金錫蘭 吳祥松 王力強(qiáng)

斜拉橋的雛形遠(yuǎn)在幾百年之前就出現(xiàn)過,而1956年在瑞典建成主跨為182.6 m的Stromsund橋才是第一座現(xiàn)代斜拉橋。接著,1958年又在原聯(lián)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(xiàn)代斜拉橋的地位。其后歷經(jīng)50余年,今天世界上已建成了數(shù)百座斜拉橋,且今后斜拉橋會在大跨度橋梁上占據(jù)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(jù)水陽江大道總體設(shè)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(cè),北靠響山,南臨宣城揚(yáng)子鱷湖風(fēng)景區(qū)鱷東湖。

2 施工控制主要內(nèi)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(tài)和施工狀態(tài)。按照施工和設(shè)計所確定的施工工序,以及設(shè)計所采用的基本參數(shù),對施工過程進(jìn)行一次正裝計算,得到各施工狀態(tài)以及成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力和變形等控制數(shù)據(jù),作為斜拉橋施工控制的理論依據(jù)。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(jié)構(gòu)撓度計算完全吻合于結(jié)構(gòu)實(shí)際撓度,否則在施工過程中采用任何補(bǔ)救措施都不可能加以挽回。

2.2 施工現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的建立

宛溪河大橋現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的建立是施工監(jiān)控的主要任務(wù)之一,包括上部結(jié)構(gòu)微觀與宏觀工作狀態(tài)的監(jiān)測,即承重結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)撓度、高程的變化應(yīng)與設(shè)計確定的內(nèi)力,變位狀態(tài)一致。另外對經(jīng)外部設(shè)備張拉的斜拉索和各次體系轉(zhuǎn)換,采取必要的措施監(jiān)測內(nèi)力的準(zhǔn)確性與安全性。

此外還包括:與控制有關(guān)的基礎(chǔ)資料試驗(yàn)與收集;設(shè)計參數(shù)誤差分析和識別以及對梁段設(shè)計參數(shù)誤差的修正;預(yù)告主梁下階段定位高程和斜拉索各次張拉力;重大的設(shè)計修改。

3 主梁施工過程中的水平變位、沉降及內(nèi)力觀測

3.1 主梁水平變位及沉降變形量測

在每節(jié)箱梁的頂面橫斷面上設(shè)置三個測點(diǎn),測點(diǎn)縱向距離約為10 m,左幅共設(shè)置28個監(jiān)測斷面,共有84個測點(diǎn);右幅共設(shè)置33個斷面,共有99個測點(diǎn),全橋共設(shè)183個測點(diǎn)進(jìn)行觀測,點(diǎn)位用一金屬標(biāo)志頭埋設(shè)于主梁混凝土內(nèi),布置的總原則是按照中軸線兩邊對稱布設(shè)。

3.2 主梁中軸線復(fù)測

主梁中軸線復(fù)測的測點(diǎn)利用主梁平面變位測點(diǎn)進(jìn)行量測,共計183個測點(diǎn)。

3.3 主梁撓度觀測

在0號塊上埋設(shè)撓度觀測基準(zhǔn)點(diǎn),基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)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(gòu)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(shè)置永久水準(zhǔn)點(diǎn),該永久水準(zhǔn)點(diǎn)是由控制網(wǎng)校核閉合的。

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

3.4 主梁應(yīng)力測點(diǎn)的埋設(shè)

宛溪河大橋的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)場測試元件安裝使用智能應(yīng)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(yù)置,即在鋼筋骨架就位后將應(yīng)變傳感器和溫度傳感器同時綁扎在鋼筋上,導(dǎo)線置于緊貼模板的安裝盒內(nèi),然后澆筑混凝土,拆模后從安裝盒內(nèi)取出導(dǎo)線。

3.5 施工控制的實(shí)施結(jié)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(shí)際高程與設(shè)計高程相差很小,最大相差7 mm,遠(yuǎn)低于JTG/T D65-01-2007公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則規(guī)定的1.74 cm,故本工程的高程完全符合規(guī)范要求。

