探討某懸索橋成橋線形的施工誤差影響及控制措施

李政杰

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

在施工之前，針對(duì)施工誤差因素對(duì)成橋線形的影響進(jìn)行了理論分析，并對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制，以保證成橋線形與設(shè)計(jì)線形達(dá)到一致。通過(guò)成橋線形的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和科學(xué)控制，可以有效地解決該類橋梁的線形控制問(wèn)題，在工程上有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]。

1 工程概況

某橋梁工程項(xiàng)目為156 m 的混凝土懸索橋，由5 跨組成（40+80+156+80+40）m。該橋主梁結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；主纜采用平行鋼索，其側(cè)吊為鋼結(jié)構(gòu)吊桿，除此之外其他吊桿為平行鋼絲索。此橋整體結(jié)構(gòu)布局如圖1。

圖1 橋型及整體結(jié)構(gòu)布局（單位：cm）

2 影響成橋線形的主要誤差類別

懸索橋梁結(jié)構(gòu)的受力平衡狀態(tài)主要包括纜索系統(tǒng)和主梁、吊索力和主梁之間的平衡[2]。其主纜是按照吊點(diǎn)劃分的多個(gè)懸鏈線，見(jiàn)圖2。

圖2 自重與吊桿力作用下主纜多段懸鏈線

在成橋過(guò)程中，主梁、主索線形的施工誤差主要表現(xiàn)在：

（1）主梁節(jié)段的自重偏差。

（2）在安裝主梁的過(guò)程中，初始的線形偏差。

（3）在安裝主纜時(shí)，存在初始線形偏差。

（4）在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的吊索張力偏差。

（5）在制作主梁、主索時(shí)，主要由彈性模量引起的剛性偏差。

3 MIDAS/Civil 構(gòu)建有限元模型

利用MIDAS/Civil軟件構(gòu)建全橋空間桿系單元模型，對(duì)施工中的各類誤差因素進(jìn)行敏感性分析。

（1）該分析模型中，主要采用纜索單元，其主梁、索塔結(jié)構(gòu)、吊桿主要采用梁體單元和桁架單元，全橋采用彈性連接，所有結(jié)構(gòu)參數(shù)按設(shè)計(jì)值進(jìn)行。

（2）根據(jù)施工階段的施工過(guò)程分析模型，對(duì)不同施工誤差造成的最終成橋線形進(jìn)行了計(jì)算。

（3）在各類施工誤差產(chǎn)生的每一重要施工環(huán)節(jié)，直到最后達(dá)到成橋目標(biāo)的其他階段邊界條件，所有施工階段的荷載條件都是按照實(shí)際的橋梁施工程序來(lái)模擬[3]。

4 成橋線形的主要影響因素

4.1 安裝主梁時(shí)初始線形誤差

主梁施工環(huán)節(jié)，初始線形誤差來(lái)源最重要的是預(yù)拱度的設(shè)定。該文采用二次拋物線法將主梁的預(yù)拱度設(shè)為-4.60 cm、-9.20 cm、4.60 cm，并按二次拋物線的線形分布規(guī)律的特征點(diǎn)，逐步分布在主梁上，分別求出L1、L2、L33 組主梁的安裝線形，并對(duì)其進(jìn)行了靈敏度分析，其結(jié)果如表1。

表1 主梁成橋線形誤差敏感因子

4.2 主纜初始線形安裝誤差

主纜線初設(shè)誤差的大小是由主纜制作時(shí)的無(wú)應(yīng)力下料長(zhǎng)度決定的。根據(jù)主纜理論下拉長(zhǎng)度，將下料長(zhǎng)度的誤差分為-2 cm、-4 cm、-6 cm、-8 cm，得出了4 套不同施工誤差的空纜線形。通過(guò)有限元分析，其計(jì)算結(jié)論見(jiàn)表2。

表2 主纜安裝階段的初始線形誤差對(duì)主纜成橋線形的敏感因子

對(duì)于主纜線初設(shè)誤差，溫度對(duì)其初始線形影響很大，如圖3 所示。因而在架設(shè)主纜時(shí)，由于溫度的影響，需要校正因溫度影響而產(chǎn)生的誤差。

