淺談懸索橋的施工控制

于之華

懸索橋的施工控制發展到現在已經取得了很大的成果,對于大跨徑橋梁的發展有著不可忽視的貢獻。同時,隨著懸索橋跨徑的增大和新形式的不斷涌現,對施工控制又不斷提出新的要求,需要懸索橋的施工控制不斷發展。

1 懸索橋施工控制的難點及解決方法

懸索橋結構有著自己的特點,其中最大的特點就是結構剛度相對其他橋型較小,特別是施工過程中,其結構剛度就更加小,易受外界環境影響,幾何非線性明顯。這些條件對施工控制非常不利,給懸索橋的施工控制提出了難題。

懸索橋的施工控制是在對實際結構進行分析計算的基礎上得出的,結構的非線性將會在很大程度上影響計算結果的精確程度,處理懸索橋非線性問題是懸索橋施工控制計算的難點。懸索橋的非線性因素有:1)荷載作用下結構大位移引起的非線性;2)纜索自重引起的非線性;3)纜索初始內力引起的非線性。對于目前比較好的解決方法是用有限位移法求解時,其剛度矩陣考慮非線性因素。

監測是懸索橋施工控制中的另一個難點。目前懸索橋大多在大江、大河或懸崖、峽谷上進行,受風的影響非常突出,無風的情況比較少,可能在需要觀測的時候很難遇到無風的天氣?？绽|狀態下,大風可能將主纜吹離其中心線幾十厘米,并且引起主纜的顫振,這會增加主纜測量的難度,需要有經驗的測量人員并且抓緊無風時進行測量。懸索橋多用在大跨度結構中,在幾百米跨徑范圍內,溫度可能有差異,由于溫度差異對主纜的影響造成主纜伸長量不一,但在計算中取的溫度參數為一定值,在大跨懸索橋中,計算所取的溫度與實際溫度的差值可能引起主纜幾厘米的誤差,采用較為穩定的早晚進行,把溫度影響過濾掉。除了風和溫差等不利因素外,大霧和下雨也將影響觀測的進行。對于觀測的解決方法一般是放在夜間進行,可以選擇月圓風小的夜晚,夜間受溫差和大霧、大風影響較小,可以認為測量不受外界環境的影響。但夜間監測也可能會有不利的因素,例如主跨基準索股的架設,需要連續觀測三晝夜并且保證穩定以后才能繼續施工,長期夜間作業會降低操作人員注意力,造成人為錯誤,所以目前提出的解決方案不盡人意,需要改進測量程序。

2 現行懸索橋施工控制的不足

懸索橋施工控制的難點從側面反映了目前施工控制的不足之處。以下幾條是現行懸索橋施工控制的主要不足之處:1)需要進行大量的計算和現場監測,這需要大量的人工工作;2)受觀測誤差和儀器噪聲的影響很不確定,需要有豐富經驗的工程師進行分析判斷,受人為影響比較大;3)儀器受外界環境影響比較明顯,例如大風、溫度驟變、大霧和雷雨天氣等;4)監控有一定的延時性,我們對測得的參數進行分析和計算機輸入需要時間,再將其計算結果運用于施工監控又需要時間,這其中參數可能發生大的變化,需要進行復核,這就浪費了大量的人力物力;5)由于需要人工進行操作,對于大橋的監控很難做到時時進行,這可能錯過對危險應力的監控,以致危害橋梁的情況出現。

3 對懸索橋施工控制改進的幾點意見

3.1 橋塔監測方法的改進

對于一個大型橋梁系統,參數識別是非常重要的一步。減少人為失誤對于參數的影響主要是通過減少人對于數據的處理工作量,主要考慮的步驟是盡量使用自動化儀器。橋塔的標高是懸索橋施工控制的一個關鍵點,因其高度大、剛度小,受溫度和風的影響比較顯著,監測難度很大,與實際對橋塔放樣的高要求形成鮮明對比,作者通過日本南備贊大橋施工錄像的啟迪,建議考慮使用激光照射儀器來替代現在的觀測儀器。激光的好處是發散小,受外界影響較小,用于觀測其精度是完全滿足的,同時不用長期占用全站儀,省去了一些中間過程。具體實施是將激光照射儀器固定在不受大風和日曬并能觀測到橋塔的位置,根據理論計算值調整激光照射儀器角度,使其對照橋塔頂部的設計位置,并可以用全站儀進行校正。與此同時,在橋塔根部安裝一個激光照射儀器對照橋塔頂部,用于校準橋塔頂部偏位。

