高屏溪斜張橋拱度控制.doc

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1、高屏溪斜張橋拱度控制陳建州博士中華顧問工程司屏東監(jiān)造工程處九如工務(wù)所主任摘要高屏溪斜張結(jié)構(gòu)配置相當(dāng)特殊，施工方法與施工機(jī)具又具有高程度之變異性，因此施工期間之拱度變化相當(dāng)難控制，為確保橋梁完成時之橋體線形、結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力及斜張鋼纜索力均能符合設(shè)計(jì)原意，施工初期即規(guī)畫一套拱度控制機(jī)制，以期掌握施工誤差發(fā)展之趨勢，判讀誤差發(fā)生之來源，并對誤差之修正提出對策，本文之目的即在說明高屏溪斜張橋拱度控制之手法、對策與成果。一、前言南二高高屏溪斜張主橋座落于里嶺臺地旁，向東橫跨高屏溪主河道，為一單橋塔非對稱混合式斜張橋，全長510公尺，主跨33

2、0公尺為全焊接箱型鋼梁，邊跨180公尺為預(yù)力混凝土箱型梁，橋面寬34.4公尺，梁深3.2公尺，主跨與邊跨于橋塔橫梁處共構(gòu)，利用剪力釘及預(yù)力鋼腱傳遞內(nèi)應(yīng)力。鋼筋混凝土橋塔高183.5公尺，采穩(wěn)定度高之倒Ｙ型配置，兩塔腳為多邊形空心結(jié)構(gòu)，高約110公尺，其基腳處以地梁相連接以克服側(cè)向水平力，塔柱為實(shí)心結(jié)構(gòu)物，外覆斜張鋼纜錨碇鈑，塔頂設(shè)有一景觀照明燈室。斜拉索系統(tǒng)沿橋梁中心成單面混合扇形配置，于橋塔兩側(cè)各配置14組，除主拉索含四根鋼纜外，其余斜拉索均由兩根鋼纜組合而成，鋼纜兩側(cè)分別錨碇于塔柱及主梁中央處。主梁與橋臺采鉸接設(shè)計(jì)，與橋墩

3、之間則為縱向活動設(shè)計(jì)，與橋塔于通車階段采鉸接設(shè)計(jì)，于施工期間則為縱向活動設(shè)計(jì)，詳圖一。圖一斜張主橋于民國八十五年中開始建造，基于橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之特殊性，施工前即進(jìn)行施工方法與施工機(jī)具之研擬，為提高施工質(zhì)量、縮短施工時程及減少環(huán)境沖擊，各主要橋梁構(gòu)件依其特性選擇適用之施工方法與機(jī)具。倒Ｙ型橋塔主要是利用兩套爬升模板配合塔式吊車進(jìn)行節(jié)塊施工；邊跨預(yù)力混凝土箱型梁則規(guī)畫以支撐先進(jìn)工作車配合臨時支撐架施筑中央箱室，另以懸臂吊架二次澆注翼版；主跨箱型鋼梁則利用完成鋼梁部分運(yùn)搬新節(jié)塊，續(xù)以懸臂工法進(jìn)行吊裝，并于空中進(jìn)行鋼梁全斷面焊接；斜張鋼

4、纜主要配合鋼梁節(jié)塊吊裝作業(yè)時程進(jìn)行安裝與施拉，全橋施工流程如圖二所示。圖二由于本橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非常特殊，施工方法與施工機(jī)具又具有相當(dāng)程度之變異性，因此施工期間之拱度變化相當(dāng)難控制，為確保橋梁完成時之橋體線形、結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力及斜張鋼纜索力均能滿足設(shè)計(jì)原意，施工初期即規(guī)畫一套拱度控制機(jī)制，以期掌握施工誤差發(fā)展之趨勢，判讀誤差發(fā)生之來源，并對誤差之修正提出對策，本文之目的即在說明高屏溪斜張橋拱度控制之手法、對策與成果。二、結(jié)構(gòu)分析斜張橋?yàn)橐桓叨瘸o定結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有跨度長、柔度大等特性，尤其于施工期間橋體變形對外力變化更加敏感?？紤]橋體

