超長(zhǎng)聯(lián)矮塔斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用研究

張心純

(中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

在我國(guó)中西部山區(qū)橋梁建設(shè)中，高墩、多跨連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋以及斜拉橋通常作為橋式首選方案。對(duì)于連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)體系，山區(qū)條件下常出現(xiàn)腹板開裂、跨中持續(xù)下?lián)稀㈩A(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重、徐變和溫度內(nèi)力較大等問題[1]。而斜拉橋若采用高墩、多跨布置體系，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度損失嚴(yán)重情況[2]。矮塔斜拉橋是介于梁式橋與斜拉橋之間的新型橋型，結(jié)合了以上兩類橋型主要特點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)特性和美學(xué)效果，可以較好地解決山區(qū)橋梁建設(shè)中存在的上述問題[3]。

矮塔斜拉橋作為一種“組合”式結(jié)構(gòu)，受力趨近于連續(xù)剛構(gòu)，但是較連續(xù)剛構(gòu)受力更為復(fù)雜[4]。根據(jù)矮塔斜拉橋受力特性，有必要開展施工監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

矮塔斜拉橋的梁體剛度較大，斜拉索與橋面角度較小，索力變化對(duì)主梁線形影響能力弱，但對(duì)梁體應(yīng)力影響較大；而梁體施工時(shí)，溫度變化等對(duì)索力影響較大，從而對(duì)索塔及索錨區(qū)應(yīng)力有較大影響。高墩情況下，日照輻射產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)塔柱水平位移影響尤其顯著。所以，保障合龍精度是施工控制過程中的難點(diǎn)。施工中影響結(jié)構(gòu)變形和受力的參數(shù)眾多，且多部位誤差會(huì)相互影響，橋梁施工監(jiān)控需貫穿整個(gè)施工過程[5]，對(duì)塔梁墩的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、標(biāo)高、索力等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，采用穩(wěn)定可靠的施工控制措施，確保成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。

本文結(jié)合灰色預(yù)測(cè)理論建立矮塔斜拉橋預(yù)測(cè)模型，根據(jù)預(yù)測(cè)成果，提出響應(yīng)施工措施，并應(yīng)用于施工參數(shù)的理論計(jì)算及各影響因素對(duì)成橋狀態(tài)的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 施工控制方法

為了解橋梁應(yīng)力隨施工階段變化規(guī)律，對(duì)橋梁未來狀態(tài)做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，本文應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)理論構(gòu)建模型，對(duì)矮塔斜拉橋施工過程應(yīng)力變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。針對(duì)矮塔斜拉橋懸臂施工特點(diǎn)，將橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)視為一個(gè)較為復(fù)雜的灰色系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)有些信息明確、有些不明確[6]。

根據(jù)灰色理論建模要求，控制參數(shù)數(shù)量不得少于4個(gè)。因此，在進(jìn)行實(shí)橋懸臂施工標(biāo)高數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)懸臂梁體前4塊按理想設(shè)計(jì)狀態(tài)加經(jīng)驗(yàn)值立模施工，在相同時(shí)間間隔觀測(cè)撓度值(標(biāo)高)，并對(duì)每塊標(biāo)高觀測(cè)值進(jìn)行溫度效應(yīng)修正。則有:

式(1)數(shù)據(jù)序列經(jīng)1-AGO后形成新數(shù)列:

白化形式微分方程的解為:

根據(jù)式(7)可以預(yù)測(cè)后續(xù)各懸澆階段標(biāo)高變化值，再經(jīng)過還原生成(累減)標(biāo)高預(yù)測(cè)序列，前面4次預(yù)測(cè)值與式(1)數(shù)據(jù)數(shù)列進(jìn)行比較，來判斷是否進(jìn)行殘差修正計(jì)算。

殘差修正的具體方法為:首先進(jìn)行殘差檢驗(yàn)，除預(yù)測(cè)精度較好或合格者無(wú)需進(jìn)行殘差修正外，其余均應(yīng)進(jìn)行殘差修正計(jì)算，直至殘差檢驗(yàn)滿足預(yù)測(cè)精度要求為止。此時(shí)計(jì)入殘差的GM(1，1)模型即為最終的標(biāo)高預(yù)測(cè)模型。

