大跨度钢斜拉桥的施工监控及其目标精度值

第16卷 第1期 2003年1月 中 国 公 路 学 报 China Journal of H ighway and Transport Vol116 No11 Jan.2003 文章编号: 100127372(2003)0120054204 收稿日期: 2002201227 作者简介:郝 超(19732 ), 男,安徽萧县人,工学博士后. 大跨度钢斜拉桥的施工监控及其目标精度值 郝 超1, 2 (1 1 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310027; 21 浙江鼎盛交通建设有限公司,浙江 绍兴 312069) 摘 要:结合南京长江第二大桥南汊桥的施工监控,就大跨度扁平钢箱梁斜拉桥施工监控的内容与 方法、 施工监控目标精度值进行探讨。 关键词:桥梁工程;钢斜拉桥;施工监控;扁平钢箱梁;目标精度值 中图分类号:U 448127 文献标识码 :A Construction control and control precision goal of long-span steel cable-stayed bridge HAO Chao 1, 2 (1 1School of A rchitectural Engineering, Zhejiang U niversity, Hangzhou 310027, China; 21D ingsheng T ransportation Construction Company of Zhejiang Province, Shaoxing 312069, China) Abstract: Combined w ith the construction control of N anjing Second Yangtz R iver Bridge, the contents and methods of construction control, the control precision goal of long2span flat steel box2shaped girder cable2stayed bridge are discussed in this paper. Key words: bridge engineering; steel cable2stayed bridge; construction monitor and control; flat steel box2shaped birder; goal precision of construction control 0 引 言 斜拉桥是由斜拉索、 加劲梁和桥塔组成的一种 桥面体系以加劲梁受压或受弯为主、 支承体系以斜 拉索受拉、 桥塔受压为主的组合体系结构,它能使材 料充分发挥各自的特长,这一特点使斜拉桥成为大 跨度桥梁中最具竞争力的桥型之一。随着技术水平 的提高,斜拉桥的跨度不断增大,结构型式也愈趋复 杂,工艺越来越先进。 但斜拉桥的施工监控却是一项 比较困难的任务,尽管可以采用倒退分析、 前进分析 方法,从期望的成桥状态计算出每一施工状态的索 力、 结构内力和主梁挠度,但是按理论计算给出的索 力进行施工时,实际结构的每一状态未必能达到设 计值,即存在一定的误差。 这不仅影响桥梁美观和行 车舒适,同时也使桥梁的最终内力状态偏离设计值, 影响桥梁使用寿命。而且为纠正线形往往会给施工 带来较大的麻烦。为确保大跨度斜拉桥施工安全顺 利,现在施工监控越来越受到广大桥梁建设工作者 的重视。 大跨度斜拉桥施工控制的任务就是根据施工全 过程中实际发生的各项影响桥梁内力与变形的参 数,结合实测的内力与变形数据,随时分析各施工阶 段主梁内力、 变形与设计预测值的差异并找出原因, 提出修正对策,以确保在全桥建成后桥梁的内力、 外 形曲线与设计尽量相符。 