演化规律。通过评估不同施工条件的影响，提出了基于现场监测数据的施工监控、施工控制及锚栓重新张拉方案，以确保塔基连接的可靠性。

张靖高长江大桥的北通道桥为双塔单跨悬索桥，采用钢箱结构。如图1所示，主跨长度为1208米，侧跨长度为530米。桥塔采用门式钢结构，总高度为208米，每个塔段均为单箱三室钢结构。塔体的分段结构如图2所示[27]。

如图3所示，塔基连接为锚杆式承重连接，共有54根高强度锚杆（40CrNiMoA钢，直径130毫米）嵌入混凝土桩帽中。此外，两座桥塔的计算鞍形预偏置值均为3.65米。然而，塔顶的可用纵向空间仅为2.4米，这给安全、高效地实现所需预偏置带来了极大的施工挑战[28]。鉴于该桥具有巨大的跨径、高耸的钢塔、较大的鞍形预偏置值以及复杂的塔基连接结构，它为研究大跨度悬索桥中钢塔的施工控制提供了典型的工程案例。

本文的其余部分安排如下：第2节系统介绍了钢塔的几何对齐控制技术，包括几何控制中的关键挑战、工厂预组装精度管理、现场安装测量方案以及数据验证结果。第3节阐述了针对大型鞍形预偏置的混合控制技术，比较了直接偏置法与纯塔体牵引法，并提出了最优的组合方案。第4节聚焦于塔基连接中锚栓的内力控制，建立了多尺度有限元模型，并基于现场监测数据提出了优化的重新张拉策略。最后，第5节总结了本研究的主要结论，并对未来的研究方向进行了展望。在钢塔施工过程中，塔基与基础连接的锚栓内力控制是一个重要问题。在中国现有的钢塔悬索桥中，塔基与基础的连接通常采用承重型钢混结合段来实现。然而，关于施工过程中锚栓力的精细控制及其随时间变化行为的系统研究仍然较为有限。如第3节所述，当钢塔处于较大的预偏移状态时，塔基所承受的荷载状态表现为较小的轴向压应力，但……

结论与未来工作
以张泾高长江大桥的北通道桥为例，本研究系统地探讨了大跨度悬索桥中门式钢塔的关键施工控制技术。主要结论可归纳如下：
（1）建立并验证了一种集成工厂预组装和现场安装的闭环几何对位控制系统。通过引入长度调节段、压缩补偿以及基于动态校正的方法……

作者贡献声明
赵峰：撰写——初稿，软件使用，资源获取，数据整理。
李洪涛：监督，项目管理，调研，资金筹集。
韩大章：撰写——初稿，可视化处理，验证，资金筹集，正式分析。
唐茂林：撰写——初稿，资源获取，项目管理，调研，资金筹集，正式分析，数据整理，概念设计。
徐国基：撰写——审稿与编辑，项目管理，方法论设计。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52378200）和四川省科技计划（项目编号2024NSFSC0017）的资助。本文所述观点均为作者个人观点，不一定代表资助方的立场。

唐茂林|李洪涛|韩大章|赵峰|周彦锋|叶佳豪|徐国基
中国成都610031，西南交通大学土木工程学院