懸索橋施工監(jiān)控技術(shù)

邵子璐，刁鳳東，馬子健，史 洋

1中國石油管道工程有限公司第四分公司，河北廊坊

2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北廊坊

3中國石油管道工程有限公司第一分公司，河北廊坊

1.引言

近年來，對于能源安全的保護，國家全面加快石油和天然氣管網(wǎng)建設(shè)，管道建設(shè)進入了一個大發(fā)展的時期。為應(yīng)對我國山區(qū)溝壑、峽谷等復(fù)雜地形，常采用跨越的方式進行管線敷設(shè)[1]。懸索橋是作為一種以纜索為主要承重構(gòu)件的柔性橋梁，主要用于大型跨越中。

但對于大跨度的橋梁來說，橋梁最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形成要經(jīng)歷一個漫長而復(fù)雜的過程，而且在施工期間橋梁結(jié)構(gòu)分析體系也將隨著建筑施工管理階段的不同而不斷發(fā)生變化[2]。在施工過程中，為及時避免各種誤差的積累對懸索橋結(jié)構(gòu)的可靠性及安全性帶來嚴重影響，需要在整個施工過程中嚴格控制。施工質(zhì)量控制可以通過進行施工現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)狀態(tài)測試，同步結(jié)構(gòu)計算能力分析問題以及社會結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)測給出合理的反饋控制措施，為施工過程研究提供決策性技術(shù)依據(jù)，為結(jié)構(gòu)行為控制提供相關(guān)理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保工程施工后成橋線形與受力狀態(tài)符合設(shè)計要求[3]?？梢哉f，建設(shè)有效控制是跨徑懸索橋施工成功的關(guān)鍵。

2.懸索橋施工監(jiān)控的主要內(nèi)容

懸索橋施工控制的內(nèi)容是校核主要的設(shè)計計算參數(shù)，根據(jù)實測材料參數(shù)調(diào)整合理成橋狀態(tài)，提供施工管理階段各理想狀態(tài)線形及內(nèi)力數(shù)據(jù)，對施工各狀態(tài)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實測值與理論值進行研究比較結(jié)果分析，進行經(jīng)濟結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)參數(shù)識別與調(diào)整，對施工各階段和成橋狀態(tài)進行有效預(yù)測與反饋控制能力分析，對結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力(應(yīng)力)進行環(huán)境監(jiān)測，防止施工中出現(xiàn)過大位移和應(yīng)力，確保工程施工工作順利發(fā)展進行[4]。

懸索橋施工監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容如下：

1) 主纜

主纜為主要承重結(jié)構(gòu)，主纜架設(shè)狀態(tài)直接影響全橋內(nèi)力和變形。監(jiān)控內(nèi)容包括：

①計算主纜索股無應(yīng)力索長。

② 基準索股控制點的計算和標記。

③監(jiān)測主纜溫度。

④ 計算、監(jiān)測基準索股線形、索力。

⑤ 計算、監(jiān)測一般索股空纜線形、索力。

⑥ 計算、監(jiān)測各施工階段主纜索力、線形。

2) 主索鞍和散索套

監(jiān)控內(nèi)容：

①計算、監(jiān)測空纜時散索套位置。

② 計算、監(jiān)測空纜時主索鞍位置(偏位)。

③計算、監(jiān)測在施工過程中的位置(偏位)。

④ 計算主纜鞍頂?shù)捻斖屏亢晚斖茣r間。

3) 索塔

①裸塔狀態(tài)塔頂高程及溫度影響位置監(jiān)測

② 計算監(jiān)控空纜狀態(tài)塔頂鞍座位置。

③計算和監(jiān)控加勁梁架設(shè)過程中的塔頂鞍座位置。

④ 計算并監(jiān)測橋塔控制截面應(yīng)力。

4) 索夾

①索夾定位和監(jiān)測。

② 索夾緊固力的監(jiān)測及調(diào)整。

5) 吊索

吊索長度直接影響橋面標高、受力均勻程度及其壽命。

①計算吊索無應(yīng)力長度。

② 計算、監(jiān)測安裝時吊索索力，監(jiān)測吊索溫度。

3.施工監(jiān)控計算

3.1.分析計算軟件

采用ANSYS 有限元軟件和MIDAS Civil 土木專用程序?qū)τ嬎憬Y(jié)果進行了對比分析，保證結(jié)構(gòu)分析計算的準確性。ANSYS 軟件具有良好的非線性分析能力，非常適合于計算懸索橋大變位結(jié)構(gòu)的幾何非線性，計算精度高。MIDAS Civil 軟件能進行懸索橋空間非線性施工架設(shè)過程仿真分析，能充分發(fā)展考慮主塔砼收縮、徐變的影響，能考慮結(jié)構(gòu)體系溫差和環(huán)境整體溫度影響。

3.2.分析方法

懸索橋由于其主要承重結(jié)構(gòu)主纜為柔性結(jié)構(gòu)，在彈性范圍內(nèi)工作，其線形對外力、溫度、塔偏等多種因素影響變化非常明顯，為了能夠準確反映主纜特定條件下的狀態(tài)，懸索施工控制分析計算需針對對空纜及成橋兩種狀態(tài)。

