金锡兰 吴祥松 王力强
斜拉桥的雏形远在几百年之前就出现过,而1956年在瑞典建成主跨为182.6 m的Stromsund桥才是第一座现代斜拉桥。接着,1958年又在原联邦德国的杜塞尔道夫建成主跨为260 m的Theodor-Heuss桥,它巩固了现代斜拉桥的地位。其后历经50余年,今天世界上已建成了数百座斜拉桥,且今后斜拉桥会在大跨度桥梁上占据主要地位,成为跨径在200 m～800 m之间桥型的首选。
1 宣城市宛溪河斜拉桥的工程简介
宛溪河大桥位于水阳江大道东南段延伸工程西段,根据水阳江大道总体设计要求,桥梁范围为:左幅K0+527.667～K0+800.500,跨径布置:(45+88+88+45)m。桥梁全长271 m,右幅K0+531.27～ K0+845.500,跨径布置:(45+88+88+55)m+35 m,桥梁全长316 m。桥梁跨越宛溪河、清溪河河口北侧,北靠响山,南临宣城扬子鳄湖风景区鳄东湖。
2 施工控制主要内容
2.1 理论计算
用斜拉桥计算分析软件MIDAS来计算并确定理论成桥状态和施工状态。按照施工和设计所确定的施工工序,以及设计所采用的基本参数,对施工过程进行一次正装计算,得到各施工状态以及成桥状态下的结构受力和变形等控制数据,作为斜拉桥施工控制的理论依据。要获得高精度的施工控制效果,首先必须使全施工过程中的结构挠度计算完全吻合于结构实际挠度,否则在施工过程中采用任何补救措施都不可能加以挽回。
2.2 施工现场监测系统的建立
宛溪河大桥现场监测系统的建立是施工监控的主要任务之一,包括上部结构微观与宏观工作状态的监测,即承重结构的应力应变状态、主要结构挠度、高程的变化应与设计确定的内力,变位状态一致。另外对经外部设备张拉的斜拉索和各次体系转换,采取必要的措施监测内力的准确性与安全性。
此外还包括:与控制有关的基础资料试验与收集;设计参数误差分析和识别以及对梁段设计参数误差的修正;预告主梁下阶段定位高程和斜拉索各次张拉力;重大的设计修改。
3 主梁施工过程中的水平变位、沉降及内力观测
3.1 主梁水平变位及沉降变形量测
在每节箱梁的顶面横断面上设置三个测点,测点纵向距离约为10 m,左幅共设置28个监测断面,共有84个测点;右幅共设置33个断面,共有99个测点,全桥共设183个测点进行观测,点位用一金属标志头埋设于主梁混凝土内,布置的总原则是按照中轴线两边对称布设。
3.2 主梁中轴线复测
主梁中轴线复测的测点利用主梁平面变位测点进行量测,共计183个测点。
3.3 主梁挠度观测
在0号块上埋设挠度观测基准点,基准点的设置方法为:用15 cm的短钢筋垂直焊接或绑扎固定在最外层构造筋或最近的箍筋上,浇筑完混凝土后,露出混凝土表面2 cm～5 cm。同时,在附近设置永久水准点,该永久水准点是由控制网校核闭合的。
在距每个梁段的前端50 cm,布设3个测点;同时在桥面上的上下游护栏的内侧10 cm处设置永久性的挠度观测点,可用直径16 mm钢筋,头部做成球面,长度8 cm,焊在顶板,测点纵轴向的点距约为22 m,左幅共设48个测点,右幅共设54个测点,全桥共设102个测点,既作为施工高程控制的观测点又作为建成后静动载试验和长期营运过程中的挠度观测点。
3.4 主梁应力测点的埋设
宛溪河大桥的应力应变现场测试元件安装使用智能应变传感器。在纵向上,主要布置在左、右幅桥主梁的主跨中间截面,横向位置布置在主梁的顶板和底板截面。主梁传感器安装方法采用预置,即在钢筋骨架就位后将应变传感器和温度传感器同时绑扎在钢筋上,导线置于紧贴模板的安装盒内,然后浇筑混凝土,拆模后从安装盒内取出导线。
3.5 施工控制的实施结果
通过施工过程中的量测,左、右幅桥的高程变化范围为±3 cm,斜拉索张拉完成后,主梁的实际高程与设计高程相差很小,最大相差7 mm,远低于JTG/T D65-01-2007公路斜拉桥设计细则规定的1.74 cm,故本工程的高程完全符合规范要求。