5、線形及內(nèi)應(yīng)力與施工方法及施工順序息息相關(guān)，為提供精確計(jì)算數(shù)據(jù)作為拱度控制之依據(jù)，施工前置作業(yè)期間須建立一套完整分析模式，分析模式及分析方法的擬訂須能確實(shí)反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及施工流程，并能隨時配合施工狀況進(jìn)行調(diào)整。一般斜張橋結(jié)構(gòu)分析方法可分為倒算法及正算法，倒算法是由橋梁完成狀態(tài)進(jìn)行拆解計(jì)算，依施工步驟相反順序，逐步拆解計(jì)算每一施工階段之控制參數(shù)；正算法則配合橋梁施工流程設(shè)定分析步驟，并依據(jù)設(shè)計(jì)理念選擇部份設(shè)計(jì)參數(shù)作為未知數(shù)，依序計(jì)算各施工階段控制參數(shù)初始值，再經(jīng)由預(yù)設(shè)之邊界條件以迭代方式求解未知數(shù)方程式，并迭代計(jì)算控制參數(shù)至收斂

6、為止。一般而言，兩種方法皆適用于斜張橋解析計(jì)算，唯大跨徑混凝土斜張橋較常采用正算法，因混凝土干縮與潛變行為在時間上只能順序，而倒算法在時間上是逆序。如要采倒算法并同時考慮混凝土干縮潛變行為，則須先經(jīng)由正算法計(jì)算干縮潛變初始值，再將該值代入倒算法計(jì)算過程中反復(fù)迭代以求得施工階段各項(xiàng)控制參數(shù)。高屏溪斜張橋?yàn)橐换炷僚c鋼構(gòu)之混合式結(jié)構(gòu)物，由于其施工接口繁多，且施工順序相當(dāng)復(fù)雜，加上混凝土干縮潛變行為對本橋拱度具有相當(dāng)程度之影響，故采正算法解析各施工階段之控制參數(shù)，控制方程式之邊界條件為箱型主梁之設(shè)計(jì)彎矩值。結(jié)構(gòu)解析計(jì)算采用奧地利TD

7、V公司所發(fā)展之三維結(jié)構(gòu)分析RM程序，分析模式以三維仿真元素為主，以梁元素仿真斜張橋結(jié)構(gòu)主體，并考慮結(jié)構(gòu)變形之二次效應(yīng)，對于斜張鋼纜的仿真采鋼纜元素，考慮其幾何非線性行為，基礎(chǔ)與土壤接口以等值彈簧元素仿真，分析時亦考慮假設(shè)工程及施工機(jī)具之模擬?；炷粮煽s潛變效應(yīng)依施工時程分成五個階段計(jì)算，溫度補(bǔ)償效應(yīng)則配合結(jié)構(gòu)分析于前置作業(yè)期間建立溫度影響矩陣，以供施工階段量測值修正之用。整體分析流程為能確實(shí)反應(yīng)橋體內(nèi)應(yīng)力之變化狀況，并能提供拱度控制所需之參考數(shù)據(jù)，共分為三個主要部分，分別為預(yù)力混凝土箱型施工流程分析、塔腳節(jié)塊懸臂施工分析及箱型

8、鋼梁節(jié)塊吊裝分析與塔柱施工分析。其中，腳塔節(jié)塊分析亦分別考慮混凝土澆注期間及硬化后兩階段之應(yīng)力與線形之變化狀況，鋼梁節(jié)塊分析則配合索力施拉狀態(tài)共分為三個階段，分別為新節(jié)塊吊裝、索力施拉前及索力施拉力后等。在全橋完成后，則分別考慮臨時支撐拆除后及鋪面施筑完成后之狀態(tài)，并確認(rèn)全橋