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(duì)稱(chēng)獨(dú)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(gè)適合斜拉橋施工過(guò)程控制計(jì)算的索單元。該單元能考慮斜拉索在梁上錨固點(diǎn)的偏心。推導(dǎo)了單剛計(jì)算公式和索張拉等效結(jié)點(diǎn)荷載的計(jì)算公式，介紹了斜拉橋施工控制中的幾個(gè)特殊問(wèn)題及處理技巧。通過(guò)實(shí)橋監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的適用性和可靠性。

非對(duì)稱(chēng)獨(dú)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(jì)時(shí)，可以采用倒退的結(jié)構(gòu)分析方法，但是由于在設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)的選擇不可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)所對(duì)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(guò)程中逐步修正設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)，造成合龍困難，影響整個(gè)斜拉橋建成后的美觀和運(yùn)營(yíng)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(gè)適合施工過(guò)程控制計(jì)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(guò)程，介紹了斜拉橋施工控制中的幾個(gè)特殊問(wèn)題及其處理技巧，通過(guò)一斜拉橋監(jiān)控的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(jì)算的索單元

在實(shí)際斜拉橋計(jì)算中采用普通梁?jiǎn)卧⑺髅鎲卧c更為精確的空間薄壁箱梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合的辦法，并根據(jù)計(jì)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(gè)結(jié)點(diǎn)i、j，它們與主梁(塔)單元結(jié)點(diǎn)的偏心分別為c1、c2(在橫向水平方向，假定兩根索對(duì)稱(chēng)于梁(塔)中心線，兩根索可合成并按一根計(jì)算)。單元結(jié)點(diǎn)位移向量和單元結(jié)點(diǎn)力向量與梁?jiǎn)卧嗤?。于是索單元局部坐?biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃嚰纯稍诹領(lǐng)z=0后按梁?jiǎn)卧接?jì)算。而索單元坐標(biāo)變換矩陣Rc的具體表達(dá)式為：

Rc=

(1)

1.2 混凝土收縮、徐變計(jì)算

混凝土梁的徐變系數(shù)可以按《公路橋規(guī)》公式計(jì)算。在實(shí)用計(jì)算中為了方便起見(jiàn)，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(shí)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(shí)間變化的，為了簡(jiǎn)化計(jì)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(jì)算類(lèi)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(duì)于梁來(lái)說(shuō)就是外荷載，在程序中可按等效結(jié)點(diǎn)荷載處理。

1.4 結(jié)構(gòu)的非線性影響

結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)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(dá)式為：

(2)

1.5 溫度力計(jì)算

溫度變化對(duì)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(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力。

1.6 參數(shù)誤差識(shí)別

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

2 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控

施工監(jiān)控中需要細(xì)致的觀測(cè)測(cè)試工作和大量計(jì)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(zhǔn)確的實(shí)施才能夠獲得理想的效果。

下面以某非對(duì)稱(chēng)獨(dú)塔斜拉橋(圖1)其中15#和16#兩個(gè)梁段的施工為例說(shuō)明每個(gè)梁段施工標(biāo)高控制的全過(guò)程。

圖1 非對(duì)稱(chēng)獨(dú)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(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的反饋、計(jì)算、綜合判斷和規(guī)律總結(jié)，確定出15#梁段15#測(cè)點(diǎn)的立模標(biāo)高理論值并提交施工單位使用。

(2)當(dāng)立模和鋼筋綁扎工作完成且立模時(shí)的牽索索力按要求張拉后，核查立模標(biāo)高是否滿(mǎn)足要求。

(3)如實(shí)際的立模標(biāo)高與立模標(biāo)高理論值的差異足夠小并滿(mǎn)足要求(如實(shí)際的立模標(biāo)高與立模標(biāo)高理論值的差異不滿(mǎn)足要求，則調(diào)整立模標(biāo)高使之滿(mǎn)足要求)，則進(jìn)行該梁段的混凝土澆注工作，同時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)在混凝土澆注過(guò)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(cè)量的時(shí)段實(shí)測(cè)澆注后主梁前端標(biāo)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(guò)程全部完成)，觀測(cè)梁上所有測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高和15#段的底板、頂板標(biāo)高，以判斷整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)及理論的立模標(biāo)高的準(zhǔn)確度和可靠度。

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

(7)按施工流程進(jìn)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(biāo)高、應(yīng)力及索力在施工過(guò)程中的變化值時(shí)有與理論值出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，但總的來(lái)說(shuō)這種偏差是小的和局部的，并在隨后施工的1～2個(gè)梁段內(nèi)即得以修正。且主梁應(yīng)力、標(biāo)高和索力的實(shí)測(cè)值在施工過(guò)程中變化的總趨勢(shì)始終與理論值相一致，表明在整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)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(biāo)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(biāo)高平均差異曲線

4 結(jié)論

通過(guò)施工監(jiān)控和對(duì)整個(gè)施工過(guò)程及設(shè)計(jì)參數(shù)的有效模擬，該橋主橋的施工過(guò)程達(dá)到了對(duì)斜拉橋線形和索力進(jìn)行雙控的目標(biāo)，且在施工過(guò)程中基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)線形和索力控制的一步到位。表明按以準(zhǔn)確立模為主要手段控制主梁線形，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確控制斜拉索初張力的的對(duì)線形和索力進(jìn)行雙控的總思路進(jìn)行施工監(jiān)控，不僅能很好的保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全度，同時(shí)能有效的實(shí)現(xiàn)雙控之目的。另外，從該斜拉橋主橋整個(gè)施工過(guò)程中的仿真計(jì)算結(jié)果和對(duì)索力、主梁標(biāo)高的實(shí)測(cè)結(jié)果，也驗(yàn)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(shí)測(cè)值誤差比較

[1] JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計(jì)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(jì)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(bào),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(guó)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