国内超大跨度钢斜拉桥上部结构施工控制探讨.pdf

1 o 8 中 外公路 第2 6 卷 第1 期 2 0 0 6 年2 月 文章编号： 1 6 7 1 2 5 7 9 ( 2 0 0 6 ) 0 1 -0 1 0 8 -0 5 国内超大跨度钢斜拉桥上部结构施工控制探讨 翟世鸿 。张照霞 ( 中港集团桥隧技术重点研究 室 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 1 ) 摘要 ： 超大跨径斜拉桥 的施工控制是上部结构施 工的难点和关键技术 ， 该文通 过对 国 外超大跨径斜拉桥施工控制经验的介绍 ， 对 国内超大跨度 钢斜拉桥施工控制 的方法进行 了探 讨并提 出了建议和方法 。 关键词 ： 超大跨径斜拉桥 ；钢斜拉桥 ；施工几何 控制 自 1 9 5 5年瑞典建成第一座现代化斜拉桥跨 径 1 8 6 2 i n的 s t r o ms u n d桥 以来 ， 至今 已有 5 o年 了， 斜拉桥的发展 ， 方兴未艾。 目前桥梁跨径不断增大： 已 建成的超大跨径斜拉桥有跨径 8 5 6 m 的法 国诺曼底 大桥 ， 跨径 8 9 0 m的 日本多多罗大桥； 正在建设 中的有 跨 径 1 0 1 8 m 的香 港 昂船 洲 大桥 ， 以及 江 苏 省 苏通 长 江大桥 ， 主跨 1 0 8 8 m， 大桥建成后将成为世界上最大 跨 径 的斜 拉桥 ； 目前 还 出现 了多跨斜 拉桥 ， 如希腊 里翁 桥 ， 为四塔多跨斜拉桥 ， 典型跨径为 5 6 0 m。 对于超大跨径斜拉桥 ， 施工控制是上部结构施 工 的难点和关键技术， 涵盖整个上部结构施工全过程 ， 涉 及到结构计算分析、 构件的预制 、 现场安装控制等各个 环 节 。 本 文 旨在介 绍 国外超 大跨径斜 拉桥 施工 控制 的经 验 ， 探讨 国内超大跨 度钢斜拉桥施 工控制 的原理和 方 法 。 分别采用线性加权综合评价法、 层次分析法、 模糊 综合评价法 3种方法对 以上 3种施工方案进行 比选， 比选结果为滑动模架法为最佳方案。现场施工也采用 了此方案 ， 目前该桥梁已顺利建成通车， 取得了 良好的 经济效益和社会效益。 6 体会和建议 ( 1 )桥梁施工方案如果仅依靠经验或单从技术的 角度进 行 比选是 不合 理 的 ， 可 能 导致 问 题失 真 和 决 策 失 误 ， 而应采 用科 学 的理 论 和 方 法 ， 多方 面 、 多 角 度 进 行综合决策。 ( 2 )方案评价系统 中最重要 的是建立指标体系 ， 只有基于科学、 完备、 合理 的指标体系， 决策才可能客 观 、 正确 。现 有的 指标 体 系对 于广 泛 的 工程 实 际 还 有 一 定的局限性 ， 需要在大量 的工程实例 中加 以改进 和 完善， 本文提出的桥梁施工方案评价指标体系对工程 收稿 日期 ： 2 0 0 5 1 o 一1 o 作者简介 ： 翟世鸿 ， 男， 工程硕 士， 高级工程师 实践有一定的借鉴意义。 ( 3 )虽 然 目前 多 目标 决 策 的 方 法很 多 ， 但 在桥 梁 施工的不 同时期 ， 正确选择适合的决策方法是关 系到 决策过程是否可行和决策结果是否准确的大 问题 ， 本 文对 3 种决策方法做 了比较， 并对其适用范围作了初 步 的界定 。 ( 4 )许多决策方法涉及专家 打分 ， 为提 高决策 的 准确性， 在选择专家成员 时， 应注意专家组人数 、 成员 的年 龄结 构和 知识 结 构 。另外 ， 层 次分 析 法 中 的一 致 性检验可在一定程度上消除人为因素对决策的影响。 参 考文献 ： e l i 邱训兵多 目标决策方法在桥 梁施工 方案 比选 中的应用 d 中南 大学硕士学位论文 ， 2 0 0 4 e 2 李一智 ， 徐 选华商务决 策数量 方法 e m3 北京 ： 经济科 学 出版社 ， 2 0 0 3 维普资讯 1 期 多目标决策方法在桥梁施工方案比选中应用的探讨 1 0 9 度不够所致 。