矮塔斜拉桥施工控制技术研究.doc

矮塔斜拉桥施工控制技术研究中铁十一局集团四公司 徐磊摘要:针对矮塔斜拉桥的特点,对矮塔斜拉桥的施工监控技术进行了研究。并对施工监控矮塔斜拉桥的关键技术进行重点介绍。关键词:矮塔斜拉桥施工控制关键技术Study Of The Construction Control Technique For Low Tower Cable-stayed BridgeAbstract:According to the characteristic of low tower cable-stayed bridge,the paper describes the research on the construction monitoring technique of low tower cable-stayed bridge.And the pivotal technique of the construction monitoring of low tower cable-stayed bridge is emphasized.Keywords:Low tower cable-stayed bridge Construction control Pivotal technique 1矮塔斜拉桥特点及发展趋势矮塔斜拉桥又称部分斜拉桥,最先在日本兴起。矮塔斜拉桥的受力原理综合了连续梁、传统斜拉桥的优势,即利用主梁的受弯、受压和拉索的受拉来承受竖向集中荷载,就结构刚度而言,矮塔斜拉桥介于连续梁和传统的斜拉桥之间,其主要特点如下:桥跨布置主、边跨跨径比例接近连续梁;索塔塔高较低,根据日本的设计经验,塔高一般为主跨的1/81/12;主梁截面布置类似连续梁,根部刚度较大;斜拉索布置较集中,通常布置在边跨、中跨跨中1/3附近;索塔两边拉索为一根,通过索导管以索鞍形式通过;施工过程及合龙后,基本不需进行拉索索力调整。由于矮塔斜拉桥结构的特点,其主梁施工方法与连续梁基本相同。与传统斜拉桥相比,矮塔斜拉桥具有如下明显的优点:索塔塔高较低,施工简单;斜拉索应力变化幅度较小,可以充分发挥拉索高强钢筋的材料性能;梁体刚度较大,施工过程及合龙后,不需进行索力调整,方便施工。由于矮塔斜拉桥具有以上的优越性,近几年在国内得到快速的发展。国内第一座矮塔斜拉桥为福建漳州大桥,结构为三跨单箱三室预应力结构,分跨为80.8+132+80.8;继漳州桥后,国内陆续修建了兰州小西湖斜拉桥、汾柳高速离石高架桥等混凝土箱梁矮塔斜拉桥,两桥分跨均为81.2+136+81.2,以上三桥均为悬臂浇筑。国内最有代表性的矮塔斜拉桥为芜湖长江大桥,该桥是国内第一座公铁两用矮塔板桁组合结构斜拉桥,其主跨跨度已达到312。由于矮塔斜拉桥具有独特的优点,在我国将会越来越多,跨度也会越来越大。2 施工控制方法21 控制原理近20年来，随着斜拉桥在中国的发展，形成了一些实用的控制方法，目前主要有:卡尔曼滤波法，采用纠偏终点控制的思想，也就是在斜拉桥施工过程中将各种产生主梁线形偏差的因素不断用改变斜拉索索力予以纠正，很显然，这种做法不仅要增加施工作业量，而且对斜拉索索力不利.或者说是将误差积累到索力中去；自适应控制法，当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，把误差输人到参数辨识算法中去调节计算模型的参数，模型的输出结果与实际测量到的结果相一致，得到修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，按反馈控制方法对结构进行控制；第三种方法是在设计时给予主梁标高和斜拉索索力较大的宽容度，当然对于每一节段长度的误差也有限制，这种做法虽然减少了控制的难度，但是对PC斜拉桥却不适用，理由是预应力混凝土斜拉桥的主梁应力或预制的斜拉索的长度都不容易具备较大的宽容度。