幾何控制法在大跨度斜拉橋施工誤差調(diào)整中的應(yīng)用

朱小剛

(江蘇東南工程咨詢有限公司， 江蘇 南京 210018)

斜拉橋傳統(tǒng)的誤差調(diào)整法能對計算參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)整，保證橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力處于平衡狀態(tài)。但實際施工中可能出現(xiàn)斜拉索長度過長或過短等問題，采用傳統(tǒng)的控制法很難保證施工中的參數(shù)控制。目前斜拉橋施工誤差調(diào)整方法較多，應(yīng)用較廣泛的是幾何控制法。王學(xué)偉等基于幾何控制法，對斜拉橋主梁制造夾角誤差變化及傳播規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主梁剛度越大，主梁夾角引起誤差傳遞的能力越強(qiáng)；黃燦、謝明志等通過對大跨度斜拉橋的分析，對幾何控制法的參數(shù)敏感性進(jìn)行對比，認(rèn)為邊跨索力及應(yīng)力對參數(shù)的變化很敏感，中跨對線形變化最敏感。該文對傳統(tǒng)誤差調(diào)整和幾何誤差調(diào)整兩種方法進(jìn)行比較，對大跨度斜拉橋施工過程誤差調(diào)整進(jìn)行分析，為大跨度斜拉橋施工參數(shù)控制提供借鑒和指導(dǎo)。

1 誤差分析

斜拉橋施工中通過現(xiàn)場實測和有限元模擬計算得到的參數(shù)常存在出入，即理論值與實際值之間存在誤差。兩者之間誤差主要來自以下方面：1) 計算參數(shù)誤差，包括荷載誤差(由梁截面的重量誤差和施工臨時荷載誤差造成)、幾何設(shè)計參數(shù)誤差(主要為鋼梁長度、無應(yīng)力拉索長度、拉索錨固點及索導(dǎo)定位偏差)、結(jié)構(gòu)性能誤差(包括單元的抗彎剛度、材料的彈性模量等偏差)。2) 環(huán)境因素引起的誤差，如不同天氣與氣溫的影響，這在理論計算時是難以預(yù)估準(zhǔn)確的。3) 測量誤差，由測量儀器和人為觀測帶來的偏差，最好的控制方法是通過提高測量儀器精度并對測量方法進(jìn)行改進(jìn)。4) 施工誤差，主要由不正當(dāng)操作或趕工期施工所引起，如養(yǎng)護(hù)時間太短、隨意堆積臨時荷載、技工操作不當(dāng)?shù)取?/p>

對誤差進(jìn)行調(diào)整，可使誤差對橋梁結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)的影響程度達(dá)到最小，同時使橋梁達(dá)到較好的定位和內(nèi)力狀態(tài)，對于橋梁的耐久性具有重要意義。誤差調(diào)整成功與否直接關(guān)系到施工控制的成敗。

2 幾何控制法原理

傳統(tǒng)的誤差調(diào)控法以主梁標(biāo)高和應(yīng)力為控制參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)較大誤差時，必須重新計算主梁的安裝高度和施工張力，對施工現(xiàn)場出現(xiàn)誤差后的可調(diào)性較差。因此，采用幾何控制法進(jìn)行調(diào)整。該方法以成橋狀態(tài)時無應(yīng)力索長為主要控制參數(shù)，通過修正誤差模型將成橋狀態(tài)的索長調(diào)整至基準(zhǔn)狀態(tài)。

假設(shè)施工計算模型計算得到的無應(yīng)力索長為L′，基準(zhǔn)狀態(tài)的索長為L，則誤差ΔL為：

ΔL=L′-L

(1)

由于索長誤差也對應(yīng)著索力誤差，根據(jù)無應(yīng)力狀態(tài)法原理，可按下式對索力誤差ΔT進(jìn)行調(diào)整：

ΔT=(EA·ΔL)/L

(2)