同时构件及接口制造尺寸的随机误差也 1 目前 国内外斜拉桥施 工控制常采用 是 必须 认真 考 虑的因 素。 的方法简介 2 世界大跨度斜拉桥 几何控制 的案例 目前国内外斜拉桥的施工控制方法主要有最小二 乘法 、 卡尔曼滤波法、 无应力 长度法和 自适应控制法 等 ， 国内有学者将其总结为开环控制 、 反馈控制和 自适 应控制。目前 国内的施工控制方法大多是采用 自适应 控制法， 在施工过程中采用索力和标高双控， 同时以结 构的内力作为安全校核 ， 对于索塔的受力和变形控制 、 索塔受 日照温差影响的分析 、 风荷载对塔顶位移的影 响、 整个施工阶段主梁风致振动的控制、 船舶撞击 的防 范控制等都未作为控制 因素。国内采用以上方法进行 控制的最大跨 径钢斜拉桥为南京长江三桥 ( 主跨 6 4 8 m) 。 由于超大跨径斜 拉桥结 构的非线性效应非 常明 显 ， 结构的受力特点可能因量变而产生质变， 传统 的控 制方法就显得很困难。因此要同时重视以往未作为重 点控 制对象 的部 位或 因素 。 鉴于此， 国外提 出了几何控制的概念 。几何控制 法的原理为： 严格控制节段预制或制造尺寸， 严格控制 各安装阶段几何 目标线形 ， 及时纠正施工误差 ， 使每一 阶段预制或安装处于受控状态， 使每个施工 阶段的几 何线形能达到预计的 目标几何线形。 目前国外的几何控制方法主要有两类 ： 第一类 ： 施工严格遵守所有预先制定 的步骤和程 序， 精确测定所有参数， 依照绝对固定线形和尺寸来建 造。这种方法 的风险是 ， 当施工线形和预先确定线形 出现偏差时 ， 很难找出产生偏差 的原 因。如果频繁地 调整线形， 那么前期严格制定 的施工程序 和要求的施 工 精 度必将受 到影 响 。 第二类 ： 施工 、 测量和设计三方就相关的几何线形 在施工期间密切配合， 根据 已施工节段 的情况仔细地 安装下一个节段， 当全桥完成时 ， 通过调整所有的斜拉 索将建造的全桥线形矫正到与 目标线形相吻合 ， 同时 注意避免设计 中没有考虑到的意外荷载对结构 的影 响。这一类控制方法， 其结构所受荷载不像第一类那 样预先准确确定 ， 在施工过程 中的几何控制和中间阶 段分析仅仅是为了消除大的偏差。 几何控制法亟待解决的关键问题是 ： 如何 准确 预 测与时效有关的现象 ， 如 ： 基础的固结以及混凝土的收 缩徐变等。因为 比较桥梁实测线形 和计算线形 ， 二者 之间的差异也许是由于混凝土收缩徐变计算模型的精 2 1 法 国诺曼 底大桥 法国诺曼底大桥跨过 塞纳河 ， 主跨 为 8 5 6 m( 图 1 ) 。桥塔和相邻桥墩之间的边跨长 9 6 m。主跨 中有 2 节 1 1 6 m的钢筋混凝土悬臂梁， 其余 6 2 4 1 2 “1 是钢梁。 图 1法 国 诺 曼 底 大 桥 ( 1 )钢筋混凝土梁段监控方法 监控的详细过程如图 2所示 ， 安装分 析考 虑了各 个阶段的安装顺序、 收缩 和徐变的时效 和钢索 的大变 形及非线性等方面 的问题 。在安装分析 中， 温度测量 值不是输人数据 ， 只用于复核检查 以便发现偏差。在 比较过程 中， 对安装分析模型的精度进行检查 ， 然后进 行预测。利用当前安装周期的环境 、 几何 形状及后续 安装阶段理论上的变化预测出完成阶段时桥梁最终的 几何 形状 。 安装 分析过程如图3 所示 。 其 中短期 分析是根据 图 2 监控 过程示意图 模板调整 斜拉索张拉计划 图3 几何安装分析过程 维普资讯 1 1 o 中 外公路 2 6卷 前面的测量值与理论值进行 比较， 以发 现其结构的几 何变化 。短期分析以发现钢索拉力分析结果与实际情 况之间的差异 。长期分析是检查桥梁随时间变化的几 何稳定性。按照当前安装周期所设计 的几何形状来预 计将来施工结束 时的几何形状 。长期分析可以发现任 何偏离的趋势， 如 ： 不正常的徐变规律导致 的偏离， 或 主梁的平均重量不同于最初的估计而导致的偏离等。 ( 2 )主跨钢梁节段监控方法 主跨钢梁节段是通 过现场试拼来控制几何 形状 的 。试 拼 时 ， 每个 梁段放 在 4个支 点上 ， 梁段 被认 为处 于无应力状态。在梁段接头处沿主梁 的横 断面定出 1 6个点 ， 梁段安 装定 位和焊 接 时 ， 测 量 这 1 6个点 之 间 的缝 隙宽度 。 并与试 拼 时的相 应值做 比较 。 ( 3 )获得 的经验 和建议 最好的方法是通过指定斜拉索 的长度设置拉 力 。即基本参数是控制斜拉索长度， 但 在施工期 间必 须控制钢索的拉力 ， 以便观察可能的误差 ； 在典型梁段的安装周期中， 在梁段 主要承受轴 力而弯曲影响较小的情况下进行测量 ， 即在刚张拉完 即进行 测量 ， 效果更 好 ； 在进 行 测量 时 ， 记 录 主梁 上 的荷 载 ， 包 括 荷 载 作用位置、 大小和作用时程； 环境温度 、 某些结构单元内的温度和风速与其 他 数据 同时测 量 ； 测 量 新 安 装 的索 中 的拉 力 并 与 预 计 值 比较 。 同时测量其他索 中的拉力 ； 每个安装周期都 有精确 的桥梁几何形状测量 记 录 ( 主梁 的线 形 和塔顶 的变形 ) 。 2 2 日本 多多罗大 桥施 工的 几何控 制 ( 1 )概述 日本多多罗大桥是钢筋混凝土混合斜拉桥， 主跨 长 8 9 0 m， 主跨为一个三室钢箱梁结构 。边跨 为钢箱 梁和混凝土箱形梁结构。最终几何控制是通过对包括 斜拉索在内的单元的长度的控制取得的 ， 而不是根据 所安装 的斜拉索的设计荷载获得 。 ( 2 )几何控制的程序( 图 4 ) 其几何控制的关键点是 ： 仅作 出调整悬臂末端斜 拉索的计划 ； 通过在斜拉索锚固处填人垫片 以调整斜 拉索长度 ； 因为主梁刚度太大， 对混凝土边跨主梁几何 形状作出调整是不可能的； 徐变效果忽略不计 。 ( 3 )结论及 建议 桥面板部件长度 ： 在 中跨 位置 ， 2 mm l o m 的 桥面板长度可影响 3 2 0 mm 的桥面板高度 ， 而对索拉 力影 响不 大 ； ： 工场测量尺寸资料： 塔柱高度( 累积) ；钢箱 粱长度( 累积) ； 梁段 长度( 实测) ； 斜 拉索长度( 规 定长度 计算垫片厚度 安 装斜拉索 i误差 因素测量： -斜支撑轴 向力； ： 梁体平直度； 粱体长度； ： 实地焊接收缩； 梁体重量( 预制重量) ； ： 拉索重量 监控项 目测量( 每个安装阶段) ： 塔倾斜 度； 梁 体预拱度； 斜 拉索张拉力； 桥体 温度 采用垫 片厚度 调整拉 误差计算， 温度收集 看 逞 足 苎 下一安装阶段 图 4几 何 控 制 流 程 图 斜拉索长度： 对桥面板几何控制有重大影响 ； 桥 面 板 的垂 直 度 ： 局 部 误 差 很 难修 正 ， 但 对 局 部及整体来说均影响不大； 自重 ： 钢结构部分每增加 5 9 6 的重量 ， 中跨就会 产生 1 7 0 mm 的垂 直 变 形 ， 而斜 拉力 也 会 产 生 2 3 9 6 的变化 。需对 自重误差作出统计 ， 以确定缆索拉力 所产 生 的变化 ； 主跨闭合 ： 闭合桥面板所需的力较小 ， 所产生 的局 部效应 可 能会很 大 ； 桥 面板 及 桥 塔 的刚 度 ： 桥 面 板 、 桥塔 的 弯 曲刚 度及轴向刚度若存在 5 的差异 ， 对部件综合力及变 形的影响不大 ； 斜拉索刚度若存在 1 的差异 ， 其影响 也不 大 。 现场施工时， 在桥塔悬臂平衡时因 吊装架重量引 起结构 向主跨方 向倾 斜。在悬 臂平衡 阶段 ， 斜拉索不 做调整 ； 在完成边跨之后 ， 主跨悬 臂端 向上翘起 ， 最终 中跨标高将超出误差允许范围， 通过调整混凝土边跨 上 的斜拉索修正其几何形状 ； 在施工期间， 主梁悬臂端 的最大垂直变形超过 2 m； 主梁 中跨 的最终标高超过 其设计标高 1 5 0 mm。 