淺議混凝土斜拉橋施工控制

盧廣寧 孫世光

1 斜拉橋施工控制的必要性

斜拉橋是高次超靜定結構,主梁、索塔和拉索之間剛度相差十分懸殊,受拉索垂度、溫度變化、風力和日照影響、施工臨時荷載、混凝土收縮徐變等復雜因素干擾,使力與變形的關系十分復雜。

在施工理論計算中,雖然可以采用多種計算方法,算出各施工階段或步驟的索力和相應的梁體變形,但是按理論計算所給出的索力、線形進行施工時,結構的實際變形卻未必能達到預期的結果。這主要是由于設計時所采用的計算參數,諸如材料的彈性模量、構件重量、混凝土的收縮徐變系數、施工中溫度變化以及施工臨時荷載條件等與實際工程中所表現出來的不完全一致所引起的。

斜拉橋在施工中表現出來的這種理論與實際的偏差具有積累性,如不加以及時、有效的控制和調整,會隨著主梁懸臂施工長度的增加而增加。因此,斜拉橋施工控制是保證斜拉橋達到設計要求的重要手段。

2 斜拉橋施工控制的特點

橋梁施工控制最基本的要求是保證施工中的安全和結構恒載內力及結構線形符合設計要求。斜拉橋在主梁懸臂施工時,確保主梁線形和順、正確是第一位的,施工中以標高控制為主。所謂以標高控制為主,并非只控制主梁的標高,而不顧及拉索索力的偏差。施工中應根據結構本身的特性和施工方法的不同,采取相應的控制策略。若主梁剛度較小,斜拉索索力的微小變化將引起懸臂端撓度的較大變化,斜拉索張拉時應以高程測量進行控制為主,但索力張拉噸位不應超過容許范圍,確保施工安全。若主梁剛度較大,斜拉索索力變化了很多,而懸臂端撓度的變化卻非常有限,施工中應以拉索張拉噸位進行控制,然后根據標高的實測情況,對索力做適當的調整。此時標高、線形的控制主要是通過混凝土澆筑前底模標高的調整來實現。

3 斜拉橋施工控制的方法

1)開環控制。在設計時給予主梁標高和內力最大的寬容度,或是在設計時估計結構的恒載和活載,由此計算出結構的預拱度,在施工過程中按照這個預拱度來施工,施工完成后的結構就基本上能達到設計所要求的線形和內力,即所謂的開環控制。2)糾偏終點控制。采取糾偏終點控制的方法,即在施工過程中,對產生主梁線形偏差的因素跟蹤控制,隨時糾偏,最終達到理想線形,這種方法常用Kalman濾波法和灰色理論等。3)自適應控制。閉環控制的設計參數識別與修正法,亦稱自適應控制方法,是對施工過程中的標高和內力的實測值與預計值進行比較,對橋梁結構的主要基本參數進行識別,找出實測值與預計值產生偏差的原因,從而對參數進行修正,再反饋到控制計算中,重新給出施工下一階段的索力和主梁線形的理論期望值,以消除理論計算與實測值的誤差,使主梁懸臂施工的線形與斜索拉力相協調。

4 斜拉橋施工控制的內容

4.1 結構變形控制

橋梁結構尺寸的控制是施工控制的基本要求,但結構在施工形成過程中均要產生變形,加之施工過程中各種誤差的積累,因此任何一個結構不可能達到與設計尺寸準確無誤的吻合,故要盡量減少結構尺寸與設計尺寸的偏差,并將其降低到允許的范圍。

4.2 結構應力控制

1)施加預應力的一般規定。張拉機具與錨具應在現場進行檢驗和校驗。千斤頂與壓力表應配套校驗,以確定張拉力與壓力表讀數之間的關系曲線。所用壓力表的精度不宜低于1.5級;校驗千斤頂用的試驗機或測力計的精度不得低于±2%。預應力鋼材用應力控制法張拉時,應以伸長值進行校核,實際伸長值與理論伸長值之差應控制在6%以內。2)梁體內力控制。梁體應力狀態與設計應力狀態應盡量相符,若產生偏差,則其偏差不超過±5%。3)斜拉索力控制。斜拉索施工拉力允許偏差不大于±3%。