4 斜拉桥施工控制技术的要点补充
4.1 斜拉桥施工理论分析
1)施工计算原则。a.施工方案:由于斜拉桥恒载内力与施工方法和架设程序密切相关,理论计算应首先对施工方法和架设期间的施工荷载给出一个较为精确的数值。b.计算图式:在各施工阶段应根据当时的结构体系、挂篮形式(对悬浇法主要有前支点和后支点两种)和荷载状况选择正确的计算图式来进行计算、分析。施工中采用了临时拉索或临时支点,计算图式应包括这些临时构件。c.结构分析程度:对大多数斜拉桥而言,施工计算采用平面结构分析方法已经满足实际架设控制的需要。但对大跨径斜拉桥及其平面位于曲线时,施工计算采用空间模型则是非常必要的。d.非线性影响:非线性对中小跨径的斜拉桥影响不大,但大跨径斜拉桥必须考虑非线性的影响,通常采用弹性量法(Ernst公式)来反映斜拉索的非线性。e.混凝土收缩、徐变的影响。f.地震和风力:必须对施工中最危险的状态进行抗震、抗风的验算。g.温度:在特定的施工阶段(如合龙段施工前夕)应详细观测、记录温度对结构变形的影响随时间变化的规律,以便为下一阶段的施工提供准确预测值。2)施工阶段计算模型。a.拉索的模拟:通常可以采用三种方法,即等效弹性模量直杆单元法、分段直杆法和曲线索单元法。b.塔的模拟:斜拉桥的索塔一般由塔柱和横梁组成,采用实体单元、板壳单元、杆单元及其组合来模拟塔的结构行为更为准确。c.计算模型:单主梁模型;双主梁模型;三主梁模型;体、板壳单元。3)斜拉桥施工控制模拟方法。a.倒装分析法:通过对斜拉桥由成桥状态(理想的恒载状态)出发,按照与实际施工步骤相反的顺序进行逐步倒退计算而获得各施工阶段的控制参数,结构按此正装顺序施工完毕,理论上斜拉桥的恒载内力和线形便可达到预定的理想状态。b.正装分析法:采用与斜拉桥施工相同的顺序,依次计算各阶段架设时结构的施工内力和位移,然后依据一定的计算原则,选择适当的计算参数作为未知变量,通过求解方程而获得相应的控制参数。只要计算参数选择得当,结构按正装法所得的控制参数和顺序施工完毕时,理论上斜拉桥的恒载内力和主梁线形与预定的理想状态基本吻合。c.无应力态法:是通过安装过程中斜拉桥各结构单元的无应力长度和无应力曲率来实现对成桥状态的自动逼近。
4.2 斜拉桥施工控制方法
1)斜拉桥施工控制系统为:施工→检测→结构分析→状态预报→调整→再施工的循环过程。斜拉桥施工监测、控制是一个“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,做到主梁线形和内力符合设计规定的允许误差范围。2)斜拉桥施工监测:斜拉桥是高次超静定结构,它对成桥线形有较严的要求,每个节点坐标的变化都会影响结构内力的分配。3)斜拉桥施工控制方法:a.斜拉桥施工控制中的两种索力形成方法:其一为一次到位法。一次到位法,也叫一次张拉法,它是指在施工过程中每一根斜拉索张拉至设计索力后不再重复张拉,属于预测控制。其二为分次到位法。分次到位法的基本思想是“分次张拉,逐步到位”,也称多次张拉法,属于预测控制与事后调整控制相结合的控制。b.斜拉桥施工控制方法:包括开环控制法;反馈控制法;自适应控制法(前文已经解释)。c.斜拉桥施工控制中的误差处理和索力调整:包括基于现代控制理论的Kalman滤波法;参数识别、修正法。另外还有基于如模糊数学的其他方法。
5 结语
本文结合了宣城市宛溪河斜拉桥的施工控制实例,指出了对大跨桥梁实施施工控制的必要性及其重要意义。对大跨桥梁施工控制过程中的具体方法及步骤,主要的控制参数和应该注意的关键环节进行了详细的阐述。实际上影响大跨桥梁施工精度的控制因素很多,本文仅从主要的方面对大跨桥梁的施工控制理论进行了初步分析研究,其他的还有待进一步的深入研究。
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