由于主梁合龙段 的缺陷， 跨 中最终 的实际标高超 过设计标高 1 5 0 mm。局部超过设计标高 5 0 mm。引 起这个误差的原 因可能是由于钢板缝隙 ， 为了焊接， 用 气体切割加宽了焊 口根部的缝 隙， 使钢板的缝 隙调整 维普资讯 1 期 国 内超 大跨 度钢 斜拉桥 上部 结 构施 工控 制探 讨 1 1 1 了 3 mm。这是因为在高温环境下 ， 主梁受热膨胀 ， 会 造成缝隙减小 。 2 3 希腊里翁桥 希腊里翁桥位 于希腊科林斯湾西端， 是一座有 4 个桥塔的斜拉桥 ， 典型跨度为 5 6 0 1t i 。主梁结构是 由 两条 2 2 1 t i 高的纵向钢板梁 和横 向钢板梁形成 的框 架组成( 图 5 ) 。 图 s希 腊 里 翁 桥 施 工 照 片 里翁桥的几何控制方法较成功 。最为成功的是在 主梁各节段装配时， 为控制几何形状所采用 的激光束 扫描法。通过此方法使主梁线形与试拼的几何形状的 偏离和降至最小 。 主梁安装时监控方法是用两台带有 g e o mo s 软件 的 t c a2 0 0 3全站仪 ， 并在桥塔肢上安装微型棱镜。 在控制过程 中一个重要 的经验是， 主梁节段 的实 际重量往往 比设计计算值重 2 5 。该桥在安装 完第 6节梁段后 ， 悬臂端部几乎低于安装控制线 以下 1 r l l 。此 时对还 未 安 装 的梁 段进 行 了测 重 ， 然后 对 分 析模型进行了调整， 这样实测线形才与计算线形基本 一 致 。 3 国内大跨度桥 梁施 工控制 方法探 讨 ( 1 )国外大跨度桥梁施工控制经验对 国内大跨度 桥梁的借鉴意义 目前我国正在建造两座世界上主跨超千米的斜拉 桥苏通长江大桥和香港昂船洲大桥 ， 这两座超大 跨径斜拉桥 ， 将是世界斜拉桥发展的一个里程碑， 借鉴 国外大跨度桥梁施工控制经验显得非常有意义。由于 大跨桥为高次超静定结构， 跨度大， 主梁刚度小、 变形 大 ， 非线性影响明显， 在施工过程中不可避免地存在对 施工质量影响的各种误差 ， 而超大跨度斜拉桥的这种 误差更加明显 ， 研究和应用斜拉桥施工控制技术中的 控制理论 、 线形测量技术 、 应力 、 索力 、 温度测试分析技 术 、 误差分析和调整手段等对 国内超大跨度斜拉桥施 工具有重要的参考意义 。 ( 2 )几何控制的思路探讨 从以上的案例可以看 出， 国外对于超大跨度桥梁 ， 基本上采用的是几何控制法 ， 而这种方法在 国内却极 少用到， 可能与国内在斜拉索长度的控制 、 索弹性模量 的均匀稳定性 、 钢箱梁的加工制造精度等方面难以达 到要求有关 。而几何控制法的关键是通过控制塔上锚 固点和梁端锚固点之 间的空间位置 ， 从而精确地控制 主梁 的安装 线形 。 在此有必要总结 国外几何控制方法的优点 ， 并进 行扩充和完善 ； 从而持续而有效地采用预测 一核实 一 纠偏的作业过程来保证实现 目标线形。具体为： 根据实测结果反馈数据 不断地更新节段安装 分 析模 型 ； 更好地掌握环境 因素的影响； 在每一个施工阶段完成后对结构节段安装 分 析模型进行校准； 重新计算从 当前 的监测循环到桥梁竣工各阶 段的预测结构状态和桥梁的几何线形 ； 重新计算后面每个安装 阶段 的斜拉 索的张拉 力 及索 长 。 因此 ， 施工的几何控制和安全性控制将通过采用 在施工计划 阶段 、 构件预制 阶段和施工安装阶段的一 体化步骤来 达到 ( 图 6 ) 。 目的是保证 即使 桥梁跨度 大 、 影响因素复杂， 竣工时桥梁的几何线形仍将与基准 线形( 桥梁结构的目标线形) 一致 ， 并尽可能减少斜拉 索调整张拉的次数 。 以上 3 个 阶段均为动态控制 ， 每个 目标 线形 的实 现都要通过计划 、 实施 、 测量 、 纠偏 4个环节来保 证。 并通过计算机模拟和预测本阶段的纠偏结果对下一个 阶段 的影 响 。 以上的工作循环需要非常严格、 少界 面和非常有 效的管理系统 。