斜拉橋施工控制

1、第四節(jié) 斜拉橋施工控制一、概述斜拉橋采用斜拉索來支承主梁，使主梁變成多跨支承連續(xù)梁，從而在大跨徑情況下 可以大大降低主梁的高度。這一特點使斜拉橋成為大跨徑橋梁中最有競爭能力的橋型。由于主梁纖細又是靠斜拉索支承著，顯然索力的大小和索的變形將給整個結(jié)構(gòu)的狀 態(tài)帶來很大影響。而且任一索力的改變對全橋都有影響，具有牽一發(fā)而動全身之狀。因 此，必須很好地控制索力使梁塔處于最優(yōu)的受力狀態(tài)，并利用斜拉索的預拉力來調(diào)整主 梁標高以符合設計要求。但是通過施工如何達到這個理想狀態(tài)尚有許多工程技術(shù)問題需要解決。施工控制就 是一個關鍵。必須根據(jù)設計與施工相結(jié)合，工程與控制相結(jié)合的現(xiàn)代系統(tǒng)工程學的觀點 來完善這一課題。

2、現(xiàn)就其中主要問題作扼要介紹。二、誤差特性與索力調(diào)整在實際橋梁施工中，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏離目標值的原因所涉及的范圍極其廣泛，諸如，結(jié) 構(gòu)分析時模型誤差，設計參數(shù)如彈模，截面特性，構(gòu)件自重等取值與實際不符。此外還 有構(gòu)件制作誤差，架設定位誤差以及索力張拉誤差，變位和索力計測誤差等等。作為索 力調(diào)整的主要誤差對象應該是所謂“固定誤差” ，即發(fā)生了的誤差作為結(jié)構(gòu)特征值以后不 再變化的，如尺寸、自重、剛性等誤差。 誤差的性質(zhì)與索力調(diào)整有著密切的關系， 例如：1、構(gòu)件自重誤差：這是最常見的誤差， Pc 橋梁中由于模板剛度不足，常使構(gòu)件自重增大，如天津永和 橋自重誤差達 5以上， 因此當施工中著重于控制索力， 采用

3、一次張拉法時， 梁軸線位置 偏差隨著懸臂拼裝伸長將愈來愈大。為了保證梁軸線位置和改善內(nèi)力狀況，這時只有控 制軸線位置調(diào)整索力才是比較有效的辦法。2、索的剛性誤差：在同樣引伸情況下索之剛性誤差引起索力誤差，因此施工中只有控制索力，也就是 把索力作為施工管理目標時才能有效地消除這一誤差的影響。3、梁的制作誤差：如發(fā)生主梁預拱度或局部形狀誤差 .這類誤差在以索力為管理項目的施工中，由于線 形不受限制，所以制作誤差將原樣地保留在結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受影響。相反，采用軸線位置為管理項目的施工控制中，為了保證理想的線形特使索力發(fā)生偏差，甚至大大地 擾動了結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布狀況。以上說明索力調(diào)整原則與誤差性質(zhì)的關系

4、。誤差分布狀況與索力調(diào)整也有關系。誤差分布沿橋縱向出現(xiàn)同號增加或減少的誤差稱之謂大范圍誤差。相反，出現(xiàn)正負 交替分布的誤差稱之謂小范圍誤差。顯然，小范圍誤差類似于均值為零的自噪聲干擾，可以歸人偶然誤差來一齊考慮。 小范圍誤差對于索力和軸線位置影響并不顯著，如構(gòu)件自重誤差或主梁剛性誤差出現(xiàn)正 負交替分布時，以軸線位置來控制施工時產(chǎn)生索力偏差將很小，因此，大范圍的誤差才 是索力調(diào)整的主要對象。二、索力調(diào)整的方法斜拉橋的恒載索力大多數(shù)是根據(jù)剛鉸支承連續(xù)梁的原則確定，然后通過倒退分析逐 步計算出各施工階段的索力及相應撓度。但理論計算與實際施工是存在差別的，因此在 施工中就必然會發(fā)生撓度和索力偏差值。對