式中：E為彈性模量；A為界面面積。

對初張索力進(jìn)行第一次調(diào)整，得到修正后的初張力T1：

T1=T0+βΔT

(3)

式中：β為系數(shù)，其值為-1～1。

計算在T1狀態(tài)下無應(yīng)力索長L1，并與基準(zhǔn)狀態(tài)的索長L進(jìn)行比較，利用二分法理論對初張力進(jìn)行第二次修正，得到T2：

T2=(T1+T0)/2

(4)

然后利用T2計算無應(yīng)力索長L2并與L進(jìn)行比較，如此反復(fù)進(jìn)行索長修正，使誤差達(dá)到精度要求。

該方法可有效避免傳統(tǒng)誤差只保證索力不變，沒有應(yīng)力狀態(tài)索長及原始狀態(tài)無應(yīng)力索長的局限性，對索長進(jìn)行調(diào)整時，可同時滿足應(yīng)力狀態(tài)自動找到基準(zhǔn)狀態(tài)，從而使鋼梁的定位誤差更小，既可降低施工過程中參數(shù)控制的難度，又能保證結(jié)構(gòu)線形和應(yīng)力狀態(tài)控制精度。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 工程背景

某鋼箱梁斜拉橋總長2 680 m，橋面最大縱向坡度設(shè)計為0.45%，橋梁主塔最大高度約為172 m，從中間塔向兩邊側(cè)向塔逐漸降低，單向通道從外向內(nèi)依次分為錨固區(qū)、欄桿、緊急停車帶、四機(jī)動車道、路緣帶、中心花園等。全橋設(shè)置576 根斜拉索，每個塔的左右分別設(shè)置48 根，共6個塔。塔、索布置見圖1。斜拉索材料為抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa的平行鋼絲，其中最長斜拉索為233.8 m，單根最大重量約為19.1 t，設(shè)計應(yīng)力上限值為0.45fpk，設(shè)計應(yīng)力幅值為200 MPa。

圖1 塔、索的布置形式

3.2 荷載誤差對成橋狀態(tài)的影響分析

以臨時荷載誤差為例，對比分析施工過程中采取誤差控制的優(yōu)越性。原設(shè)計基準(zhǔn)狀態(tài)中，計劃采用自重115 t的起重機(jī)進(jìn)行施工，但實際施工中采用自重為134 t的起重機(jī)，重量比原設(shè)計基準(zhǔn)狀態(tài)高約18%，即施工臨時荷載將產(chǎn)生誤差。兩種起重機(jī)械在空載和施工時對標(biāo)準(zhǔn)梁截面鋼梁前后支點產(chǎn)生的應(yīng)力見表1。

表1 兩種工況下前后支點的反應(yīng)力kN

將基準(zhǔn)數(shù)值和實際數(shù)值代入相關(guān)公式，計算得到荷載誤差對索力和無應(yīng)力索長的影響。圖2為基準(zhǔn)狀態(tài)及臨時荷載增加18%后成橋索力與無應(yīng)力索長的誤差。

圖2 基準(zhǔn)狀態(tài)和實際狀態(tài)偏差分析

從圖2可看出：在原設(shè)計基準(zhǔn)狀態(tài)下，成橋索力最大減小-7.2%，最大增加2.9%，無應(yīng)力索長的最大誤差為2.4 cm；實際施工中更改為自重為134 t的起重機(jī)后，成橋索力最大減小-5.9%，最大增加3.6%，無應(yīng)力索長的最大誤差為3.8 cm。可見，如果在施工過程中出現(xiàn)臨時荷載的重大改變，而在計算模型中又沒有給予充分考慮和調(diào)整，則實際成橋狀態(tài)和理想成橋狀態(tài)之間必然產(chǎn)生較大偏差，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致停工。

3.3 傳統(tǒng)誤差調(diào)整結(jié)果

傳統(tǒng)誤差調(diào)整主要以索力為接近目標(biāo)，選取Z3塔單幅外側(cè)24根拉索的索力(由第二張拉索力確定)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。

