高屏溪斜张桥拱度控制.doc

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1、高屏溪斜张桥拱度控制陈建州博士中华顾问工程司屏东监造工程处九如工务所主任摘要高屏溪斜张结构配置相当特殊，施工方法与施工机具又具有高程度之变异性，因此施工期间之拱度变化相当难控制，为确保桥梁完成时之桥体线形、结构内应力及斜张钢缆索力均能符合设计原意，施工初期即规画一套拱度控制机制，以期掌握施工误差发展之趋势，判读误差发生之来源，并对误差之修正提出对策，本文之目的即在说明高屏溪斜张桥拱度控制之手法、对策与成果。一、前言南二高高屏溪斜张主桥座落于里岭台地旁，向东横跨高屏溪主河道，为一单桥塔非对称混合式斜张桥，全长510公尺，主跨33

2、0公尺为全焊接箱型钢梁，边跨180公尺为预力混凝土箱型梁，桥面宽34.4公尺，梁深3.2公尺，主跨与边跨于桥塔横梁处共构，利用剪力钉及预力钢腱传递内应力。钢筋混凝土桥塔高183.5公尺，采稳定度高之倒Ｙ型配置，两塔脚为多边形空心结构，高约110公尺，其基脚处以地梁相连接以克服侧向水平力，塔柱为实心结构物，外覆斜张钢缆锚碇钣，塔顶设有一景观照明灯室。斜拉索系统沿桥梁中心成单面混合扇形配置，于桥塔两侧各配置14组，除主拉索含四根钢缆外，其余斜拉索均由两根钢缆组合而成，钢缆两侧分别锚碇于塔柱及主梁中央处。主梁与桥台采铰接设计，与桥墩

3、之间则为纵向活动设计，与桥塔于通车阶段采铰接设计，于施工期间则为纵向活动设计，详图一。图一斜张主桥于民国八十五年中开始建造，基于桥梁结构系统之特殊性，施工前即进行施工方法与施工机具之研拟，为提高施工质量、缩短施工时程及减少环境冲击，各主要桥梁构件依其特性选择适用之施工方法与机具。倒Ｙ型桥塔主要是利用两套爬升模板配合塔式吊车进行节块施工；边跨预力混凝土箱型梁则规画以支撑先进工作车配合临时支撑架施筑中央箱室，另以悬臂吊架二次浇注翼版；主跨箱型钢梁则利用完成钢梁部分运搬新节块，续以悬臂工法进行吊装，并于空中进行钢梁全断面焊接；斜张钢

4、缆主要配合钢梁节块吊装作业时程进行安装与施拉，全桥施工流程如图二所示。图二由于本桥结构系统非常特殊，施工方法与施工机具又具有相当程度之变异性，因此施工期间之拱度变化相当难控制，为确保桥梁完成时之桥体线形、结构内应力及斜张钢缆索力均能满足设计原意，施工初期即规画一套拱度控制机制，以期掌握施工误差发展之趋势，判读误差发生之来源，并对误差之修正提出对策，本文之目的即在说明高屏溪斜张桥拱度控制之手法、对策与成果。二、结构分析斜张桥为一高度超静定结构物，结构系统具有跨度长、柔度大等特性，尤其于施工期间桥体变形对外力变化更加敏感。考虑桥体

5、线形及内应力与施工方法及施工顺序息息相关，为提供精确计算数据作为拱度控制之依据，施工前置作业期间须建立一套完整分析模式，分析模式及分析方法的拟订须能确实反应桥梁结构系统及施工流程，并能随时配合施工状况进行调整。一般斜张桥结构分析方法可分为倒算法及正算法，倒算法是由桥梁完成状态进行拆解计算，依施工步骤相反顺序，逐步拆解计算每一施工阶段之控制参数；正算法则配合桥梁施工流程设定分析步骤，并依据设计理念选择部份设计参数作为未知数，依序计算各施工阶段控制参数初始值，再经由预设之边界条件以迭代方式求解未知数方程式，并迭代计算控制参数至收敛

6、为止。一般而言，两种方法皆适用于斜张桥解析计算，唯大跨径混凝土斜张桥较常采用正算法，因混凝土干缩与潜变行为在时间上只能顺序，而倒算法在时间上是逆序。如要采倒算法并同时考虑混凝土干缩潜变行为，则须先经由正算法计算干缩潜变初始值，再将该值代入倒算法计算过程中反复迭代以求得施工阶段各项控制参数。高屏溪斜张桥为一混凝土与钢构之混合式结构物，由于其施工接口繁多，且施工顺序相当复杂，加上混凝土干缩潜变行为对本桥拱度具有相当程度之影响，故采正算法解析各施工阶段之控制参数，控制方程式之边界条件为箱型主梁之设计弯矩值。结构解析计算采用奥地利TD

7、V公司所发展之三维结构分析RM程序，分析模式以三维仿真元素为主，以梁元素仿真斜张桥结构主体，并考虑结构变形之二次效应，对于斜张钢缆的仿真采钢缆元素，考虑其几何非线性行为，基础与土壤接口以等值弹簧元素仿真，分析时亦考虑假设工程及施工机具之模拟。混凝土干缩潜变效应依施工时程分成五个阶段计算，温度补偿效应则配合结构分析于前置作业期间建立温度影响矩阵，以供施工阶段量测值修正之用。整体分析流程为能确实反应桥体内应力之变化状况，并能提供拱度控制所需之参考数据，共分为三个主要部分，分别为预力混凝土箱型施工流程分析、塔脚节块悬臂施工分析及箱型

8、钢梁节块吊装分析与塔柱施工分析。其中，脚塔节块分析亦分别考虑混凝土浇注期间及硬化后两阶段之应力与线形之变化状况，钢梁节块分析则配合索力施拉状态共分为三个阶段，分别为新节块吊装、索力施拉前及索力施拉力后等。在全桥完成后，则分别考虑临时支撑拆除后及铺面施筑完成后之状态，并确认全桥