除上述3种方法以外，还有神经网络法、最小二乘法等。斜拉桥的施工控制经常用自适应控制的方法对于较简单的桥型,可在设计中估计结构恒载和活载,由此算出结构的预拱度,施工时只要按此预拱度施工,完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线型和内力,但在施工过程中实际状态和理想状态会存在误差,需对实际状态进行测量并进行误差反馈,通过分析计算求出控制参数的修正量,在此基础上,再加上一个系统辨识过程,形成自适应控制系统当测量到的结构受力与变形状态与模型计算结果不相符时,把误差输入到参数辨识算法中以调节计算模型的参数,使模型的输出结果与实际测量结果一致,得到修正的计算模型参数后,重新计算各施工阶段的理想状态,再按上述反馈控制方法对结构进行控制这样,经过几个施工周期的反复辨识后,计算模型就基本上与实际结构相一致了,在此基础上可以对施工状态进行更好的控制施工控制框图见图1下一阶段施工温度适时修正误差分析预 告参数识别控制项目测量：挠度，索力，应力误差分析文档输出现场试验测试件强度，重力密度，水灰比，弹性模量，温度及其他下一阶段施工温度适时修正误差分析预 告参数识别控制项目测量：挠度，索力，应力误差分析文档输出现场试验测试件强度，重力密度，水灰比，弹性模量，温度及其他图1 施工控制框图2.2结构分析(1)结构分析要选用合理的计算图式,考虑施工过程中结构的逐步形成和体系转换、临时支承的设置和卸除,以及结构各部分的强度增长,合理估计主梁架设各阶段的施工荷载。直线桥的施工控制计算一般采用平面分析,必要时采用三维空间分析。(2)矮塔斜拉桥张拉时主梁挠度大,张拉初期索的垂度较大,必须计入几何非线性影响。斜拉桥主梁和索塔都是压弯构件,其截面弯矩和轴力会产生耦合效应,应加以处理。要考虑混凝土收缩徐变、温度以及风荷载等偶然因素对结构变形和内力的影响。(3)斜拉桥施工时因恒载引起的内力与变形与施工方法有很大关系,主梁施工时的施工计算荷载除恒载、人群、施工机具等施工荷载外,还需考虑预应力、斜拉索的张拉力等。(4)结构分析软件常采用ANSYS8.1,并用ALGORFEA和“桥梁博士2.8”系统进行校核。针对各施工阶段的实际情况建立正确的计算模型,单元类型采用拉索单元、梁单元、3D实体单元、板壳单元和边界单元。(5)预应力混凝土斜拉桥施工中各工况受力状态达不到设计要求的重要原因,是有限元计算模型中的计算参数取值(主要为混凝土的弹性模量、材料的相对密度、混凝土收缩徐变系数、构件重量、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等)与施工中的实际情况有一定的偏差。斜拉桥的这种偏差具有累积性,因此,要根据施工实测结果予以修正,以使计算模型和计算参数符合结构的实际情况。2.3施工控制的原则与方法施工控制的目的是:确保桥梁施工中的安全和顺利合龙;确保结构内力处于设计要求的状态;确保成桥线形符合设计要求。在主梁架设阶段,以主梁的线形(即以标高)控制为主;在二期恒载施工中,以拉索张拉索力控制为主。“以标高控制为主”或“以索力控制为主”是相对的,应结合主梁刚度、施工方法等制定控制策略。斜拉桥施工的控制方法有一次张拉法、卡尔曼滤波法、多次张拉法等。对于采用悬臂拼装或悬臂浇筑方法施工的桥梁,主梁在塔根部的相对线刚度较大,变形较小,因此在控制初期参数不准确带来的误差对全桥线形的影响较小,这对自适应控制思路的应用是非常有利的。