大跨徑獨塔混合梁斜拉橋施工監(jiān)控仿真分析

魯雄飛

(湖北江漢鐵路有限責(zé)任公司 武漢 430056)

隨著建筑材料性能的提升和斜拉橋結(jié)構(gòu)分析方法與施工技術(shù)的逐漸完善，斜拉橋的跨越能力和穩(wěn)定性正在向更強、更安全的方向發(fā)展。但斜拉橋的成橋線形和成橋應(yīng)力對施工環(huán)境較敏感，施工本身的誤差、臨時荷載、溫度變化等因素均對其成橋狀態(tài)有較大影響，使得實際結(jié)構(gòu)的狀態(tài)與預(yù)期會有一定偏差，并且這種偏差和成橋狀態(tài)的敏感程度會隨著主梁的逐段施工而不斷擴(kuò)大。當(dāng)偏差大到一定程度后必定會對斜拉橋的合龍、成橋線形和成橋應(yīng)力產(chǎn)生影響，甚至?xí)o橋梁結(jié)構(gòu)后期的正常運營埋下隱患，因此，在施工監(jiān)控的過程中須及時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并與有限元分析的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，分析誤差產(chǎn)生的原因，以便制定下一施工節(jié)段的調(diào)整方案。

橋梁施工監(jiān)控以設(shè)計成橋狀態(tài)為工作目標(biāo)，實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和項目環(huán)境狀況，對比分析監(jiān)控實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)，運用現(xiàn)代控制理論，對誤差進(jìn)行識別、調(diào)整、預(yù)測，最大限度的接近設(shè)計成橋狀態(tài)，并同時保證施工過程中的結(jié)構(gòu)安全[1]。

1 工程概況

潛江鐵路支線跨漢江特大橋位于天門市岳口鎮(zhèn)，主橋跨越漢江，主橋采用32 m+50 m+93 m+260 m+38 m混合梁獨塔斜拉橋，半漂浮體系，全梁長474.2 m，總體布置見圖1。邊跨及部分中跨主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余中跨主梁為鋼箱梁。

圖1 岳口江漢特大橋總體布置圖(單位：m)

索塔采用鉆石形索塔，橋面以上索塔采用倒Y形，橋面以下塔柱內(nèi)縮為鉆石形，塔底以上索塔全高159.5 m，橋面以上塔高130 m，橋面以下塔高29.5 m，橋面以上塔的高跨比為1/2。斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度為1 670 MPa的鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，扇形布置，全橋共42對斜拉索。

2 監(jiān)控內(nèi)容

大跨徑獨塔混合梁斜拉橋施工監(jiān)控內(nèi)容由主梁線形監(jiān)測、主塔變位監(jiān)測、索力監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、溫度監(jiān)測5部分組成[2]。

2.1 主梁線形監(jiān)測

主梁線形監(jiān)測主要由高程測量和中線測量2項任務(wù)構(gòu)成，其中主梁的高程測量是控制成橋線形的主要依據(jù)，中線測量是主橋順直保證的關(guān)鍵。高程測量采用幾何水準(zhǔn)測量法，中線測量采用正、倒鏡觀測法。本項目每施工1個懸臂節(jié)段的過程中，測量時點分別設(shè)置在橋面吊機移動后、起吊鋼箱梁后、施工鋼箱梁后、張拉拉索后的4個工況下，測量工作應(yīng)在溫度較低時進(jìn)行。

2.2 主塔變位監(jiān)測

主塔的變位測量主要是對主塔垂度的偏差進(jìn)行測量，本項目中，在主塔塔頂靠大里程和小里程兩側(cè)分別安裝1個棱鏡，使用全站儀測量棱鏡點的三維坐標(biāo)，從而即可對主塔偏差進(jìn)行分析。

2.3 索力監(jiān)測

拉索是斜拉橋的主要承載構(gòu)件之一，其索力影響著主梁線形、主塔變位，甚至是結(jié)構(gòu)安全，同時索力也是反映全橋內(nèi)力狀態(tài)的重要指標(biāo)。本項目中，索力的測量時點設(shè)置在橋面吊機移動后、起吊鋼箱梁后、施工鋼箱梁后及張拉拉索之后，且每次同時測量5對索力，即當(dāng)前索力和之前最近依次懸掛的4對索力。索力的測量采用脈動法，根據(jù)受力拉索自振頻率與索力的關(guān)系來確定實際索力[3]。