3 工程概況及有限元分析

3.1 工程概況

公路矮塔斜拉橋主橋全長(zhǎng)1 170 m，橋面寬度29.5 m，上部結(jié)構(gòu)為125 m＋4×230 m＋125 m五塔六跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，為塔墩梁固結(jié)剛構(gòu)體系。下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用大懸臂變高度單箱三室斜腹板截面。箱梁頂板寬度為29.5 m，兩側(cè)翼緣板長(zhǎng)4.5 m，腹板斜率1∶2.998，底板寬度隨梁高由15.5 m漸變至18.635 m。橋面設(shè)2%雙向橫坡，底板水平。主梁支點(diǎn)處高度8.5 m，跨中梁高3.8 m，箱梁高度按1.8次拋物線變化。

索塔與主梁固結(jié)，橋面以上塔高36 m。塔柱采用八邊形實(shí)體截面，橫橋向尺寸為3.5 m。斜拉索為中央索面，雙排布置在主梁中央分隔帶處。采用分絲管式索鞍結(jié)構(gòu)，在塔上連續(xù)通過，在索鞍一側(cè)設(shè)置單根可更換式單側(cè)雙向抗滑錨固裝置，實(shí)現(xiàn)拉索在索塔位置處的錨固固定，分絲管中段為圓弧形。斜拉索兩側(cè)對(duì)稱錨固于主梁，采用主梁側(cè)單端張拉。每個(gè)索塔設(shè)有2×15對(duì)30根斜拉索，全橋共150根斜拉索。

施工過程為:塔墩澆筑→主梁節(jié)段掛籃懸臂澆筑→張拉斜拉索→合龍前進(jìn)行跨中頂推并完成合龍→體系轉(zhuǎn)換→索力調(diào)整→橋面鋪裝→成橋。

3.2 施工仿真計(jì)算

該橋?yàn)橐环N復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化為桿系結(jié)構(gòu)并采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行分析和計(jì)算。斜拉索采用桁架單元進(jìn)行模擬[7]。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用MIDAS/Civil有限元程序進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)橋梁跨徑布置及主梁橫斷面剛度，按照空間實(shí)用理論簡(jiǎn)化為空間桿系。全橋離散為1 888個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 569個(gè)單元。靜力計(jì)算模型見圖1。

圖1 靜力計(jì)算有限元模型

4 施工控制

4.1 線形控制

主梁施工采用掛籃懸臂澆筑法。由于索對(duì)主梁撓度影響不大，可通過確定索的初張力及梁預(yù)拋高的方法調(diào)整線形[8]。在節(jié)段澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、斜拉索張拉后對(duì)各節(jié)段標(biāo)高、梁體應(yīng)力、索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過灰色控制理論方法進(jìn)行后續(xù)線形預(yù)測(cè)并確定預(yù)設(shè)標(biāo)高調(diào)整方法。

部分成橋線形對(duì)比如圖2所示。由圖2可知，成橋后主梁實(shí)測(cè)高程和設(shè)計(jì)高程較為吻合，橋面線形基本平順，線形控制理想。

圖2 部分成橋線形對(duì)比

環(huán)境溫度對(duì)箱梁懸臂施工影響很大，懸臂箱梁的變形隨溫度升高和懸臂長(zhǎng)度的增加而增大[9]。為保障測(cè)量精度，減小誤差，所有測(cè)量工作均在低溫時(shí)段進(jìn)行。運(yùn)用灰色理論模型預(yù)測(cè)，考慮日照溫度對(duì)梁標(biāo)高影響較大，應(yīng)從測(cè)量數(shù)據(jù)中剔除該影響，以保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2 應(yīng)力控制

箱梁應(yīng)力受索力、施工因素影響較大，應(yīng)在節(jié)段懸臂澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、索張拉、合龍前后及體系轉(zhuǎn)換后及時(shí)監(jiān)測(cè)截面應(yīng)力變化情況，以確定施工過程中截面應(yīng)力狀態(tài)[10－11]。根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果，主跨應(yīng)力控制截面為墩頂部0＃塊中心截面、懸臂根部截面、最大懸臂1/2截面以及合龍位置。

圖3為主橋12號(hào)墩0＃塊中央截面頂板應(yīng)力變化曲線。從圖3可看出，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值整體變化趨勢(shì)基本一致。

圖3 12號(hào)墩0＃塊中央截面頂板應(yīng)力變化曲線

4.3 索力控制方法及措施

索力控制直接影響矮塔斜拉橋受力性能。在每個(gè)施工階段懸澆混凝土完成及斜拉索張拉后，需監(jiān)測(cè)當(dāng)前施工節(jié)段及其鄰近3對(duì)斜拉索的索力。每對(duì)斜拉索在成橋狀態(tài)進(jìn)行一次索力測(cè)量，為索力控制提供依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整索力，保障成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.1 索力測(cè)定方法