经过几个节段的施工后,计算参数已得到修正,为跨中变形较大节段的施工控制创造了良好的条件,这种系统方法目前是最好的施工控制方法。3矮塔斜拉桥施工关键技术3.1斜拉索病害原因矮塔斜拉桥拉索多采用平行钢绞线,其结构与传统斜拉桥拉索、悬索桥、拱桥吊杆相同。 引起斜拉桥拉索病害产生的主要施工原因有以下几个方面:在拉索挂设过程中,没有很好保护拉索PE护套,致使拉索护套在拉索挂设时即有刮伤、刻痕, 加速了拉索PE护套的损坏。在施工过程中,梁上索导管内存在冷凝水,使得索导管及索体内潮湿度增加,锚头及索体受到腐蚀。对于潮白河大桥,由于其位于温度较低的北方地区,如其梁上索导管内进水,由于积水冻胀作用,对拉索、索导管耐久性更加不利。由于施工过程中索管位置、方向控制不准,可能使得下索管与拉紧后的拉索不平行,有的甚至抵紧一侧索管,影响安装减振器并使拉索在此处承受剪力,从而大大降低了拉索的承载能力。3.2索力离散性控制矮塔斜拉桥中采用平行钢绞线拉索体系的特点是在现场逐股挂设、逐股张拉,然后再整体张拉每根拉索,在拉索挂设时,如何控制每束中各根钢绞线之间、对应两束间、每束塔两边索力离散值,将直接影响桥梁的使用性能。由此可见,矮塔斜拉桥对斜拉索索力控制要求较高,为达到设计要求,在单股钢绞线张拉施工过程中,国内一般采用等值张拉的施工工艺。所谓等值张拉工艺,是根据后面张拉的各股拉索对已张拉的前面各股拉索的动态影响,确定后期拉索的拉力,使得最先张拉拉索的拉力和最后张拉的拉索拉力均在设计要求的范围内,从而控制每根拉索各股间的误差。为指导后期各股拉索的拉力,在第二根拉索的两端锚下(第一根拉索有PE管等的影响)各安装1个压力传感器,通过传感器测得以后张拉各股钢绞线时第二根钢绞线的拉力,后张拉的钢绞线拉力即以此值为控制应力,从而使得每根拉索各股钢绞线拉力动态相等,第一根钢绞线拉力为设计拉力的95%,拉完最后一根钢绞线后,拆除第二根拉索上的传感器并根据拆下传感器时的传感器显示数值来补充张拉第二根拉索。在单根拉索挂设完毕后整根拉索索力控制采用千斤项张拉油表及索力仪控制。由于平行钢绞线锚具是采用螺母顶紧梁体实现锚固,整根拉索采用索力仪测试索力时,必须是在锚具螺母拧紧、松开千斤顶后进行,只有这样,通过索力仪测试的数值才是锚固后索力的真实数值,也正是此原因,在整体张拉过程中,应特别注意拧紧螺母,以防索力由于拉索回缩减小而二次张拉。3.3主梁施工线形控制矮塔斜拉桥拉索一般不进行二次调索,主梁刚度较大,不能利用索力调整进行主梁线形调整,在箱梁混凝土浇筑过程中,必须对立模标高控制,即进行主梁施工线形的控制。在斜拉桥施工中,进行线形控制的目的不仅是为保证桥梁线形符合设计要求以及顺利合龙,而且关系到梁上索导管与拉索相对位置是否准确拉索能否在索导管内自由活动,拉索在承受活载时是否受剪等问题。国内某些斜拉桥由于没有重视施工过程中索导管的定位,致使拉索抵死索导管,使得拉索承受额外的剪力,从而影响桥梁的耐久性。预拱度设置一般由施工监控单位完成,施工单位除了在施工时考虑监控单位提供的施工预拱度外,还应考虑挂篮、施工支架等自身的弹性变形。 影响主梁线形的因素很多,在施工过程中,应注意以下几个方面的问题:混凝土弹性模量对结构变形影响较大,而碎石原材料直接影响混凝土弹性模量,在混凝土配合比设计中,应注意采用硬度较大的母材。混凝土养护条件将影响混凝土的后期徐变,因此应特别注意混凝土洒水养护,并严格控制张拉控制条件。对于采用悬臂浇筑的桥梁,挂篮利用滚轴纵移到位、浇筑混凝土前,必须安装刚度较大的刚构件将滚轴换下,以防在浇筑混凝土过程中,滚轴压缩交形,影响主梁线形。国内某生过桥发由于以上原因在浇筑完后致使滚轴压扁、影响节段线形的事例。 