大跨度非對稱獨塔斜拉橋施工監(jiān)控仿真分析

李興坤, 周世軍

(1.北京鐵路局北京工務(wù)段, 北京100077;2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 404100)

大跨度非對稱獨塔斜拉橋施工監(jiān)控仿真分析

李興坤1, 周世軍2

(1.北京鐵路局北京工務(wù)段, 北京100077;2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 404100)

文章提出了一個適合斜拉橋施工過程控制計算的索單元。該單元能考慮斜拉索在梁上錨固點的偏心。推導(dǎo)了單剛計算公式和索張拉等效結(jié)點荷載的計算公式，介紹了斜拉橋施工控制中的幾個特殊問題及處理技巧。通過實橋監(jiān)控數(shù)據(jù)驗證了該方法的適用性和可靠性。

非對稱獨塔斜拉橋; 施工監(jiān)控; 仿真分析

斜拉橋由于主梁很柔，在施工架設(shè)中，其主梁撓度和索力變化幅度值較大。在斜拉橋的施工設(shè)計時，可以采用倒退的結(jié)構(gòu)分析方法，但是由于在設(shè)計時參數(shù)的選擇不可能與實際結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的完全一致；另外還存在環(huán)境因素影響。如果不在施工過程中逐步修正設(shè)計值，則由這些參數(shù)引起的結(jié)構(gòu)誤差具有積累性；最終將顯著地偏離設(shè)計目標，造成合龍困難，影響整個斜拉橋建成后的美觀和運營質(zhì)量。

本文結(jié)合某斜拉橋(主跨380 m雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋)的施工監(jiān)控，提出了一個適合施工過程控制計算的的索單元，敘述了大跨度斜拉橋施工監(jiān)控仿真分析全過程，介紹了斜拉橋施工控制中的幾個特殊問題及其處理技巧，通過一斜拉橋監(jiān)控的實測數(shù)據(jù)驗證了該方法的適用性和可靠性。

1 分析理論綜述

1.1 適合施工控制計算的索單元

在實際斜拉橋計算中采用普通梁單元、索面單元與更為精確的空間薄壁箱梁單元相結(jié)合的辦法，并根據(jù)計算目的的不同決定采用何種有限單元。

本文提出的索單元。該單元有兩個結(jié)點i、j，它們與主梁(塔)單元結(jié)點的偏心分別為c1、c2(在橫向水平方向，假定兩根索對稱于梁(塔)中心線，兩根索可合成并按一根計算)。單元結(jié)點位移向量和單元結(jié)點力向量與梁單元相同。于是索單元局部坐標系下的單元剛度矩陣即可在令I(lǐng)z=0后按梁單元公式計算。而索單元坐標變換矩陣Rc的具體表達式為：

Rc=

(1)

1.2 混凝土收縮、徐變計算

混凝土梁的徐變系數(shù)可以按《公路橋規(guī)》公式計算。在實用計算中為了方便起見，徐變系數(shù)可考慮滯后彈性影響取值，而其齡期系數(shù)ρ(t,τ0)隨時間變化的規(guī)律可近似地按老化理論確定。

混凝土的收縮也是隨時間變化的，為了簡化計算，假定收縮的變化規(guī)律相似于徐變的變化規(guī)律。收縮引起的內(nèi)力及變形計算類似于均勻降溫。

1.3 結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)

預(yù)應(yīng)力的作用對于梁來說就是外荷載，在程序中可按等效結(jié)點荷載處理。

1.4 結(jié)構(gòu)的非線性影響

結(jié)合結(jié)構(gòu)計算實際，這里僅討論幾何非線性；關(guān)于纜索垂度的影響則采用了修正彈性模量法(Ernst公式)，其表達式為：

(2)

1.5 溫度力計算

溫度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響可分為兩種情況：一是均勻的溫度變化；二是不均勻的溫度變化，即結(jié)構(gòu)不同部位或不同構(gòu)件的溫度變化不同，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生溫度差，因而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，這種變形在斜拉橋中也會產(chǎn)生次內(nèi)力。