橋塔溫度與應力的觀測可借助預埋在橋塔混凝土內部的傳感儀器來進行監測。將應力監測儀器預先捆綁在橋塔內部鋼筋上,其導線引到橋塔外部;將溫度測定儀器在混凝土澆筑時埋入橋塔內,同樣將導線引到橋塔外部。把引出的導線分類按編號引入接收器,輸入計算機以供處理分析。

3.2 大橋主纜監測方法的改進

同理,對于主纜的觀測也可采用相似的方法以盡量減少誤差。主纜在架設時對溫度變化和大風天氣比較敏感,對于主纜的觀測同樣是一件難題,無論用什么樣的觀測網,由于觀測的物體很難處于靜止狀態,觀測誤差是很難克服的。選擇無風的夜晚是一個好的解決辦法,但夜間施工所用照明對溫度參數會有一定影響,這需要在數據分析中加以考慮:但個人認為選擇陰天或是在一天中溫度穩定的時段架設調整主纜能更好的減少架設測量誤差。如果根據溫度自動調整觀測儀器,使儀器自動對準理論主纜位置,給施工技術人員直接的提示,可以使施工控制更加直觀。一般情況考慮將照射儀器架在地面不受風吹雨淋和日照的地方,將主纜各點的溫度傳感儀傳回的數據進行計算機分析,求出各跨固定樁號點主纜高程,自動調整照射儀器使其對準理論主纜高程,通過兩臺照射儀器同時照準同一點以確定主纜有無偏離中心位置,通過自動照準儀器可以將主纜監測變得簡單可行。對于跨徑較大的懸索橋主纜監測,可以根據情況使用GPS監測系統。由于GPS是接收衛星定位,各個測點間是完全同步的,由對稱測點可得出轉角來,這是常規測量方法難以實現的;利用GPS測定位移自動化程度高:從接收信號,捕捉衛星,到完成RTK(Real Time Kinematic)差分都可由儀器自動完成,所測三維坐標可直接存入監控中心服務器進行大橋施工控制分析:GPS定位平面精度為10 mm,高程精度為20 mm。GPS RTK差分系統是由GPS基準站、GPS監測站和通信系統組成。基準站將接收到的衛星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站。監測站接收衛星信號及GPS基準站信息,進行實時差分后可實時測得站點的三維空間坐標。

此結果將送到GPS監控中心。監控中心對接收機的GPS差分信號結果進行橋梁主纜位移d、轉角α計算,提供大橋施工控制方進行分析。

3.3 遠程快速監控的實施

應力監測和位移監測等得到的數據需要及時處理,以便施工控制人員在最短的時間作出反應。目前由于種種限制,施工控制人員一般將監控得到的數據抄回進行濾波分析,再用計算機處理,處理完畢再將監控結果返回施工現場進行指導施工。這樣做的結果是不能及時進行監控和處理,還可能在中間環節遺失原始數據。早在以前就有攝像機進行遠距離監控,但在內力與位移進行定量監控時還有很大的不足,目前網絡技術發達,可以借助網絡實現遠程實時監控。

對已有的各種懸索橋施工控制進行分析,找出在這些懸索橋施工控制中各種參數的相關性和敏感性(對參數進行相關性分析,找出其中的獨立參數,并確定各參數的相互關聯情況,根據所需控制的各項指標的重要程度,對各參數進行敏感性分析,找出影響重要控制指標最有效的參數),對它們進行標示。確定被估計參數與結構狀態測量值的函數關系,根據最優估計原理,確定最佳估計方程,然后估計出真實的結構控制參數。

對于已經處理好的參數通過網絡傳輸,將其傳輸到施工控制計算機上,進行結構受力和位移分析,及時調整預測量,對比觀測量與理想設計狀態,預測下一步施工是否安全和滿足設計要求,達到施工控制的目的。

[1] 李德寅,王邦桅,林亞超.懸索橋[M].北京:科學技術文獻出版社,1996.

[2] 黃耀怡.大跨度懸索橋技術概要及通用施工方法[J].鐵道建筑技術,2008(5):1.

[3] 向中富.橋梁施工控制技術[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] 黃建華.懸索橋施工控制的基本框架[J].鐵道建筑技術,2008(8):2.

[5] 李江樂.懸索橋的施工控制綜述[J].山西建筑,2008,34(1):325-326.