斜拉橋的施工控制技術

金錫蘭 吳祥松 王力強

斜拉橋的雛形遠在幾百年之前就出現過,而1956年在瑞典建成主跨為182.6 m的Stromsund橋才是第一座現代斜拉橋。接著,1958年又在原聯邦德國的杜塞爾道夫建成主跨為260 m的Theodor-Heuss橋,它鞏固了現代斜拉橋的地位。其后歷經50余年,今天世界上已建成了數百座斜拉橋,且今后斜拉橋會在大跨度橋梁上占據主要地位,成為跨徑在200 m～800 m之間橋型的首選。

1 宣城市宛溪河斜拉橋的工程簡介

宛溪河大橋位于水陽江大道東南段延伸工程西段,根據水陽江大道總體設計要求,橋梁范圍為:左幅K0+527.667～K0+800.500,跨徑布置:(45+88+88+45)m。橋梁全長271 m,右幅K0+531.27～ K0+845.500,跨徑布置:(45+88+88+55)m+35 m,橋梁全長316 m。橋梁跨越宛溪河、清溪河河口北側,北靠響山,南臨宣城揚子鱷湖風景區鱷東湖。

2 施工控制主要內容

2.1 理論計算

用斜拉橋計算分析軟件MIDAS來計算并確定理論成橋狀態和施工狀態。按照施工和設計所確定的施工工序,以及設計所采用的基本參數,對施工過程進行一次正裝計算,得到各施工狀態以及成橋狀態下的結構受力和變形等控制數據,作為斜拉橋施工控制的理論依據。要獲得高精度的施工控制效果,首先必須使全施工過程中的結構撓度計算完全吻合于結構實際撓度,否則在施工過程中采用任何補救措施都不可能加以挽回。

2.2 施工現場監測系統的建立

宛溪河大橋現場監測系統的建立是施工監控的主要任務之一,包括上部結構微觀與宏觀工作狀態的監測,即承重結構的應力應變狀態、主要結構撓度、高程的變化應與設計確定的內力,變位狀態一致。另外對經外部設備張拉的斜拉索和各次體系轉換,采取必要的措施監測內力的準確性與安全性。

此外還包括:與控制有關的基礎資料試驗與收集;設計參數誤差分析和識別以及對梁段設計參數誤差的修正;預告主梁下階段定位高程和斜拉索各次張拉力;重大的設計修改。

3 主梁施工過程中的水平變位、沉降及內力觀測

3.1 主梁水平變位及沉降變形量測

在每節箱梁的頂面橫斷面上設置三個測點,測點縱向距離約為10 m,左幅共設置28個監測斷面,共有84個測點;右幅共設置33個斷面,共有99個測點,全橋共設183個測點進行觀測,點位用一金屬標志頭埋設于主梁混凝土內,布置的總原則是按照中軸線兩邊對稱布設。

3.2 主梁中軸線復測

主梁中軸線復測的測點利用主梁平面變位測點進行量測,共計183個測點。

3.3 主梁撓度觀測

在0號塊上埋設撓度觀測基準點,基準點的設置方法為:用15 cm的短鋼筋垂直焊接或綁扎固定在最外層構造筋或最近的箍筋上,澆筑完混凝土后,露出混凝土表面2 cm～5 cm。同時,在附近設置永久水準點,該永久水準點是由控制網校核閉合的。

在距每個梁段的前端50 cm,布設3個測點;同時在橋面上的上下游護欄的內側10 cm處設置永久性的撓度觀測點,可用直徑16 mm鋼筋,頭部做成球面,長度8 cm,焊在頂板,測點縱軸向的點距約為22 m,左幅共設48個測點,右幅共設54個測點,全橋共設102個測點,既作為施工高程控制的觀測點又作為建成后靜動載試驗和長期營運過程中的撓度觀測點。

3.4 主梁應力測點的埋設

宛溪河大橋的應力應變現場測試元件安裝使用智能應變傳感器。在縱向上,主要布置在左、右幅橋主梁的主跨中間截面,橫向位置布置在主梁的頂板和底板截面。主梁傳感器安裝方法采用預置,即在鋼筋骨架就位后將應變傳感器和溫度傳感器同時綁扎在鋼筋上,導線置于緊貼模板的安裝盒內,然后澆筑混凝土,拆模后從安裝盒內取出導線。

3.5 施工控制的實施結果

通過施工過程中的量測,左、右幅橋的高程變化范圍為±3 cm,斜拉索張拉完成后,主梁的實際高程與設計高程相差很小,最大相差7 mm,遠低于JTG/T D65-01-2007公路斜拉橋設計細則規定的1.74 cm,故本工程的高程完全符合規范要求。