4 斜拉橋施工控制技術(shù)的要點(diǎn)補(bǔ)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(nèi)力與施工方法和架設(shè)程序密切相關(guān),理論計算應(yīng)首先對施工方法和架設(shè)期間的施工荷載給出一個較為精確的數(shù)值。b.計算圖式:在各施工階段應(yīng)根據(jù)當(dāng)時的結(jié)構(gòu)體系、掛籃形式(對懸澆法主要有前支點(diǎn)和后支點(diǎn)兩種)和荷載狀況選擇正確的計算圖式來進(jìn)行計算、分析。施工中采用了臨時拉索或臨時支點(diǎn),計算圖式應(yīng)包括這些臨時構(gòu)件。c.結(jié)構(gòu)分析程度:對大多數(shù)斜拉橋而言,施工計算采用平面結(jié)構(gòu)分析方法已經(jīng)滿足實(shí)際架設(shè)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(fēng)力:必須對施工中最危險的狀態(tài)進(jìn)行抗震、抗風(fēng)的驗(yàn)算。g.溫度:在特定的施工階段(如合龍段施工前夕)應(yīng)詳細(xì)觀測、記錄溫度對結(jié)構(gòu)變形的影響隨時間變化的規(guī)律,以便為下一階段的施工提供準(zhǔn)確預(yù)測值。2)施工階段計算模型。a.拉索的模擬:通?？梢圆捎萌N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(shí)體單元、板殼單元、桿單元及其組合來模擬塔的結(jié)構(gòu)行為更為準(zhǔn)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(tài)(理想的恒載狀態(tài))出發(fā),按照與實(shí)際施工步驟相反的順序進(jìn)行逐步倒退計算而獲得各施工階段的控制參數(shù),結(jié)構(gòu)按此正裝順序施工完畢,理論上斜拉橋的恒載內(nèi)力和線形便可達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)。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(shè)時結(jié)構(gòu)的施工內(nèi)力和位移,然后依據(jù)一定的計算原則,選擇適當(dāng)?shù)挠嬎銋?shù)作為未知變量,通過求解方程而獲得相應(yīng)的控制參數(shù)。只要計算參數(shù)選擇得當(dāng),結(jié)構(gòu)按正裝法所得的控制參數(shù)和順序施工完畢時,理論上斜拉橋的恒載內(nèi)力和主梁線形與預(yù)定的理想狀態(tài)基本吻合。c.無應(yīng)力態(tài)法:是通過安裝過程中斜拉橋各結(jié)構(gòu)單元的無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率來實(shí)現(xiàn)對成橋狀態(tài)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(tǒng)為:施工→檢測→結(jié)構(gòu)分析→狀態(tài)預(yù)報→調(diào)整→再施工的循環(huán)過程。斜拉橋施工監(jiān)測、控制是一個“施工→測量→計算分析→修正→預(yù)告”的循環(huán)過程,最根本的要求是在確保結(jié)構(gòu)安全施工的前提下,做到主梁線形和內(nèi)力符合設(shè)計規(guī)定的允許誤差范圍。2)斜拉橋施工監(jiān)測:斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu),它對成橋線形有較嚴(yán)的要求,每個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的變化都會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)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(shè)計索力后不再重復(fù)張拉,屬于預(yù)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(yù)測控制與事后調(diào)整控制相結(jié)合的控制。b.斜拉橋施工控制方法:包括開環(huán)控制法;反饋控制法;自適應(yīng)控制法(前文已經(jīng)解釋)。c.斜拉橋施工控制中的誤差處理和索力調(diào)整:包括基于現(xiàn)代控制理論的Kalman濾波法;參數(shù)識別、修正法。另外還有基于如模糊數(shù)學(xué)的其他方法。

5 結(jié)語

本文結(jié)合了宣城市宛溪河斜拉橋的施工控制實(shí)例,指出了對大跨橋梁實(shí)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(shù)和應(yīng)該注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。實(shí)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(jìn)行了初步分析研究,其他的還有待進(jìn)一步的深入研究。

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