大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)

鄒曉琴

摘 要：大跨徑鋼箱梁斜拉橋不但可以實(shí)現(xiàn)更大的通航需求，還可以簡(jiǎn)化橋梁基礎(chǔ)在復(fù)雜環(huán)境下的施工難度，被廣泛應(yīng)用于跨海大橋的建設(shè)中。為了確定合理的成橋目標(biāo)狀態(tài)，并建立施工過(guò)程中線形和內(nèi)力的控制方法。本文對(duì)跨海交通工程大跨徑鋼箱梁斜拉橋的施工控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)明確橋梁施工過(guò)程若干關(guān)鍵控制要點(diǎn)，借助基于自適應(yīng)控制原理的施工全過(guò)程有限元計(jì)算分析，并有針對(duì)性的建立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法和控制策略，為鋼梁懸臂施工階段的線形控制提供有效的理論指導(dǎo)依據(jù)，并為建立系統(tǒng)而有效的施工控制系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁;斜拉橋;施工控制;自適應(yīng)控制;有限元分析;線形控制

中圖分類號(hào)：U422.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

當(dāng)前，大跨徑鋼箱梁斜拉橋因?yàn)槠渌邆涞莫?dú)特特點(diǎn)，在跨海大橋建設(shè)中的應(yīng)用非常的廣泛。為了確保大跨徑鋼箱梁斜拉橋建設(shè)質(zhì)量，接下來(lái)主要就結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)大跨徑鋼箱梁斜拉橋施工控制技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 工程概況

跨海交通工程主跨跨徑為580 m的整幅鋼箱梁斜拉橋，大橋全長(zhǎng)1 170 m，位于半徑25 000 m的豎曲線上，兩側(cè)橋面縱坡2.0%，橋面寬43.5 m，設(shè)2.5%雙向橫坡。大橋?yàn)?跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系，跨徑組成為（110+185+580+185+110）m，邊主跨比0.509。

大橋先施工主塔、過(guò)渡墩及輔助墩，再安裝索塔區(qū)主梁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段主梁施工采用橋面吊機(jī)施工。主梁合龍按照先邊跨、后中跨的順序進(jìn)行。最后進(jìn)行橋面附屬設(shè)施和局部索力調(diào)整。

2 施工控制的關(guān)鍵問(wèn)題

綜合大跨徑鋼箱梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和海上施工條件，施工控制中的關(guān)鍵問(wèn)題分析如下：

（1）大跨度鋼主梁斜拉橋在懸臂施工階段主梁的線形控制。采用自適應(yīng)控制思路，懸臂施工階段在施工前幾個(gè)節(jié)段時(shí)，出現(xiàn)誤差后及時(shí)分析誤差發(fā)生的原因，識(shí)別設(shè)計(jì)參數(shù)后及時(shí)修正計(jì)算模型，通過(guò)修改施工索力計(jì)劃調(diào)整線型誤差，使理論計(jì)算更逼近于實(shí)際響應(yīng)，并且修正后的有限元模型得到的新索力計(jì)劃必然比原計(jì)劃更加合理，因而出現(xiàn)誤差的可能性減小，在以后的施工中索力調(diào)整的要求將越來(lái)越少。

（2）懸臂拼裝施工斜拉橋過(guò)程控制。該橋斜拉索傾角變化大，結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)明顯，在拉索索力作用下，結(jié)構(gòu)將承受較大的線形和內(nèi)力變化，因此必須準(zhǔn)確模擬精確監(jiān)控，制定合理的斜拉索初張力，保證施工過(guò)程中主塔柱間受力平衡，并將理論計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，以便對(duì)各階段斜拉索張拉力進(jìn)行調(diào)整[1]。

（3）結(jié)構(gòu)自身的參數(shù)及環(huán)境參數(shù)的全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)構(gòu)自重參數(shù)的估計(jì)直接影響結(jié)構(gòu)的線形控制，施工臨時(shí)荷載的估計(jì)需要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工條件;日照作用、晝夜溫差對(duì)主塔、主梁、索的線形和應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生很大影響，因此全過(guò)程精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化及其影響量，并進(jìn)行修正計(jì)算，以便最大程度的減小溫差所帶來(lái)的影響。

3 施工控制全過(guò)程計(jì)算分析內(nèi)容及方法

3.1 成橋狀態(tài)和施工過(guò)程控制目標(biāo)的確定

學(xué)者們自斜拉橋建設(shè)時(shí)就開(kāi)始研究成橋狀態(tài)確定施工安裝索力及構(gòu)件安裝線形的算法，如倒退分析、無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法等。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法從成橋狀態(tài)確定的每個(gè)施工步驟控制數(shù)據(jù)，在橋梁體系轉(zhuǎn)換時(shí)仍采用倒退法分析，需要施加強(qiáng)迫力才能達(dá)到成橋狀態(tài)。為避免上述問(wèn)題需將成橋狀態(tài)與施工過(guò)程同時(shí)考慮[3]。

根據(jù)斜拉橋的受力特點(diǎn)，采用最小彎曲能量法，即主梁彎矩較小時(shí)接近最優(yōu)[4]。以此來(lái)確定施工過(guò)程中的索力方案，該橋施工階段張拉力及成橋索力如圖1所示。

3.2 關(guān)鍵施工控制數(shù)據(jù)的確定

對(duì)于該橋，由于通過(guò)施工過(guò)程斜拉索合理的張拉方案將主梁施工累積變形控制在比較小的范圍內(nèi)，且變形形狀較為平順，鋼箱梁制造時(shí)可不考慮設(shè)置制造預(yù)拱度（該橋鋼梁制造線形如圖2所示），即按照豎曲線線形（設(shè)計(jì)高程）進(jìn)行制造，懸臂施工過(guò)程中通過(guò)微調(diào)相鄰梁段間焊縫寬度的方式來(lái)調(diào)整相應(yīng)梁段施工累積位移從而達(dá)到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。

