自錨式懸索橋施工控制方法研究
2018-03-05
一、自錨式懸索橋施工控制及其必要性
橋梁施工控制是橋梁建設(shè)質(zhì)量的保證，衡量一座橋梁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)就是要保證已成橋的線形以及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。如自錨式懸索橋的施工控制分為2個(gè)部分，施工前的內(nèi)業(yè)分析和施工中的現(xiàn)場(chǎng)控制分析。
施工前的內(nèi)業(yè)分析主要目的是確定出理想成橋狀態(tài)及空纜狀態(tài)等諸多狀態(tài)。由于懸索橋施工方法的特殊性，它在主纜就位以后就難以像斜拉橋那樣進(jìn)行后期的索力和標(biāo)高的調(diào)整，故張拉空纜狀態(tài)的精確計(jì)算就顯得尤為重要。它可以避免或減少后期的調(diào)整工作，并且使竣工后交付運(yùn)營(yíng)時(shí)的橋面標(biāo)高、主纜垂度、鞍座位置、各構(gòu)件的幾何形狀和盈利狀態(tài)等各項(xiàng)指標(biāo)符合或接近設(shè)計(jì)要求。所以說，張拉前的工程控制分析是自錨式懸索橋施工控制分析的重點(diǎn)和關(guān)鍵，也是張拉中控制分析得以進(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。
施工中的現(xiàn)場(chǎng)控制分析具體包括橋面和主纜線性控制、吊頂力控制以及盈利控制三方面內(nèi)容。要根據(jù)自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方法制定相應(yīng)的控制程序，用于指導(dǎo)施工。自錨式懸索橋的施工控制是個(gè)張拉→量測(cè)→識(shí)別→修正→預(yù)告→張拉的循環(huán)過程，為了實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)，就必須有一套完整的、精密儀器的量測(cè)手段的支持和先進(jìn)適用的計(jì)算方法作為依據(jù)。
目前我國(guó)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已非常普遍，技術(shù)人員完全可以對(duì)多階段、多工序的自架設(shè)體系施工方法進(jìn)行模擬，對(duì)各階段可預(yù)先計(jì)算出內(nèi)力和位移，稱之為預(yù)計(jì)值。將施工中的實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較，若有誤差可進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到最滿意的設(shè)計(jì)狀態(tài)。也就是通過施工控制，使各階段內(nèi)力和變形達(dá)到預(yù)計(jì)值，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保建橋的施工質(zhì)量。
二、自錨式懸索橋施工控制的方法
目前在橋梁施工中，為了保證結(jié)構(gòu)的受力和橋梁的線形，都采取一定的施工控制措施。按照控制原理的不同，分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制是指根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，在施工的前期調(diào)整可控變量，在施工過程中不再進(jìn)行調(diào)整和控制。如鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁預(yù)制時(shí)跨中的預(yù)拱度，計(jì)算確定后施工時(shí)按照計(jì)算值設(shè)置，成形中不再調(diào)整。這種方法常使用在中小跨徑和工藝較簡(jiǎn)單的橋梁中。閉環(huán)控制是指施工前計(jì)算出可控變量的理論值，在第一施工階段，可控變量按照理論值實(shí)施，而在以后的施工階段中，隨時(shí)對(duì)控制效果進(jìn)行測(cè)試，并與理論計(jì)算值計(jì)算進(jìn)行比較，找出差別的原因，并對(duì)下一階段施工中的可控變量進(jìn)行調(diào)整，保證施工的順利進(jìn)行。這種控制才是實(shí)際意義的監(jiān)控，包括檢測(cè)和控制兩方面。如斜拉橋的懸臂澆筑，首先要計(jì)算出每一階段的立模標(biāo)高，拆模后的標(biāo)高，實(shí)際施工中在每一階段完成后，都要對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)，確定下一階段的立模標(biāo)高。除了第一階段外，后續(xù)階段的立模標(biāo)高不全是計(jì)算值，而是計(jì)算值加修正量。對(duì)于施工工藝復(fù)雜的橋梁多采用這一控制方法。
為了保證自錨式懸索橋竣工后結(jié)構(gòu)的受力和變形盡量與理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，施工過程中的監(jiān)控工作顯得尤為重要。一般設(shè)計(jì)圖紙中僅給定理想狀態(tài)下自錨式懸索橋竣工后的內(nèi)力、線形，由于施工中所用材科的力學(xué)性能存在偏差(如主纜、吊桿的彈性模量等)，構(gòu)件制造安裝誤差，以及假定誤差等客觀因素，都會(huì)對(duì)自錨式懸索橋的內(nèi)力、線形造成影響。此外根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，精確地計(jì)算出各部分構(gòu)件在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的尺寸，以便指導(dǎo)施工時(shí)下料工作。因此，對(duì)自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)施工，根據(jù)實(shí)際施工過程中反饋的各種控制參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算分析以及預(yù)測(cè)得出合理的控制措施，用以指導(dǎo)和控制施工，使各施工階段的實(shí)際狀態(tài)最大限度的接近理想設(shè)計(jì)狀態(tài)，確保成橋后的內(nèi)力狀態(tài)和幾何線形符合設(shè)計(jì)要求。主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
