崔立恒,宋濤,連光煒,郭志豪,陳平達(dá)

1.山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250021;2.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357

0 引言

橋梁工程中頂推施工速度較快,設(shè)備簡(jiǎn)單,噪聲低,在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土等截面連續(xù)梁橋和斜拉橋梁的施工中應(yīng)用廣泛[1-4]。頂推施工的關(guān)鍵步驟是確定梁體的拼裝線形,直接決定頂推結(jié)束后的梁體成橋質(zhì)量[5-8]。梁鵬等[9]以蘇通長(zhǎng)江大橋?yàn)槔?討論設(shè)計(jì)線形、成橋線形、無(wú)應(yīng)力制造線形及安裝線形間的關(guān)系,采用大循環(huán)迭代法和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法求解安裝線形。Sasmal等[10]采用基于傳遞矩陣法的頂推施工確定梁體線形。秦順全[11]提出無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法頂推施工,以無(wú)應(yīng)力曲率和無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)作為橋梁施工的基本控制參數(shù)。李喬等[12]基于幾何控制方法提出了橋梁全過(guò)程自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)。顏東煌等[13]基于橋梁全過(guò)程自適應(yīng)無(wú)應(yīng)力構(gòu)形控制思想,推導(dǎo)考慮影響安裝線形的主梁設(shè)計(jì)參數(shù)偏差、焊縫收縮差及溫度影響等調(diào)整公式,及節(jié)段主梁實(shí)時(shí)放樣精確定位公式。董創(chuàng)文等[14]提出考慮相位變化和組拼高程偏差的頂推梁體無(wú)應(yīng)力線形的計(jì)算方法。李傳習(xí)等[15]提出基于相位變化的頂推曲梁橋自適應(yīng)無(wú)應(yīng)力構(gòu)形的計(jì)算方法。林建平等[16]以槽型組合梁為研究對(duì)象,提出基于傳遞矩陣確定梁體安裝線形的方法。Sampaio等[17]將三維虛擬技術(shù)應(yīng)用于橋梁頂推線形觀測(cè)中。頂推梁體拼裝線形以相位變化和傳遞矩陣等方式控制梁體拼裝線形,但其存在應(yīng)用不便或未能修正梁體拼裝線形偏差等諸多不足。

本文提出基于傳遞矩陣和拼裝角偏差推導(dǎo)頂推梁體安裝高程的計(jì)算方法,以兩梁體間的拼裝角為控制參數(shù),明確傳遞關(guān)系,即時(shí)修正梁體線形偏差,以期實(shí)現(xiàn)拼裝線形和理論制造線形的統(tǒng)一。

1 基于傳遞矩陣法和拼裝角偏差的梁體頂推線形控制

頂推施工是指在拼裝平臺(tái)上完成梁體拼裝,再采用頂推設(shè)備將拼裝梁體向前頂推一段距離,在拼裝平臺(tái)上完成下節(jié)段的梁段拼裝。重復(fù)以上步驟,完成整個(gè)梁體的頂推。為描述方便,將未完成拼裝的梁體定義為待拼梁段,已拼裝完成的梁體定義為已拼梁段。

根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)理論,將待拼梁段和已拼梁段視為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)[11]。為保障頂推施工質(zhì)量,需保證頂推施工結(jié)束時(shí)梁體的無(wú)應(yīng)力線形與理論制造無(wú)應(yīng)力線形一致。在頂推過(guò)程中,已拼梁段的無(wú)應(yīng)力線形不變,即在梁體拼裝平臺(tái)上保證梁體間的拼裝角滿足制造線形曲率?；陧斖剖┕?提出確定待拼梁段拼裝高程的方法。鋼梁拼裝多為夜間作業(yè),設(shè)溫度場(chǎng)恒定,或溫度場(chǎng)對(duì)梁體拼裝的影響可忽略不計(jì)。

1.1 兩相鄰梁體間的傳遞矩陣

設(shè)有n段頂推梁,各梁段長(zhǎng)li(i=1,2,…,n),待拼梁段高程為Hi,待拼梁段前、后高程差為ΔHi,水平傾角為θi,則兩相鄰梁體的夾角Δθi=θi-1-θi,在各施工階段S,兩相鄰梁段的拼裝示意圖如圖1所示。

圖1 兩相鄰梁段的拼裝示意圖

頂推鋼梁的施工狀態(tài)主要有理論無(wú)應(yīng)力制造線形N、預(yù)拼裝線形(用于確定鋼梁理論拼裝位置)C和實(shí)際拼裝線形A等線形狀態(tài),可用Δθi、ΔHi和li描述梁體的線形狀態(tài),分別采用Φi-1=[Hi-1li-1]T、Φi=[Hili]T描述已拼梁段i-1和待拼梁段i的線形狀態(tài)。