斜拉桥在施工过程中,甚至 在成桥运营后,都可以充分利用斜拉索的 “主动受 力” 特征,通过张拉斜拉索实现对主梁线形、 结构内 力的调整。 广东九江大桥在通车两年后的运营中,就 成功地实现了调索,以消除混凝土徐变影响,改善结 构内力状态。笔者结合近年来参加的南京长江第二 大桥南汊钢斜拉桥的施工监控,就大跨度钢斜拉桥 施工监控的内容与方法、 施工监控目标精度值的确 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 定进行探讨。 1 工程概况 南京长江第二大桥地处长江南京段的八卦洲汊 道,位于现长江大桥下游11 km处,分为南北两汊, 其中南汊主桥为五跨连续钢箱梁斜拉桥,跨径布置 为: 5815 m + 24615m + 628m + 24615m + 5815m , 是目前中国最大跨度斜拉桥,居世界第三位,也是中 国第一座采用扁平流线形闭口钢箱梁作加劲梁的斜 拉桥,图1为南汊桥整体布置。 南汊桥斜拉索为双索 面扇形布置,采用高强度平行钢丝外挤包高密度聚 乙烯形式拉索,标准索距15 m ,最大索长33318 m , 重2617 t,斜拉索锚固于钢箱梁腹板外侧的钢锚箱 上。 桥塔高195141m ,为分离式倒Y形混凝土索塔。 主梁断面为扁平流线形闭口钢箱梁,其上翼缘为正 交异性板结构,中心线处箱梁内净高315 m ,横向设 2%双向横坡。箱梁顶板宽3316 m ,包括风嘴全宽 3812 m。箱梁设置两道纵隔板,其中辅助跨及塔下 无索区为实体式纵隔板,其余均为桁架式。 桁架式纵 隔板上、 下弦杆为T形截面,斜杆为 5203 mm圆钢 管。箱梁横隔板间距3175 m ,在斜拉索锚固处横隔 板局部加厚至12 mm ,其余为10 mm。 图1 南京长江第二大桥南汊斜拉桥总体布置?m 南汊斜拉桥采用悬臂施工,边跨合龙前为对称 悬臂拼装,边跨合龙后,为中跨单悬臂拼装,其中过 渡墩至辅助墩部分,梁段采用支架法施工。 钢箱梁架 设时,在辅助墩及主、 引桥过渡墩间架设支架,并将 支架向江中延伸,与临时墩相连,利用浮吊将边跨各 相应梁段起吊至支架上,然后向主、 引桥过渡墩侧纵 向移动,就位后与前段箱梁焊接,直至辅助跨完成。 2 施工监控内容与方法 斜拉桥是内部高次超静定结构,它对成桥线形 有较严的要求,每个结点坐标的变化都会影响结构 内力的分配。 桥梁线形一旦偏离设计值,势必导致内 力偏离设计值。 而主梁、 桥塔和拉索之间刚度相差十 分悬殊,受拉索垂度、 温度变化、 风力和日照温差、 施 工临时荷载、 混凝土收缩徐变等复杂因素干扰,使力 与变形的关系十分复杂。在施工计算中虽然可以采 用多种方法,算出各施工阶段的索力和相应的梁体 变形。但按理论计算所给出的索力、 线形进行施工 时,结构的实际变形却未必能达到预期的结果。 这主 要是由于设计时所采用的计算参数、 施工临时荷载 条件等与实际工程中所表现出来的不完全一致所引 起的。斜拉桥在施工中表现出来的这种理论与实际 的偏差具有累积性,如不加以及时、 有效地控制和调 整,随着主梁悬臂施工长度的增加,主梁标高最终会 显著偏离设计目标,造成合龙困难,并影响成桥后的 内力和线形。 因此,斜拉桥施工监控是保证斜拉桥达 到设计要求的重要手段。 斜拉桥施工监测监控是一个 “施工测量计 算分析修正预告” 的循环过程,最根本的要求是 在确保结构安全施工的前提下,要做到主梁线形和 内力符合设计规定的允许误差范围。而测量是施工 监控中的重要环节,它包括几何指标参量的测量和 力学指标参量的测量两部分。 211 几何参量测量 几何参量测量主要测试桥塔偏位及主梁线形。 桥塔偏位测量包括桥塔在顺桥向和横桥向两个方向 变位值的测量,测量方法可以采用天顶基准法、 投影 法、 测距法等,仪器可采用经纬仪和全站仪。