1.6 參數(shù)誤差識別

參數(shù)誤差識別過程是自適應(yīng)控制的關(guān)鍵，其任務(wù)就是根據(jù)對控制目標(如內(nèi)力、標高和結(jié)構(gòu)應(yīng)力)的測量值與計算值之間的誤差反算施工過程模擬計算中選用的參數(shù)。目前參數(shù)識別的算法有兩類：一類是基于誤差最小化的算法，如最小二乘法等；另一類則是基于隨機狀態(tài)估計理論的算法，如Kalman濾波法。

2 施工過程監(jiān)測監(jiān)控

施工監(jiān)控中需要細致的觀測測試工作和大量計算工作，根據(jù)自適應(yīng)控制方法得到的梁段的施工控制參數(shù)還需要施工單位準確的實施才能夠獲得理想的效果。

下面以某非對稱獨塔斜拉橋(圖1)其中15#和16#兩個梁段的施工為例說明每個梁段施工標高控制的全過程。

圖1 非對稱獨塔斜拉橋

(1)根據(jù)14#及其前面梁段施工和塔頂位移的具體情況和對實測結(jié)果的反饋、計算、綜合判斷和規(guī)律總結(jié)，確定出15#梁段15#測點的立模標高理論值并提交施工單位使用。

(2)當立模和鋼筋綁扎工作完成且立模時的牽索索力按要求張拉后，核查立模標高是否滿足要求。

(3)如實際的立模標高與立模標高理論值的差異足夠小并滿足要求(如實際的立模標高與立模標高理論值的差異不滿足要求，則調(diào)整立模標高使之滿足要求)，則進行該梁段的混凝土澆注工作，同時動態(tài)觀測在混凝土澆注過程中梁的變形情況直至澆注完畢。

(4)在梁段混凝土澆注完成后，選擇適合測量的時段實測澆注后主梁前端標高和塔頂位移，并和理論值比較，判斷結(jié)構(gòu)的安全度和結(jié)構(gòu)分析參數(shù)的誤差趨向。

(5)待預(yù)應(yīng)力張拉完畢、15#索按理論張拉力張拉后(至此15#梁段的施工循環(huán)過程全部完成)，觀測梁上所有測點的標高和15#段的底板、頂板標高，以判斷整個結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)及理論的立模標高的準確度和可靠度。

(6)重復(fù)以上(1)～(5)步循環(huán)，進行16#梁段的施工(與施工流程對應(yīng)的其它施工步驟，如掛籃移動、臨時支架、臨時壓重、體系轉(zhuǎn)換等在這里未列出)。

(7)按施工流程進行后續(xù)梁段施工直至主橋施工工作全部完成。

3 監(jiān)控成果分析

由于主梁標高、應(yīng)力及索力在施工過程中的變化值時有與理論值出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，但總的來說這種偏差是小的和局部的，并在隨后施工的1～2個梁段內(nèi)即得以修正。且主梁應(yīng)力、標高和索力的實測值在施工過程中變化的總趨勢始終與理論值相一致，表明在整個施工過程中對結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線形的控制是有效的。下面給出橋面鋪裝前主梁標高平均差異曲線和橋面鋪裝前全橋索力誤差比較如圖2、圖3所示。

圖2 橋面鋪裝前主梁標高平均差異曲線

4 結(jié)論

通過施工監(jiān)控和對整個施工過程及設(shè)計參數(shù)的有效模擬，該橋主橋的施工過程達到了對斜拉橋線形和索力進行雙控的目標，且在施工過程中基本上實現(xiàn)了對線形和索力控制的一步到位。表明按以準確立模為主要手段控制主梁線形，在此基礎(chǔ)上準確控制斜拉索初張力的的對線形和索力進行雙控的總思路進行施工監(jiān)控，不僅能很好的保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全度，同時能有效的實現(xiàn)雙控之目的。另外，從該斜拉橋主橋整個施工過程中的仿真計算結(jié)果和對索力、主梁標高的實測結(jié)果，也驗證了本文提出的索單元是精確和可靠的。

圖3 橋面鋪裝前全橋索力實測值誤差比較

[1] JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 周世軍.鋼管混凝土剛構(gòu)式柔性系桿拱橋的施工控制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2005,31 (6):119-122.

[4] 吳鴻慶,任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[5] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[6] 向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001．

李興坤(1985～)，男，碩士，工程師,從事橋梁結(jié)構(gòu)分析和施工控制; 周世軍(1961～)，男，教授，博士生導(dǎo)師。

U448.27

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[定稿日期]2015-02-03