2.1 施工控制數(shù)據(jù)的采集和整理
數(shù)據(jù)的采集是懸索橋施工控制的基礎(chǔ)和直接手段，沒有準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)就不能確定懸索橋施工的具體工況和狀態(tài)，也無(wú)法確定施工模擬的參數(shù)。對(duì)于施工控制中所需的參數(shù)，需要采用儀器和通過試驗(yàn)來測(cè)定，如采用全站儀和水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)構(gòu)的線形和變位，采用溫度傳感器和溫度計(jì)測(cè)量構(gòu)件的溫度和溫度場(chǎng)，采用應(yīng)變計(jì)測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力，采用壓力傳感器測(cè)量主纜索股的拉力。在測(cè)量工作中，要考慮實(shí)際情況，消除和減少溫差。在全站儀測(cè)量是要進(jìn)行大氣折光系數(shù)的測(cè)定，測(cè)量錨跨張拉力時(shí)須充分考慮邊界條件對(duì)索股頻率的影響。由于主纜線形對(duì)溫度的敏感性，主纜溫度場(chǎng)的測(cè)量也十分重要。
2.2 施工控制計(jì)算分析
考慮到數(shù)值解析法和有限元法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合兩種施工模擬方法對(duì)貓道和主纜架設(shè)進(jìn)行施工模擬。以數(shù)值解析法為主，采用精確懸鏈線理論計(jì)算貓道承重索和主纜空纜線形，采用分段懸鏈線理論計(jì)算貓道和主纜成橋線形和加勁梁架設(shè)階段線形。計(jì)算考慮鞍座對(duì)主纜線形的影響，考慮錨跨索股離散性和貓道因素的影響，并根據(jù)溫度進(jìn)行修正。對(duì)主纜索股無(wú)應(yīng)力下料長(zhǎng)度的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)實(shí)測(cè)線形計(jì)算索夾的放樣位置。
2.3 貓道架設(shè)時(shí)的施工控制分析
對(duì)承重索架設(shè)過程中的主塔受力進(jìn)行分析，提供合理的承重索架設(shè)方法。分析了塔偏和溫度對(duì)承重索垂度的影響，確定合理的索形控制精度，為貓道的施工控制提供依據(jù)。
2.4 索股架設(shè)時(shí)的施工控制分析
明確索股架設(shè)的施工控制流程，通過分析各種因素之間的關(guān)系，確定合理有效的索股調(diào)整方法。分析索股架設(shè)期間索股架設(shè)對(duì)主塔偏位的影響。對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行評(píng)估，分析前期施工誤差對(duì)后續(xù)施工的影響。
2.5 主纜錨跨力的施工控制
通過對(duì)成橋狀態(tài)合理錨跨力的分析，計(jì)算空纜及索股架設(shè)時(shí)對(duì)應(yīng)的錨跨張拉力。計(jì)算不同的架設(shè)條件下索股及索鞍的平衡條件，確定主纜架設(shè)時(shí)合理的張拉力及錨固措施。通過對(duì)溫度、塔偏、線形等各個(gè)因素的分析，確定合理的空纜狀態(tài)錨跨力以及散索鞍位置。對(duì)散索鞍偏位的影響進(jìn)行分析，找出散索鞍偏位及錨跨力對(duì)成橋狀態(tài)的影響規(guī)律。
三、自錨式懸索橋的施工控制實(shí)施
自錨式懸索橋是由主纜、加勁梁、主塔、吊桿等構(gòu)件組成的柔性懸吊組合體系。成橋狀態(tài)下，主要由主纜、加勁梁和主塔共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的自重和外荷載。主纜是結(jié)構(gòu)體系的主要承重構(gòu)件，直接錨固在加勁梁端部的錨碇上，這樣的受力特點(diǎn)使得自錨式懸索橋的施工順序必須是先澆注或組裝加勁梁，等到加勁梁達(dá)到一定強(qiáng)度或組裝完成后，再架設(shè)主纜以及張拉吊桿，完成整個(gè)體系轉(zhuǎn)換。
由于自錨式懸索橋要先澆筑或組裝加勁梁，因此需要大量的臨時(shí)支架施工來施工主梁。加勁梁一般有鋼桁架梁、鋼箱梁、鋼—混凝土疊合梁、混凝土梁等多種，由于種類的不同，加勁梁的組裝或澆注方式會(huì)有所不同。加勁梁完成以后就開始架設(shè)主纜并張拉吊桿，吊桿張拉次序和每次張拉力的大小決定了最終的橋面線形是否到位，吊桿內(nèi)力值是否到量，同時(shí)保證主纜線形、加勁梁應(yīng)力、主塔傾斜度、索鞍位移等在允許的范圍內(nèi)。往往不能將每根吊桿一次張拉到位，而應(yīng)該進(jìn)行多輪次、小力幅的張拉，最終使各索力趨近于理想成橋索力，同時(shí)確保成橋后的內(nèi)力狀態(tài)和幾何線型符合設(shè)計(jì)要求。
自錨式懸索橋的施工控制是施工→量測(cè)→識(shí)別→修正→預(yù)告→施工的循環(huán)過程，為了實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)，就必須有一套完整的、精密儀器的量測(cè)手段的支持和先進(jìn)實(shí)用的計(jì)算方法作為依據(jù)。
結(jié)束語(yǔ)
總之，隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，自錨式懸索橋的設(shè)計(jì)理論和施工方法也將趨于完善，跨越能力也會(huì)不斷提高，相信在以后會(huì)有越來越多的方案傾向于這種橋型，并對(duì)以后橋梁事業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]李喆.自錨式懸索橋施工關(guān)鍵技術(shù)與控制[J].天津大學(xué)，2006(02).
[2]張志偉.索鞍無(wú)預(yù)偏自錨式懸索橋施工控制研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(08).
[3]張坤.自錨式懸索橋仿真計(jì)算分析及施工方法研究[J].北京交通大學(xué)，2009(22).