懸索橋施工監(jiān)控中關(guān)于結(jié)構(gòu)的計算一般可分為正裝分析法、倒拆分析法、無應(yīng)力狀態(tài)分析法。依據(jù)實際施工的需要，本文側(cè)重于倒拆分析法的介紹。倒拆法按照橋梁結(jié)構(gòu)實際施工加載順序的逆過程來進行結(jié)構(gòu)行為分析。其基本思想是：首先以設(shè)計的成橋狀態(tài)時為初始數(shù)據(jù)計算工作狀態(tài)，施工開展后根據(jù)實際材料參數(shù)(包括主纜和橋面桁架容重、彈性模量，主纜和橋面附屬結(jié)構(gòu)重量等)調(diào)整計算合理成橋狀態(tài)。在成橋模型基礎(chǔ)上拆除主纜索股以外的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算得到空纜狀態(tài)。然后按照施工過程中的計算得出，直至成橋。

3.3.監(jiān)控計算內(nèi)容

監(jiān)控計算內(nèi)容包括確定設(shè)計參數(shù)，各施工階段的纜索及吊索索力，主塔、主纜線形和鞍座偏移量，主塔應(yīng)力等，后續(xù)施工的控制預(yù)報。

3.3.1.設(shè)計參數(shù)的確定和調(diào)整

設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)具有一定差別，如主纜和吊索彈性模量、構(gòu)件自重、施工荷載、施工周期、主纜線形、索力值(主纜及吊索)、塔頂偏位等等，針對設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)兩者的偏差，是通過測量材料的實際參數(shù)和施工過程中實際結(jié)構(gòu)的行為，分析結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，從而修正設(shè)計參數(shù)來控制橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理想狀態(tài)的偏差，使成橋在施工過程中達到一個理想的狀態(tài)。

首先，確定由所述橋的偏差的結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)，對于企業(yè)采用的施工質(zhì)量控制系統(tǒng)參數(shù)主要包括：主纜和吊索彈性模量E、構(gòu)件具有自重ω、施工設(shè)計荷載P、結(jié)構(gòu)進行溫度Δt和施工管理周期T、主纜線形、索力值(主纜及吊索)、塔頂偏位等參數(shù)；其次，采用最小二乘法或卡爾曼濾波來識別這些設(shè)計參數(shù)的誤差，并得到這些參數(shù)的正確估計。通過修改設(shè)計參數(shù)，使橋梁結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)與理論狀態(tài)相一致。

3.3.2.各施工階段實測索力、應(yīng)力、線形分析

施工過程中不可能通過監(jiān)測得到全橋各斷面的應(yīng)力，只能測量到某些控制斷面的數(shù)據(jù)。偏差的比較，從而需要電纜力，應(yīng)力，線性測量和計算值，目標是監(jiān)測結(jié)果與分析計算研究結(jié)果一致[5]。否則，應(yīng)進行分析與判斷，確定相差的原因。因此，通過監(jiān)控計算可對結(jié)構(gòu)整體的索力、應(yīng)力水平和主纜線形進行監(jiān)控。

3.3.3.后續(xù)施工的控制

通過橋梁施工正裝過程分析，可以得到各施工階段的主纜線形、主塔鞍座偏移量等控制參數(shù)。

然而，實際施工情況與設(shè)計別在差異，已施工的階段可能會與所要求的狀態(tài)有一定差別[6]。這時，需要通過建立一個具有反饋控制的實時跟蹤分析管理系統(tǒng)，既使誤差不致于積累，還可使成橋狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)差別縮小，也需要我們采用最優(yōu)控制管理理論對后續(xù)的施工發(fā)展階段的偏差量作出調(diào)整。

4.施工監(jiān)控實施及關(guān)鍵問題分析

4.1.散索索力測試

散索力是內(nèi)力的重要指標，同時，散索索力容易出現(xiàn)不均勻的情況，因此，應(yīng)對散索索力進行測量和調(diào)整。通過散索索力測量、調(diào)整使散索索力誤差在允許范圍內(nèi)。散索索力用頻譜法測量，采用附著在索上的高靈敏傳感器拾取索在環(huán)境震動激勵下的振動信號，經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析，根據(jù)頻譜圖來確定索的自振頻率，然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系確定索力(見圖1)。

Figure 1.Spectrum test system圖1.頻譜法測試系統(tǒng)

4.2.主纜線形、鞍座位置測量

主纜線形和鞍座位置用全站儀進行測量。主纜在施工管理過程中進行變形影響較大，為了使棱鏡始終與觀測點保持高度一致，要使用索箍對棱鏡在主纜跨中等特征點固定。測量時，先用全站儀后視岸上基準點，通過岸上基準點引測主纜線形[7]。主纜線形測點布置8 個，分別在邊跨跨中、主跨L/4、L/2、3L/4 的位置。橋梁架設(shè)過程中鞍座位置影響主纜線形和主塔內(nèi)力，在施工管理過程中應(yīng)對鞍座位置信息進行有效監(jiān)測，其位置采用全站儀進行測量。