從圖3可看出：采用傳統(tǒng)誤差調(diào)整法對索的初始張力進(jìn)行調(diào)整，能使成橋索力有效貼近于設(shè)計索力；靠河側(cè)的索力略小于靠岸側(cè)的索力；成橋索力最大絕對誤差為2.72%，平均絕對誤差為1.53%。通過索力變化對索長進(jìn)行計算并與設(shè)計基準(zhǔn)狀態(tài)下索長進(jìn)行對比，無應(yīng)力索長最大誤差為5.2 cm，且靠岸側(cè)的索長普遍減小，靠河側(cè)索長普遍增大。雖然錨索螺母在一定程度上可起到調(diào)節(jié)長度的作用，但調(diào)節(jié)量畢竟有限，加上施工中其他誤差因素的影響，可能導(dǎo)致錨索出現(xiàn)過長或過短的現(xiàn)象，對施工產(chǎn)生不利影響。

圖3 傳統(tǒng)調(diào)整法誤差結(jié)果

3.4 幾何誤差調(diào)整結(jié)果

采用幾何誤差調(diào)控法(β取0.6)對成橋索力進(jìn)行二分法運(yùn)算，得到第一組索力T1，在減小成橋索力誤差的情況下繼續(xù)進(jìn)行第二次二分法運(yùn)算，得到T2，以此類推共計算得到3組索力。3組索力下無應(yīng)力索長與基準(zhǔn)狀態(tài)下無應(yīng)力索長的誤差見圖4。從圖4可看出：第一組計算索力誤差波動較大，特別是Z4塔靠河側(cè)，整體誤差較大，并在Z5Z12處產(chǎn)生誤差突變；第二組張拉力計算誤差波動也較大，只是計算誤差與第一組時變化相反；經(jīng)過3次二分法運(yùn)算后，無應(yīng)力索長(第三組張拉力)的誤差計算結(jié)果大部分控制在1 cm以內(nèi)，最大誤差出現(xiàn)在橋的中心位置，僅為4.9 cm?？梢?，幾何誤差法在調(diào)控索長方面具有一定優(yōu)勢。

選取Z3塔單幅外側(cè)24根拉索索力進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。從圖5可看出：采用幾何控制法，以索力和索長為控制參數(shù)，能有效消除誤差，使無應(yīng)力索長很快接近目標(biāo)索長，并能將基本狀態(tài)下的完整索力控制在最大值附近；靠河側(cè)的誤差略低于靠岸側(cè)，且波動更?。蛔畲鬅o應(yīng)力索長誤差為2.12%，平均絕對誤差僅為1.37%。可見，幾何控制法在控制誤差精度上也具有一定優(yōu)勢。從誤差減小速度和精度上考慮，幾何控制法均優(yōu)于傳統(tǒng)誤差控制法，能在大跨度斜拉橋施工控制誤差調(diào)整中發(fā)揮重要作用。

圖4 幾何誤差法調(diào)控?zé)o應(yīng)力索長誤差變化

圖5 幾何誤差調(diào)整法索力誤差結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 傳統(tǒng)誤差調(diào)整法側(cè)重于對橋梁內(nèi)力的調(diào)整，可達(dá)到成橋索力有效接近基準(zhǔn)狀態(tài)的目的。但對無應(yīng)力索長調(diào)控效果不佳，可能在施工過程中出現(xiàn)索長過大或過小的現(xiàn)象，影響正常施工。

(2) 幾何控制法從索長和應(yīng)力兩個角度并采用二分運(yùn)算法對誤差進(jìn)行調(diào)整，可最大程度消除誤差的影響，同時減少施工現(xiàn)場索長過大或過小的現(xiàn)象。

(3) 從誤差調(diào)控速度和調(diào)控精度來講，幾何控制法均具有一定優(yōu)勢，建議在大跨度斜拉橋施工控制誤差調(diào)整中推廣運(yùn)用。