4 斜拉橋施工控制技術的要點補充

4.1 斜拉橋施工理論分析

1)施工計算原則。a.施工方案:由于斜拉橋恒載內力與施工方法和架設程序密切相關,理論計算應首先對施工方法和架設期間的施工荷載給出一個較為精確的數值。b.計算圖式:在各施工階段應根據當時的結構體系、掛籃形式(對懸澆法主要有前支點和后支點兩種)和荷載狀況選擇正確的計算圖式來進行計算、分析。施工中采用了臨時拉索或臨時支點,計算圖式應包括這些臨時構件。c.結構分析程度:對大多數斜拉橋而言,施工計算采用平面結構分析方法已經滿足實際架設控制的需要。但對大跨徑斜拉橋及其平面位于曲線時,施工計算采用空間模型則是非常必要的。d.非線性影響:非線性對中小跨徑的斜拉橋影響不大,但大跨徑斜拉橋必須考慮非線性的影響,通常采用彈性量法(Ernst公式)來反映斜拉索的非線性。e.混凝土收縮、徐變的影響。f.地震和風力:必須對施工中最危險的狀態進行抗震、抗風的驗算。g.溫度:在特定的施工階段(如合龍段施工前夕)應詳細觀測、記錄溫度對結構變形的影響隨時間變化的規律,以便為下一階段的施工提供準確預測值。2)施工階段計算模型。a.拉索的模擬:通常可以采用三種方法,即等效彈性模量直桿單元法、分段直桿法和曲線索單元法。b.塔的模擬:斜拉橋的索塔一般由塔柱和橫梁組成,采用實體單元、板殼單元、桿單元及其組合來模擬塔的結構行為更為準確。c.計算模型:單主梁模型;雙主梁模型;三主梁模型;體、板殼單元。3)斜拉橋施工控制模擬方法。a.倒裝分析法:通過對斜拉橋由成橋狀態(理想的恒載狀態)出發,按照與實際施工步驟相反的順序進行逐步倒退計算而獲得各施工階段的控制參數,結構按此正裝順序施工完畢,理論上斜拉橋的恒載內力和線形便可達到預定的理想狀態。b.正裝分析法:采用與斜拉橋施工相同的順序,依次計算各階段架設時結構的施工內力和位移,然后依據一定的計算原則,選擇適當的計算參數作為未知變量,通過求解方程而獲得相應的控制參數。只要計算參數選擇得當,結構按正裝法所得的控制參數和順序施工完畢時,理論上斜拉橋的恒載內力和主梁線形與預定的理想狀態基本吻合。c.無應力態法:是通過安裝過程中斜拉橋各結構單元的無應力長度和無應力曲率來實現對成橋狀態的自動逼近。

4.2 斜拉橋施工控制方法

1)斜拉橋施工控制系統為:施工→檢測→結構分析→狀態預報→調整→再施工的循環過程。斜拉橋施工監測、控制是一個“施工→測量→計算分析→修正→預告”的循環過程,最根本的要求是在確保結構安全施工的前提下,做到主梁線形和內力符合設計規定的允許誤差范圍。2)斜拉橋施工監測:斜拉橋是高次超靜定結構,它對成橋線形有較嚴的要求,每個節點坐標的變化都會影響結構內力的分配。3)斜拉橋施工控制方法:a.斜拉橋施工控制中的兩種索力形成方法:其一為一次到位法。一次到位法,也叫一次張拉法,它是指在施工過程中每一根斜拉索張拉至設計索力后不再重復張拉,屬于預測控制。其二為分次到位法。分次到位法的基本思想是“分次張拉,逐步到位”,也稱多次張拉法,屬于預測控制與事后調整控制相結合的控制。b.斜拉橋施工控制方法:包括開環控制法;反饋控制法;自適應控制法(前文已經解釋)。c.斜拉橋施工控制中的誤差處理和索力調整:包括基于現代控制理論的Kalman濾波法;參數識別、修正法。另外還有基于如模糊數學的其他方法。

5 結語

本文結合了宣城市宛溪河斜拉橋的施工控制實例,指出了對大跨橋梁實施施工控制的必要性及其重要意義。對大跨橋梁施工控制過程中的具體方法及步驟,主要的控制參數和應該注意的關鍵環節進行了詳細的闡述。實際上影響大跨橋梁施工精度的控制因素很多,本文僅從主要的方面對大跨橋梁的施工控制理論進行了初步分析研究,其他的還有待進一步的深入研究。

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