(1)為減小溫度對(duì)索力測(cè)定的影響，測(cè)量時(shí)間選擇低溫時(shí)段(5:30～7:30)。

(2)12～26號(hào)節(jié)段，每節(jié)段澆筑完成后，測(cè)量懸臂端4對(duì)索索力；張拉斜拉索完成，再次測(cè)量懸臂端4對(duì)索索力。

(3)施工到關(guān)鍵工序(如邊跨、中跨合龍前，成橋調(diào)索前后)進(jìn)行全橋索力測(cè)量。

(4)當(dāng)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與理論狀態(tài)相差較大時(shí)，進(jìn)行全橋索力測(cè)定。

4.3.2 索力控制

斜拉索的索力控制，其核心為:通過對(duì)各施工階段梁的變形和索力監(jiān)測(cè)，并運(yùn)用灰色理論方法，預(yù)測(cè)下一階段梁的標(biāo)高和應(yīng)力，進(jìn)而計(jì)算索的初張力，在合龍后根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行索力微調(diào)。10號(hào)墩大里程方向(下游)索力監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知，索力誤差均控制在±5%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

表1 10號(hào)墩大里程向索力監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.4 索塔應(yīng)力及變位監(jiān)測(cè)

4.4.1 索塔應(yīng)力監(jiān)測(cè)

超長(zhǎng)聯(lián)矮塔斜拉橋索塔既要承受恒載和活載產(chǎn)生的巨大軸向力和彎矩，又要承受溫度變化、風(fēng)荷載、混凝土收縮徐變帶來的內(nèi)力影響[12]。由于主塔根部彎矩最大，選擇大橋每個(gè)主塔部位橋面向上1.5 m截面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，安裝混凝土應(yīng)變傳感器。斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。12號(hào)墩索塔根部向上1.5 m位置應(yīng)力對(duì)比見圖5。由圖5可知，索塔在施工階段壓應(yīng)力在0.61～4.6 MPa范圍。

圖4 索塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖5 12號(hào)墩索塔根部向上1.5 m位置應(yīng)力對(duì)比

4.4.2 索塔變位監(jiān)測(cè)

索塔變位監(jiān)測(cè)包括順橋向和橫橋向兩個(gè)方向。主塔在施工和成橋狀態(tài)通過斜拉索分擔(dān)部分梁體重量。在不平衡荷載和大氣溫差及日照影響下，均會(huì)使主塔產(chǎn)生不同程度的變形[13]。施工過程中對(duì)主塔變位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在每個(gè)主塔距塔頂1.5 m位置上下游各設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，安裝反光棱鏡，用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

施工過程對(duì)5個(gè)主塔變位進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其中10號(hào)墩索塔變位監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。由表2可知，成橋后索塔頂橫向變位、縱向變位均小于理論值，索塔變位在合理范圍內(nèi)。

表2 10號(hào)墩索塔變位監(jiān)測(cè)

4.4.3 索錨區(qū)監(jiān)測(cè)

為了更準(zhǔn)確地獲得索塔錨固區(qū)域在斜拉索作用下的受力狀態(tài)，監(jiān)測(cè)每個(gè)懸臂階段各個(gè)施工工況下的索錨區(qū)混凝土應(yīng)力變化，確保結(jié)構(gòu)施工安全、受力合理。經(jīng)分析，C1索為豎向軸力最大位置，C5索錨區(qū)主壓應(yīng)力最大，選擇C1、C5斜拉索索錨下混凝土作為監(jiān)測(cè)位置，在相應(yīng)位置埋設(shè)應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

由于索錨區(qū)域處于三向空間受力狀態(tài)，故將應(yīng)變傳感器分別平行于順橋向(平行于索孔方向)、橫橋向、豎橋向(垂直于索孔方向)埋設(shè)于索錨分絲管下部混凝土內(nèi)，以同時(shí)獲取三個(gè)方向的應(yīng)力變化情況。

應(yīng)力對(duì)比如圖6所示。圖6表明，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值整體變化趨勢(shì)一致，主塔斷面應(yīng)力水平合理。

圖6 12號(hào)索塔索錨C1底應(yīng)力對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)矮塔斜拉橋懸臂施工特點(diǎn)，提出了基于灰色理論的施工控制方法，通過結(jié)構(gòu)理論預(yù)測(cè)和分析，確定施工監(jiān)控控制要點(diǎn)并成功應(yīng)用于橋梁施工監(jiān)控全過程。實(shí)踐證明，橋梁結(jié)構(gòu)施工全過程處于良好受控狀態(tài)，結(jié)構(gòu)線形、受力狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)基本吻合，達(dá)到了施工控制目的和要求。