2.4 應(yīng)變監(jiān)測

該橋主塔為混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為混合梁組合，小里程側(cè)采用混凝土箱梁滿堂支架澆筑而成，大里程側(cè)采用預(yù)制鋼箱梁懸臂拼裝而成。其中混凝土構(gòu)件的應(yīng)力測量使用應(yīng)變片，測點布置在箱梁頂板和底板上；鋼箱梁應(yīng)力測量使用手持式應(yīng)變計測點，測量拉索錨固區(qū)應(yīng)力，并做好溫度補償?shù)男拚?/p>

2.5 溫度監(jiān)測

斜拉橋作為一種超靜定結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力狀態(tài)受溫度影響較大，會產(chǎn)生次應(yīng)力，對索、梁、塔等空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非線性影響。在橋梁施工過程中，溫度效應(yīng)主要體現(xiàn)在短期晝夜溫差和長期季節(jié)溫差形式上。環(huán)境溫度的測量采用高性能的熱敏電阻，拉索的溫度測量采取在實索相同部位懸掛試驗索，通過測量試驗索外表和內(nèi)部測點的溫度的方式。

3 施工控制思路及計算方法

本橋采用自適應(yīng)控制法調(diào)整計算參數(shù)，使用零位置安裝法計算各施工節(jié)段狀態(tài)的理論值，并輔以無應(yīng)力狀態(tài)法對計算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。自適應(yīng)控制法需要建立一個自適應(yīng)控制的系統(tǒng)，讓計算模型和實際結(jié)構(gòu)相互磨合，通過系統(tǒng)的自動辨識和分析，比對誤差，然后反饋到模型中，繼而使得計算模型與實際結(jié)構(gòu)的施工相匹配。

4 有限元模型

采用有限元軟件midas Civil建立全橋三維有限元模型，主塔、主梁采用單梁模型模擬，拉索采用只受拉的桁架單元模擬，拉索與主塔、主梁采用剛性連接耦合。主梁上各點空間位置按設(shè)計線形定位。施工節(jié)段的劃分，則按實際計劃的施工過程劃分為104個階段進(jìn)行模擬。

5 有限元仿真分析

5.1 成橋狀態(tài)分析

從成橋狀態(tài)的內(nèi)力與位移出發(fā)，較容易驗證模型中初始參數(shù)的可靠性[4]。成橋狀態(tài)彎矩、應(yīng)力、位移見圖2。

a) 主梁My彎矩圖

b) 主塔My彎矩圖

c) 主梁應(yīng)力圖

d) 主塔應(yīng)力圖

e) 位移圖

全橋結(jié)構(gòu)彎矩最大發(fā)生在主塔墩承臺處，為29 6752 kN·m，主梁最大彎矩于主塔下橫梁支撐處發(fā)生，為78 030 kN·m。應(yīng)力分布上，主塔組合應(yīng)力分布在0～11.4 MPa的范圍內(nèi)，混凝土主梁的最大組合應(yīng)力為12.4 MPa，鋼箱梁的最大組合應(yīng)力為106.6 MPa，且發(fā)生在鋼混結(jié)合段處。其應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于材料的設(shè)計強度，并具有較大的安全空間。成橋結(jié)構(gòu)位移是評判成橋線性的一個重要指標(biāo)，成橋狀態(tài)下拉索將主梁拉至設(shè)計線形下，橋面鋪裝完成后使橋面達(dá)到設(shè)計線形的位置；成橋狀態(tài)下主梁在荷載作用下產(chǎn)生彎曲，最大位移達(dá)到827.3 mm，同時主塔塔頂向混凝土箱梁側(cè)偏位251.1 mm。

5.2 施工階段分析

項目施工過程劃分為103個階段，其中混凝土梁部分采用滿堂支架施工，施工時只需要確定立模標(biāo)高，待澆筑混凝土成梁后，其受施工荷載的影響較?。欢撓淞翰糠挚缍乳L且拼裝時受外力影響大，使得鋼箱梁安裝的控制成為本橋施工控制的關(guān)鍵[5]。