3.3 鋼梁橫向變形計(jì)算

考慮到本橋鋼箱梁橫橋向?qū)挾冗_(dá)46 m（含風(fēng)嘴），因此需要對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程中的橫橋向變形進(jìn)行計(jì)算。但由于全橋空間桿系有限元計(jì)算模型無(wú)法計(jì)算鋼梁本身的橫向變形，因此需建立相應(yīng)的板殼空間局部模型進(jìn)行橫向變形分析，確定是否有必要設(shè)置相應(yīng)的橫向預(yù)拱度，從而保證成橋階段鋼梁橫坡滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在一期+二期荷載作用下，鋼梁中心與翼緣位置橫向變形差僅為23.3 mm（無(wú)隔板位置）和22.1 mm（有隔板位置），對(duì)橫坡影響約為1/1 000，可不設(shè)置鋼梁橫向預(yù)拱度。

3.4 鋼梁懸拼階段計(jì)算分析

該階段計(jì)算分析的目的是得到斜拉橋施工過(guò)程中各階段恒載及施工荷載等外力作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形并與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)（包括節(jié)段重量、索力、標(biāo)高、塔偏、應(yīng)變、溫度等）進(jìn)行對(duì)比分析。鋼梁節(jié)段安裝過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下實(shí)際荷載、邊界條件、實(shí)際參數(shù)和誤差狀況等因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)響應(yīng)分析。

根據(jù)響應(yīng)分析對(duì)當(dāng)前梁段進(jìn)行調(diào)整，使實(shí)際狀態(tài)逼近施工階段理想狀態(tài)，對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)下一梁段的施工和斜拉索張拉進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)

施工過(guò)程監(jiān)測(cè)是施工控制系統(tǒng)中獲取反饋的必要組成部分，施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善與否將直接影響控制系統(tǒng)的精度及結(jié)構(gòu)安全。

4.1 常規(guī)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立的各橋平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)點(diǎn)，設(shè)立監(jiān)控高程控制點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)下料完成后應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)應(yīng)力制造線形進(jìn)行復(fù)核。在后續(xù)主梁懸臂拼裝階段中，及時(shí)對(duì)主塔的基礎(chǔ)沉降、主塔線形（偏位、高程、塔柱傾斜度）、主梁各節(jié)段線形（主梁高程、軸線、橫坡等）以及斜拉索力進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，保證施工過(guò)程中的線形與監(jiān)控指令及時(shí)核對(duì)，確定理論值與實(shí)測(cè)值的偏差，并通過(guò)自適應(yīng)原理及時(shí)修正拼裝誤差[5]。

4.2 考慮特殊條件下的主梁線形控制方法

由于大跨徑斜拉橋鋼主梁剛度較柔，主梁前端標(biāo)高受索梁溫差和主梁溫度梯度影響很大，在施工過(guò)程中，通常采取限制鋼梁安裝定位和測(cè)量的時(shí)間來(lái)避免溫度效應(yīng)的影響，然而迫于工期緊張、海上施工環(huán)境差等客觀因素，不得不選擇不利自然條件下施工，這將嚴(yán)重影響鋼梁的精確定位和線形測(cè)量工作，為此確保下一節(jié)段匹配的精度是主梁架設(shè)階段需要解決的重要問(wèn)題[6]。

本橋采用無(wú)應(yīng)力線形配合切線拼裝的方法，對(duì)節(jié)段間的夾角進(jìn)行控制，從而回避溫度、風(fēng)等不利自然條件影響，達(dá)到匹配階段主梁標(biāo)高控制的目的。主梁安裝時(shí)只需將制造階段主梁預(yù)拼無(wú)應(yīng)力線形恢復(fù)，則成橋后主梁內(nèi)力與變形狀態(tài)即是目標(biāo)狀態(tài)。因此，匹配時(shí)需嚴(yán)格控制主梁無(wú)應(yīng)力夾角、曲率、軸線。通過(guò)調(diào)整梁段間相對(duì)標(biāo)高關(guān)系控制梁段間的無(wú)應(yīng)力夾角，使主梁線形平順。當(dāng)然，實(shí)際施工中需考慮已拼梁段高程誤差、轉(zhuǎn)角誤差以及待拼梁段N在吊裝過(guò)程中自重彎曲變形誤差影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)跨海交通工程進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)大跨徑鋼箱梁斜拉橋的施工控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。充分考慮了大跨徑雙塔鋼箱梁斜拉橋結(jié)構(gòu)及環(huán)境特點(diǎn)，明確了該類橋梁在施工控制中的關(guān)鍵控制要點(diǎn)，借助基于自適應(yīng)控制原理的有限元計(jì)算分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段完善線形控制策略和施工控制系統(tǒng)。本文在綜合現(xiàn)有理論研究與實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，對(duì)大跨徑雙塔斜拉橋的施工控制策略進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，可為跨海交通工程高質(zhì)量實(shí)施提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]梁鵬，肖汝誠(chéng)，等.斜拉橋索力優(yōu)化實(shí)用方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（11）：1270-1274.

[3]顏東煌.斜拉橋合理設(shè)計(jì)狀態(tài)確定與施工控制[D].湖南大學(xué)，2001.

[4]向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]尼爾斯丁吉姆辛（姚玲森等譯）.纜索承重橋梁[M].北京：人民交通出版社，1992.

[6]常英.大跨鋼箱梁斜拉橋施工控制要點(diǎn)分析[J].公路交通科技，2001（1）：39-43.