圖3 不同溫度下的主纜初始線形安裝誤差

4.3 主梁混凝土重度、彈性模量誤差

受主梁施工階段混凝土的配合比及其他施工工序質(zhì)量等因素的影響，導(dǎo)致其在材料性能、彈性模量等方面與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差[4]。

在不同重度誤差情況下，主梁、主纜成橋線形的變化情況見(jiàn)圖4。通過(guò)數(shù)值仿真分析，計(jì)算得出混凝土加勁梁重度、彈性模量誤差、對(duì)成橋線形的敏感性系數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 主梁材料特性誤差對(duì)主梁線形的影響因子

圖4 不同重度誤差下的主纜與主梁成橋線形

4.4 吊索張拉力誤差

在自錨式懸索橋系統(tǒng)轉(zhuǎn)換階段，由于施工機(jī)械和張拉人員的操作偏差，導(dǎo)致張拉力欠張拉、超張拉是不可避免的情況。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，分析出主梁成橋線形的敏感系數(shù)為0.01（見(jiàn)表4），不同張力偏差情況下，主纜與主梁的完工線形見(jiàn)圖5。

圖5 體系轉(zhuǎn)換誤差下主纜與主梁竣工線形

表4 混凝土主梁成橋線形對(duì)彈性模量計(jì)算誤差敏感因子

5 基于施工誤差的線形控制措施及實(shí)施效果

基于施工誤差，對(duì)該懸索橋的線形參數(shù)進(jìn)行了敏感性計(jì)算分析，見(jiàn)表5。

計(jì)算分析結(jié)果表明，最敏感的因子是初設(shè)主索線形誤差和初設(shè)主梁線形誤差，其次是主梁體材料誤差的重度誤差、吊索張拉力誤差。這些施工偏差會(huì)長(zhǎng)期影響自錨懸索橋的結(jié)構(gòu)，根據(jù)影響時(shí)間、可否恢復(fù)等因素，給出了相應(yīng)的改進(jìn)方案（表5）。

表5 主要影響因素及控制措施

橋梁體系轉(zhuǎn)換完成后，有效控制了成橋線形和吊索索力，其主梁初始線形、竣工實(shí)測(cè)線形、成橋目標(biāo)線形等情況見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)測(cè)線形與理論線形分析圖

由圖6 的分析數(shù)據(jù)可知：

（1）初定主梁的線形設(shè)置，考慮的因素包括恒載變形、1/2 活荷載變形、按10 年計(jì)算的混凝土收縮徐變、結(jié)合各施工誤差的預(yù)估值。

（2）目標(biāo)成橋線形設(shè)置，考慮的因素包括恒載變形、按10 年計(jì)算的混凝土收縮徐變。

（3）扣除預(yù)留的混凝土收縮徐變長(zhǎng)期下?lián)项A(yù)拋高值后，橋面南邊、北邊的實(shí)測(cè)線形與成橋線形基本相近，如果再考慮扣除后期車輛活載及其他載荷的組合影響撓度值后，實(shí)測(cè)的橋梁線形將更接近理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)線形。

6 結(jié)論

通過(guò)上述成橋線形參數(shù)敏感性分析，影響主梁線形誤差的主要敏感因子分別為；主梁、主纜初始線形誤差、吊桿張拉誤差、主梁材料的彈性模量誤差。

主梁重度比彈性模量的誤差更為敏感，因此施工之前應(yīng)對(duì)主梁混凝土重度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，該施工誤差數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，要精準(zhǔn)計(jì)算出主梁的重度參數(shù)，除混凝土重度外，還應(yīng)包括每處梁段的鋼材、預(yù)埋構(gòu)件等總重量。對(duì)成橋線形誤差進(jìn)行敏感性分析、對(duì)誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，以求出主梁、主纜的安裝誤差允許值、吊桿張拉誤差允許值等，從而達(dá)到改善成橋線形控制的目的。