测量成 果可以提供塔柱在日照下随温度变化发生纵横桥向 偏移的曲线以及在主梁施工过程中塔柱的变位值。 主梁线形测量包括高程测量和中线测量。为消 除日照温差引起的梁体不规则变化,线形测量应选 择在温度变化小、 气候稳定的时候进行,测量工作持 55第1期 郝 超:大跨度钢斜拉桥的施工监控及其目标精度值 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 续的时间越短越好。主梁线形测量结果提供主梁在 各施工阶段的高程实测值和中线实测值;提供主梁 线形随温度变化关系的曲线,以随时掌握主梁温度 变形的影响。 212 索力测量 拉索索力测量的准确与否直接关系到主梁的线 形与结构内力,因此在施工中必须确保索力测试结 果正确可靠。 索力测量一般采用脉动法,利用附着拉 索上的高精度传感器拾取拉索在环境振动激励下的 振动信号,经过滤波、 放大和频谱分析,再根据频谱 图来确定拉索的自振动频率,然后根据自振频率与 索力的关系确定索力。对大跨度斜拉桥,由于索长、 自振动频率低,用脉动法测试采样时间长、 环境干扰 大,现在有些单位采用磁通量法测试索力,利用小型 磁电传感器,通过测定磁电传感器中的磁通量变化 来推算索力变化。南京长江二桥南汊桥安全监测系 统就采用磁弹仪进行索力测试。还有一些学者提出 用光纤测试索力,通过索力变化时,光纤传输途径的 变化来推算索力1。 213 温度与应力测试 钢材导热性能好,对温度变化比较敏感。 温度的 影响总体上可分为两种:一是昼夜温差;二是季节温 差。其中对桥梁结构影响较大的是昼夜温差产生的 主梁顶、 底板温差。因此,施工时应在主梁中埋设温 度传感器,一般是采用热敏电阻,以提供索、 梁、 塔各 测试断面的温度短期变化曲线、 季节性温差变化曲 线。斜拉桥的应力测试包括主梁安装应力和桥塔施 工应力监测,主要目的是了解梁塔控制截面的应力 状况,并对梁体重量及其它荷载变化情况进行判断, 确保结构施工安全。测试仪器一般采用振弦式应力 传感器,也可以采用差动式应变计。 现在一般是一个 仪器中同时包含温度与应力传感器,这样在测试应 力的同时,还可以测试截面的温度。 214 施工控制方法与标准 针对斜拉桥施工中的各种误差,各国学者进行 了广泛研究,结合现代控制论,相继提出了最小二乘 法、 卡尔漫滤波法、 无应力长度控制法、 自适应控制 法等多种控制方法,大桥工程局的文武松将其归纳 为三类:开环控制、 反馈控制和自适应控制。 关于斜拉桥施工控制标准问题,对混凝土斜拉 桥而言,由于混凝土容许应力水平低,应力调整范围 小。 而用悬臂法施工时,可以通过立模标高实现对梁 端标高与转角的较大调整。 因此,混凝土斜拉桥施工 时应以应力控制为主,确保结构内力不超限,同时兼 顾主梁线形。而对钢斜拉桥而言,其悬臂施工时,不 能像混凝土主梁那样实现梁端标高与转角的较大调 整:全焊接接口钢箱梁可以通过焊缝宽度来实现梁 端标高与转角的微小调整,而全栓接接口钢箱梁,基 本不能进行调整。 但钢的容许应力水平高,且施工阶 段主跨合龙前,结构刚度相对较小,对主梁线形调整 较容易。因此,对钢斜拉桥而言,施工阶段应以线形 控制为主,同时兼顾结构内力不超限,而在成桥后对 结构内力进行调整。 3 施工控制精度目标值 没有误差的施工是不存在的,为了施工中便于 操作,并有一个量化标准,有必要订立允许误差标 准。 关于预制构件尺寸误差、 材料特性误差等在一般 施工设计规范中已有规定,但斜拉桥施工管理项目 的允许误差尚无标准。中国 公路斜拉桥设计规范 (试行)只是指出,由于斜拉桥是分阶段形成的,再加 之结构轻柔,故对施工、 材料、 荷载、 温度等影响非常 敏感,各施工阶段误差的积累难以判断,对大跨径斜 拉桥应加强施工控制,而对施工控制精度的目标值 并没有给出具体规定。 