4.3.主塔應(yīng)力測試

1) 應(yīng)力測試方法

應(yīng)力測試和施工同時進行，存較長的時間跨度和現(xiàn)場維護條件不足。因此，要求試驗元件具有長期穩(wěn)定性好、抗損性能好、埋設(shè)位置準確、施工方便、對結(jié)構(gòu)干擾小等特點。

主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全面的分析，并根據(jù)以往的經(jīng)驗，國內(nèi)元器件和測試設(shè)備進行比較，決定對主塔的應(yīng)力進行測試可以選用鋼弦式應(yīng)變計，將其直接埋入測試以及斷面的混凝土內(nèi)，配合我們使用無應(yīng)力計。儀器的鋼字符串匹配頻率檢測裝置。通過應(yīng)變—頻率標定曲線，然后再通過根據(jù)不同混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量推算混凝土應(yīng)力。

由于測試混凝土因素的內(nèi)部應(yīng)力是復(fù)雜的，除了所造成的應(yīng)力負荷的彈性應(yīng)變，而且還與溫度，收縮等相關(guān)聯(lián)。目前國內(nèi)外混凝土企業(yè)內(nèi)部控制應(yīng)力測試方法一般可以通過應(yīng)變測量換算應(yīng)力值[8]，即：

式中：σ彈是負載下混凝土的彈性應(yīng)力；

E為混凝土彈性模量；

ε彈為荷載影響作用下混凝土的彈性以及應(yīng)變。

實際測得的混凝土應(yīng)變ε是包括其它變化的影響的總應(yīng)變。這就是：

式中：ε彈為彈性以及應(yīng)變；ε無應(yīng)力為無應(yīng)力進行應(yīng)變。

為了補償混凝土中無應(yīng)力應(yīng)變，在布置應(yīng)力測點時，同時埋設(shè)工作應(yīng)變計和無應(yīng)力計。得出混凝土總應(yīng)變ε和無應(yīng)力應(yīng)變ε無應(yīng)力，并通過壓實公式(2)便可得出應(yīng)力應(yīng)變ε彈。

4.4.塔頂偏位測試

使用坐標法用全站儀對塔頂偏位進行測試。在岸上設(shè)置基準點進行測試，在橋塔的上、下游塔頂可以布置一個棱鏡，將全站儀架設(shè)在岸上某一基準點，后視岸上基準風(fēng)險控制點，再瞄準學(xué)生布置在橋塔上的棱鏡，即可完成測試塔頂?shù)娜S空間坐標[9]。在塔帽至恒定溫度后，在自由狀態(tài)下的測定值作為初始值沒有陽光的影響，所測量的值和結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)之間的差的開銷偏差值。

4.5.溫度場測試

由于溫度的影響可分為以下兩種，一是晝夜溫差，二是季節(jié)氣候溫差[10]。溫度變化，吊橋?qū)?nèi)部受力和變形是復(fù)雜的。溫度場測試需包括主纜和吊索等等。

1) 主纜和吊索溫度場測試

依據(jù)橋梁所在地區(qū)的氣候與天氣條件，橋梁架設(shè)過程中通過主纜斷面溫度索和主纜表面溫度測試相結(jié)合，準確掌握主纜溫度場。測溫索應(yīng)使用2 米的主纜節(jié)段，共設(shè)2 個測試斷面。橋梁施工時，將測溫索段放置在橋上，使測溫索與實橋主纜處于同一個工作溫度控制環(huán)境中。通過主纜溫度索和表面溫度測試能準確把握主纜溫度，提高主纜線形測試精度[11]。吊索可通過表面測點進行測量。

2) 溫度測試工況及時間

①主電纜安裝階段，吊索安裝階段，主塔應(yīng)該測量和主電纜吊索的溫度條件。測試工作時間為晚22:00～凌晨6:00。

② 選擇適于施工的天氣進行溫差日24 小時主纜溫度、塔溫度變化情況。

③成橋后選擇較好天氣進行24 小時主纜、吊索、塔連續(xù)監(jiān)測，同時進行主纜、吊索、主塔線形觀測。

5.結(jié)語

在施工過程中，結(jié)構(gòu)隨施工階段的變化而變化，結(jié)構(gòu)的實際參數(shù)與設(shè)計值有一定的差異，加上現(xiàn)場施工荷載及環(huán)境變化的不確定性將會使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和線形偏離設(shè)計值，這種偏離不僅影響橋梁的合龍，還會危及施工過程中結(jié)構(gòu)的安全。因此，施工監(jiān)控系統(tǒng)在施工中加強管理，才能有效地控制施工中的偏差?？梢哉f，施工監(jiān)控既是懸索橋施工發(fā)展過程中進行結(jié)構(gòu)信息安全的保證措施，又是施工企業(yè)質(zhì)量的保證措施。