根據(jù)傳遞矩陣的概念[10],梁段i的拼裝傳遞方程為:

Φi=TiΦi-1,

(1)

考慮梁體線形修正后梁段i的預(yù)拼裝傳遞方程為:

(2)

1.2 1#鋼梁拼裝高程及拼裝角偏差計(jì)算

圖2 1#鋼梁拼裝及拼裝角偏差示意圖

根據(jù)幾何關(guān)系,可得

1.3 梁段i的拼裝高程及梁體線形偏差

頂推(i-1)#段梁體前移一段距離后,梁體由待拼梁段變?yōu)橐哑戳憾?。此時(shí),梁體的無(wú)應(yīng)力線形保持不變,可視為梁體隨1#梁段做剛體運(yùn)動(dòng)。

圖3 待拼梁段i#拼裝及拼裝角偏差示意圖

根據(jù)已拼梁段i#的梁體前、后梁段高程及式(1)(2)計(jì)算可得待拼梁段i#的傳遞方程為:

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某雙塔三跨矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)為145 m+240 m+145 m,如圖4所示。主梁為單箱三室鋼箱梁,鋼箱梁高4.80 m,寬28.50 m,橋面設(shè)有坡度為2%的橫坡,底板水平,箱梁橫斷面如圖5所示。鋼箱梁全長(zhǎng)530.00 m,有56個(gè)節(jié)段,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)9.60 m,最長(zhǎng)節(jié)段長(zhǎng)13.00 m。采用頂推法拼裝主梁,經(jīng)19輪次頂推作業(yè)完成梁體拼裝,頂推長(zhǎng)462.80 m,鋼導(dǎo)梁長(zhǎng)45.10 m,布設(shè)5個(gè)臨時(shí)墩,根據(jù)成橋標(biāo)高設(shè)置墩頂標(biāo)高。

單位:m。 圖4 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖

單位:m。 圖5 箱梁橫斷面圖

2.2 梁體理論無(wú)應(yīng)力制造線形

此橋鋼箱梁的無(wú)應(yīng)力制造線形為變曲率豎曲線,采用矩形法確定梁體制造線形,梁體上、下焊縫寬度差如表1所示。

表1 典型梁段上、下焊縫寬度差

由表1可知:梁體無(wú)應(yīng)力制造線形的平均焊縫寬度差約為3.00 mm,受梁體高度及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件制約,采用矩形法現(xiàn)場(chǎng)拼裝梁體。

2.3 待拼梁段高程確定

可編程計(jì)算后續(xù)梁段的拼裝參數(shù),以SC8～SC11節(jié)段為例,結(jié)果如表2所示,其余梁段做類似處理。

表2 SC8～SC11梁段的拼裝參數(shù)

2.4 后續(xù)梁體線形控制結(jié)果

已拼梁體頂推到某一工況下,根據(jù)梁體實(shí)測(cè)線形扣除自重作用下的撓度曲線,得到梁體的無(wú)應(yīng)力線形,與理論無(wú)應(yīng)力線形的偏差如圖6所示。由圖6可知:梁體的實(shí)測(cè)無(wú)應(yīng)力線形與理論無(wú)應(yīng)力線形高度吻合,絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的偏差小于10 mm,可實(shí)現(xiàn)梁體的高精度拼裝。

圖6 某工況下梁體無(wú)應(yīng)力線形與理論線形偏差

3 結(jié)束語(yǔ)

1)基于傳遞矩陣法和拼裝角偏差,提出梁體拼裝高程的計(jì)算方法,以拼裝角及其偏差為控制量,采用傳遞矩陣計(jì)算梁體待拼高程,實(shí)時(shí)修正因拼裝偏差、大氣溫度變化及焊接殘余變形等引起的拼裝角偏差,使梁體拼裝線形與理論制造線形基本一致,采用自編程序即可計(jì)算拼裝參數(shù),簡(jiǎn)單直觀。

2)頂推梁體拼裝高程的計(jì)算方法可保證已拼梁體和待拼梁體間的無(wú)應(yīng)力線形與梁體理論制造線形統(tǒng)一,保證梁體頂推結(jié)束成橋后的梁體無(wú)應(yīng)力線形與理論線形統(tǒng)一。此方法還可用于確定大節(jié)段拼裝和懸臂拼裝等施工梁體線形。

上述研究基于溫度恒定狀態(tài),在實(shí)際梁體拼裝工作中,一般需考慮溫度場(chǎng)的影響,下一步研究將考慮沿腹板高度方向上的溫度梯度變化。