日本对此已进行了大量研究, 而中国大多数斜拉桥施工时,多是根据自己的技术 力量、 施工设备给出一个控制目标,如南京长江第二 大桥南汊斜拉桥施工控制目标为:主梁拼装阶段标 高误差在+ 2- 1 cm之间,悬臂端倾角误差在 0103 之内,连接端焊缝宽度在615 mm之间。广 东三水斜拉桥施工中控制主梁挠度误差基本在30 mm之内,索力误差在5%之内。 事先设定合理的斜拉桥施工精度目标控制值是 十分必要的,既可以避免架设阶段无止境地调整索 力和线形,又可以避免过大的施工误差累积而影响 斜拉桥的耐久性和安全性。 施工控制目标,或者说允 许误差标准是优化决策问题,一方面用以保证施工 准确度,另一方面要给予一定宽容度,便于施工。借 助于误差分析方法,对近期修建的斜拉桥的资料进 行了统计分析,给出了其施工控制精度目标值及实 际测试值,如表1、2所示2, 3。 斜拉桥的施工误差不仅影响结构设计内力的变 化,也对施工工期产生很大影响。 中国已建成百余座 斜拉桥,至今仍没有建立合理的施工精度控制标准。 为了缩短大跨度钢斜拉桥的架设工期,并使架设误 差控制在合理范围内,根据过去斜拉桥施工实绩及 其模拟分析,参考各国的相关资料,结合南汊斜拉桥 的施工监控,下面提出大跨度钢斜拉桥施工精度控 65 中 国 公 路 学 报 2003年 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 近期修建的斜拉桥主梁跨中 拱度精度控制实例 桥梁跨度?m目标控制值?mm实测值?mm说明 A4901358925+ 01 25( L- 50) B4851504201625X C4602237001525+ (L- 40) D4201182025+ 01 25( L- 50) E4201183725+ 01 25( L- 50) F40520053015L G35520020 H3502005025+X I35017530015L L23811963015L Q140802010+X S432020015L 注:L为主跨跨度(m ); X为距最近支点的距离(m)。 表2 近期修建的斜拉桥塔顶变位精度控制实例 桥梁塔高?m目标控制值?mm实测值?mm说明 C172108645H?2 000 H1601510018 E152137624H?2 000 B1461350 D139137027H?2 000 A1221810036 F1221010018 I1141010046 Q45104510H?1 000 L44154510H?1 000 S15101510H?1 000 注:H为塔高(自支承横梁顶计算,以mm计)。 制目标值,供今后斜拉桥施工精度管理参考。 (1)主梁拱度 Sg=25 + 01 5( X-25) (1) 式中:Sg为主梁拱度控制误差(mm ); X为距最近支 点距离(m)。 (2)主梁塔顶变位 St=H?2 000 (H100 m时) St=H?1 000 (H 100 m时) (2) 式中:St为主梁塔顶沿桥轴向控制变位(mm ); H为 塔高(mm)。 (3)斜拉索预拉力 Sc=011T0 (H100 m时)(3) 式中:Sc为斜拉索拉力控制误差;T0为恒载情况下 的斜拉索计算拉力。 根据南汊桥中跨合龙后的实测标高4,中跨主 梁拱度最大偏差为1012 cm ,发生在北塔J16梁段 的标高控制点,按式(1)计算的主梁拱度控制误差为 138mm。 主梁拱度误差小于拱度控制误差。 另外, 根据南汊桥二期恒载施加后的实测索力与设计理想 状态索力的比较,南塔 J1 斜拉索的平均误差为 - 1219% ,J2斜拉索的平均误差为1710%;北塔A 1 斜拉索的平均误差为1011% , J1斜拉索的平均