4施工监测4.1主梁线形测量主梁线形测量包括高程测量和中线测量。高程测量采几何水准测量法,测出已施工各节段的控制水准点绝对标高,并根据各节段竣工时测得的梁底高差推算出相应节段的梁底标高。根据高程和中线测量结果,分析主梁线形随温度变化的曲线,以随时掌握温度对主梁变形的影响。4.2索塔应力测试索塔主要承受斜拉索传来的竖向力、桥塔两边拉索水平分力之差引起的弯矩、施工荷载以及突发施工事故使桥塔产生的较大变形与应力。通常应在索塔塔柱底部截面、桥面塔柱截面以及其他可能出现较大应力的截面埋设传感器,观测桥塔施工至塔柱完成、安装斜拉索以及主梁悬臂浇筑过程中关键工况施工阶段的应力。另外,还应监测塔在施工中可能承受的风载及其他荷载引起的应力。4.3主梁应力测试斜拉桥应力监测包括梁的安装应力监测和塔的施工应力监测,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他荷载变化情况进行判断。对混凝土梁,在埋设应力测点的相同部位埋设不受应力的补偿计,补偿混凝土自身的体积应变和收缩应变以及自由温度应变,并且在测试工艺上采取有效措施使混凝土徐变和温差产生的应变减少到最低限度,或根据测量时的混凝土龄期、环境温度状态进行修正。4.4 索力测试索力测量一般采用脉动法(或称频谱分析法),利用附着在拉索上的高灵敏度传感器拾取拉索在环境激励振动下的振动信号,经过滤波、放大和频谱分析确定拉索的自振频率,然后根据自振频率与索力的关系确定索力。可采用激振器激振或人工激振,亦可采用环境随机振动,测试监控状况、调索状况和成桥状况的索力。(1)监控状况测量:当吊机(对预制拼装施工)或挂篮(对悬臂浇筑施工)行走到位后,测量前几对索的索力(一般为三对),为控制分析提供初始数据。当要进行(N+1)号梁段施工时,测量N(N-2)号梁段对应的索力值,然后通过控制分析计算出(N+1)号梁段的索力和线形应达到的目标值,从而发出(N+1)号梁段施工的有关指令。(2)调索状况测量:当梁段施工完成以及索力张拉到位后,测量前三对及本对索的索力及其偏离设计值(或目标值)的大小,以便及时进行调整。(3)成桥状态测量:在全桥合龙、二期恒载完成后,对各斜拉索进行一次索力测量,为内力(主梁内力以及索力)或线形调整提供依据。4.5温度监测温度影响可分为昼夜温差影响及季节温差影响。前者是指太阳起落引起的桥梁混凝土结构由表及里(深度4)的表层温度梯度,使混凝土产生非均匀变形。后者是由于长期的昼夜变化使混凝土结构产生基本均匀的伸缩。由于主梁和拉索的刚度比空心箱形混凝土塔身刚度小(主梁抗弯刚度约为塔身的1.901.25),加之斜拉索又细又长,对温度变化十分敏感,容易掩盖主梁因昼夜温差产生的变形。季节性温差则使塔、梁、索产生均匀伸缩。总之,温度引起的主梁变形因悬臂长度的增加而增加。但是,从挠度实测值中分离出温度引起的变形相当困难,因此宜在一天中当日照温差对结构变形影响最小的时候(如清晨)进行测量,并在对温度变化所产生的内力和变形作定性的分析后,采取相应措施,最大限度地保证施工监测值的真实性。5 结论 本文通过分析矮塔斜拉桥的特点，着重详细的介绍矮塔斜拉桥的施工特性和控制方法，在此基础上进一步的阐述了其施工工程中必须注意的一些关键技术问题，为矮塔斜拉桥的施工过程的质量控制和安全起到了十分重要的保证作用。另外一个方面，通过监测能够保证在施工过程中矮塔斜拉桥的可靠性何安全性满足要求。 参考文献1.孙建平. 矮塔斜拉桥施工关键技术.铁道建筑RailwayEngineering.2005年第9期2.葛俊颖 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