4.3 結構穩定控制

橋梁結構的穩定關系到橋梁的安全,它與橋梁的強度有著同等重要的意義。所謂結構或構件失穩是指荷載因素在構件中產生的內力并不很大,但在與荷載正交的某個方向卻會因偶然的擾動、偏心加載、構件缺陷等原因產生很大的位移,使結構或構件失去正常的工作能力。橋塔柱與主梁梁段施工時的穩定性問題應引起足夠的重視,施工期間構件穩定安全系數應大于3。

5 斜拉橋施工監測的具體內容

1)主塔變位測量。主塔變位測量包括:順橋向和橫橋向兩個方向變位值的測量。測量的成果應提供:塔柱在日照下隨溫度變化發生縱橫橋向偏移的曲線以及在主梁施工過程中塔柱的變位值。2)梁體線形測量。梁體線形測量包括:高程測量和中線測量。測量的成果應提供:主梁在各施工階段的高程實測值和中線實測值;主梁線形隨溫度變化的曲線,以隨時掌握主梁溫度變形的影響。3)索力測量。索力測量內容包括:施工掛籃掛索張拉后、每懸澆一個節段后、體系轉換張拉拉索時臨近的4對～5對索、中間調索和全橋合龍時全部拉索的索力。測量的成果應提供:各測試階段的索力值以及關鍵索力隨溫度變化的曲線。4)溫度測量。溫度測量內容包括:季節溫差、日照溫差、驟變溫差、殘余溫度、不同溫度場等的測量。主梁和塔柱的溫度測試斷面應與應力測量斷面相同,依次對應,也便于計算分析;拉索的溫度變化也應進行測量。對于施工控制所需溫度實測數據的采集時間一般取一天中溫度變化較小的早晨。測量的成果應提供:索、塔、梁各測試斷面溫度短期變化曲線和季節性溫度變化曲線;對于斜拉索,還應提供索內外溫差和中心點溫差的對應關系曲線。5)應力測量。應力測量內容包括:梁塔各控制截面的應力。測量的成果應提供:梁塔各施工狀態下監測截面的應力值及成橋狀態下各監測截面的應力值。6)材料收縮、徐變的影響。對于混凝土橋梁,材料收縮、徐變對結構內力、變形有較大的影響。混凝土收縮、徐變受很多因素影響,主要因素有:a.水泥品種;b.集料性質;c.混凝土配合比;d.外加劑和其他成分;e.加載齡期;f.環境齡期;g.環境溫度;h.試件尺寸;i.應力大小;j.應力持續時間。施工監測時應采集上述數據,以供監控計算分析時調整收縮、徐變參數。

6 斜拉橋施工控制的組織安排及工作程序

6.1 組織安排

施工控制中確定每一施工步驟的目標與設計方有關,施工方必須按照一定的精度來完成每個施工步驟,并進行必要的測量,整個施工過程必須在監理的監督下完成,因此,順利地實現施工控制的目標,需要設計、施工、監理、監測、監控等多方面的配合。

為了確保斜拉橋施工控制的順利實施,上述單位應共同制定施工控制綱要,施工控制單位應根據綱要制定施工控制測試工作細則。由業主牽頭成立施工控制工作領導小組,并在施工現場成立由工程控制承包方、業主、監理、施工、設計單位人員組成的施工控制工作小組。

6.2 工作程序

1)按照預報的掛籃定位標高定位掛籃,掛籃定位必須在0點至日出前完成,由施工單位測量掛籃定位標高,經監理簽認后向控制小組提供掛籃的定位測量結果;2)施工控制小組分析測量結果,如需調整,給出調整后的斜拉索張拉力和標高;3)澆筑混凝土過程中測量掛籃定位點標高,測量已澆梁段端部及后支點斷面處的測點標高;4)澆筑完混凝土后第二天測量所有已施工梁段上的測點標高,經監理簽認后提供給施工控制小組;5)監理方檢查斷面尺寸準確性,向施工控制小組提供梁段混凝土超重的情況;6)

施工控制小組分析測量結果,如需調整,給出調整后的斜拉索張拉力;7)張拉斜拉索,日出前測量已施工的所有梁段上的測點標高,經監理簽認后提供給施工控制小組;8)測量斜拉索索力,如果該對索力異常,應進行該對索補充張拉;9)施工控制小組根據上一施工周期梁底標高測量值和索力測量結果計算、預報掛籃定位標高和下一施工周期的斜拉索張拉力;10)預報標高與索力經設計單位進行局部應力驗算,與控制單位會簽后交監理;11)監理將上述預報索力與標高最后核定后下指令交施工單位執行。

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