5.2.1安裝標(biāo)高計算

采用零位置安裝法[6-7]，鋼箱梁的安裝標(biāo)高可使用式(1)進(jìn)行計算。

He=Hc-∑f1i-∑f2i-∑f3i-… (1)

式中：He為安裝標(biāo)高；Hc為成橋設(shè)計標(biāo)高；∑f1i為第i號梁段的自重?fù)隙?；∑f2i為施工臨時荷載在第i號梁段產(chǎn)生的撓度；∑f3i為二期恒載在第i號梁段產(chǎn)生的撓度，以上數(shù)據(jù)單位均為m。

作為施工控制目的的成橋設(shè)計標(biāo)高是已知的，而第103個施工節(jié)段產(chǎn)生的累計撓度則是在外加荷載作用下產(chǎn)生的成橋累計豎向位移，因此通過上述公式可計算出鋼箱梁的安裝標(biāo)高，部分結(jié)果見表1。

表1 部分主梁安裝標(biāo)高 m

5.2.2施工階段高程變化曲線

在鋼箱梁按照有限元計算所得的安裝標(biāo)高和安裝夾角進(jìn)行拼裝焊接的過程中，本節(jié)鋼箱梁會對前面已安裝箱梁的標(biāo)高產(chǎn)生影響，使得主梁的線型在安裝的過程中呈現(xiàn)動態(tài)變化，因此，可根據(jù)某確定時刻施工階段中主梁上各里程樁號點的空間位置繪制標(biāo)高變化曲線。部分關(guān)鍵施工階段標(biāo)高變化見圖3。

圖3 部分關(guān)鍵施工階段標(biāo)高變化

5.2.3施工階段索力變化

施工過程中，拉索索力的變化會直接影響結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，因此必須準(zhǔn)確計算拉索索力。根據(jù)本橋施工階段，選取主要施工階段拉索索力進(jìn)行分析，分別比較拉索初張拉完成后、二期恒載加載后及拉索二次張拉完成后索力變化，如圖4所示。拉索編號邊跨自塔向岸側(cè)為S0～S20，中跨自塔向岸側(cè)為J0～J20，中跨索力變化圖略。

圖4 邊跨拉索關(guān)鍵施工階段索力變化

5.2.4施工階段主梁應(yīng)力變化

根據(jù)施工工藝，鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力在懸臂安裝及拉索索力張拉過程中均會產(chǎn)生一定的變化，準(zhǔn)確計算施工階段主梁應(yīng)力是施工安全的重要保證。經(jīng)綜合分析，鋼混結(jié)合段為全橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力最不利位置，鋼混結(jié)合段施工階段的應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 施工階段鋼混結(jié)合段主梁最大應(yīng)力變化

鋼混結(jié)合段隨著施工階段的推進(jìn)，最大應(yīng)力呈現(xiàn)出振蕩變化的趨勢，隨著主跨懸臂長度增加，應(yīng)力逐步增大，直至二期恒載鋪設(shè)后達(dá)到最大值-109 MPa。

5.2.5施工階段主塔控制截面應(yīng)力變化

根據(jù)全橋施工階段仿真模擬，主塔應(yīng)力呈現(xiàn)出小幅變化的趨勢，整個施工階段主塔無拉應(yīng)力出現(xiàn)，壓應(yīng)力最大為12 MPa，發(fā)生在塔梁結(jié)合處的主塔位置，施工工序為編號S20，J20拉索張拉完成時。

6 結(jié)論

1) 在經(jīng)過幾個施工節(jié)段的參數(shù)調(diào)整后，有限元分析的計算結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果有很好的契合

度，達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場施工與安裝的精度。

2) 采用midas Civil進(jìn)行施工監(jiān)控有限元分析的結(jié)果與設(shè)計單位在設(shè)計節(jié)段采用SCDS進(jìn)行有限元分析的結(jié)果相差很小，從而檢驗和校核了設(shè)計單位的設(shè)計成果準(zhǔn)確。

3) 施工階段劃分的工況次序，對施工階段和成橋時的應(yīng)力狀態(tài)及變形狀態(tài)均有影響，所以施工階段的工況劃分必須依照現(xiàn)場的實際施工情況而定。

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