这就需要采用最具创新性的、 先进可 靠的仪器设备采集监测数据 ， 实现有效快速的“ 测量一 分析一更新” 的操作周期。因此对于超大跨度桥梁， 开 发数据的 自动化实时采集和处理 系统 ， 加快数据的处 理 过程 ， 显得 非 常必要 。 ( 3 )国内超大跨度桥梁几何控制的建议 根据 国外大跨度桥梁的施工控制经验 ， 施 工控制 实施过程应主要控制梁长、 索长、 索在梁和塔上的锚 固 位置以及梁、 索重 ， 并保证足够 的精度， 把控制工作 由 安装现场提前到构件制造厂。具体建议如下 ： 施工控制以每一阶段构件的结构尺寸、 桥面标 高控制为主 ， 索力的测量仅做参考， 不用于精度控制； 维普资讯 1 1 2 中 外公路 2 6卷 桥梁几何线形控制 计划阶段 参考线形 的分析、 拉索张力， 构件预拱度优化 计算构件预制尺寸 、 斜拉索无 应力 长度 逐段安装分析 目标线形 构件预制阶段 各段构件匹配制造 预制构件试拼 累积误差控制和补偿 安装阶段 节点几何控制对接设备， 调整设备 对接调整 几何线形周期性测量和环境条件测量 分析温度和风荷载修正并更新模型 对 比修正 的测量模型与 目标模型 计算最佳的后续 索力调整 图 6 几何控制方法 的 3个阶段流程图 塔高误差、 塔柱 的压缩量、 梁长误差和焊缝收 缩量及实际拉索在塔 、 梁处锚固位置的误差对桥面的 竖向线形影响非常敏感 ， 应作为施工控制的主要 因素； 拉索长度的误差对桥 面的竖 向线形影响非常 敏感 ， 拉索在塔、 梁处实际的锚 固位置误差和拉索的长 度实际误差通过拉索锚头垫片的厚度进行调整 ； 梁段、 塔柱温度变化影响梁、 塔的几何线形 ， 并 影响拉索的锚 固位置， 因此对梁段、 塔柱的温度测量应 准确 ， 各施工阶段的测量应在黎明前进行 ， 以消除温差 造成 的与设计 值 的偏 离 ； 施工 中温度 、 风荷载的影响、 混凝土塔的收缩 和徐变 、 基础沉降等应在每一个施工 阶段的分析模 型 中进行修正； 施工过程中已安装的拉索原则上不再调整 ， 如 果中跨合龙后的梁段标高超过 了设计值 ， 可调节拉索 的长度使最终的梁段标高达到设计值范围； 钢梁段横向的平直度应该密切控制 ， 并在工厂 制造时通过匹配控制法在预拼时实现 ， 因为梁段 的平 直度 会 引起局部 不平直 ； 钢箱梁 自重误差对线形影响很 大， 每一阶段需 根据钢箱梁 自重进行计算模型更新 ； 建立 自动化监测系统 ， 加快监测数据 采集速 度， 提高监测频率 。 4 结 语 对于超大跨径钢斜拉桥采用几何控制的思路 ， 虽 然在理论上具有先进性 ， 然而实际控制过程 中， 由于结 构规模的庞大， 影响误差的因素众多， 对各种误差的敏 感性分析非常重要 ， 同时 ， 敏感性分析也是 难点。因 此， 以上的控制思路 ， 需要在国内超大跨度斜拉桥的实 际控制过程中加以研究 、 检验和完善。 参考 文献 ： 1 石雪飞 ， 项海 帆斜拉 桥施 工控 制方 法 的分类 分析 j 同济大学学报 ， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 1 ) 2 mvi r g u e x e t a 1 d e s i g n o f t h e n o r ma n d i e b r i d g e pr o c e e d i n g s o f t h e i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n c a b l s t a y e d a n d s u s p e n s i o n bri d g e s ，l ap se，1 9 9 4 ( 1 ) 3 nhi r a h a r a e r e c t i o n o f s u p e r s t r u c t u r e o f t a t r a b r i d g e ( re p o r t