5、于偏差的處理和索力的調(diào)整，有以下幾種方 法：1、一次張拉到設計索力在施工過程中每一根索都是一次張拉到設計索力，對于施工中出現(xiàn)的梁端撓度和塔 頂?shù)乃轿灰撇挥盟髁φ{(diào)整，任其自由發(fā)展，或保持索力為設計值條件下通過下一塊件 接續(xù)轉(zhuǎn)角進行調(diào)整，直至跨中合攏時撓度的偏差采用施加外力 （如壓重 ）的方法強迫合攏。 一次張拉法簡單易行，應用很廣，但對構(gòu)件的制作要求較高。如蚌埠淮河橋就是用一次 張拉法施工的。一次張拉法對已完成主梁標高和索力不予再調(diào)整。結(jié)果，主梁線形不好，索力也不 符合剛性支承連續(xù)梁計算結(jié)果，跨中強迫合攏更是進一步擾亂了內(nèi)力狀況。2. 多次張拉法在整個施工過程中對拉索進行分期分批張拉，其目的是

6、使施工各階段的索力較為合 理，竣工后索力也基本達到期望值。三臺涪江橋采用多次張拉法，天津永和橋的自動調(diào) 索法也屬于多次張拉法。上海南浦、楊浦、徐浦大橋都是由設計單位逐次下達施工控制 文件 （施工單位稱之為設計指令 ），施工單位按指令規(guī)定的張拉值張拉， 一根索要重復張拉 六、七次之多，通過索力補拉來調(diào)整主梁的抽線位置。多次張效法成橋后的線形和內(nèi)力 狀態(tài)優(yōu)于一次張拉法，但施工比較復雜。3. 卡爾曼濾波法卡爾曼濾波法類似一次張拉法，但各階段索的張拉力不是原來的設計索力，而是根 據(jù)變位的實測數(shù)值經(jīng)過濾波和反饋控制計算后給出索力的修正值。它把梁的撓度看作隨 機狀態(tài)矢量，索力 Lr 作為外加控制矢量，通過

7、適當?shù)剡x算索力以控制最后梁端或塔頂位 置達到某一指定值S,因此它對位置的控制是絕對的，對于索力的控制則是在滿足設計 位置的基礎上，以結(jié)構(gòu)內(nèi)能為最小條件下的最憂。由此可見以往的施工控制方法， 是單單從控制索力或單單從控制軸線位置來制定的。 由上節(jié)所述的誤差特性與索力調(diào)整關系可知，單方面的控制往往會顧此失彼不能獲得理 想的結(jié)果。4. 以最小二乘法確定索力調(diào)整的原則設可調(diào)整的索數(shù)為N，施工管理項目數(shù)為 M，施工管理項目可以包括索力、梁的撓 度、塔的位移或構(gòu)件截面應力等，并允許 M>N。設及為索力調(diào)整后管理項目的殘余誤 差列向量R=R1，R2,，RnT。最小二乘法在控制管理項目中能夠控制我們所關

8、心的 控制內(nèi)容，因此，只要在施工中適當?shù)剡x擇管理項目就能獲得所預期的效果。三、斜拉橋施工管理系統(tǒng)1、建立理想狀態(tài)斜拉橋是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，因此可以通過指定索力來建立其恒載內(nèi)力狀態(tài)。為 了得到在每一施工階段的初始張拉力，可以對結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)進行所謂逆施工步驟的解 體分折。但是，斜拉橋又是一種柔性結(jié)構(gòu)，在外荷載作用下，其荷載位移關系是非線 性的。引起這種非線性關系的主要原因是：索的垂度、梁柱效應、結(jié)構(gòu)受力后產(chǎn)生的 大位移。在施工階段由結(jié)構(gòu)自重、施工臨時荷載引起的非線性效應甚為顯著，因此，在進行 斜拉橋施工階段的結(jié)構(gòu)分析時，就必須用有限位移理論來考慮這種非線性的增大影響， 給出從所謂倒退分析中得到

9、的各個階段的位置和內(nèi)力控制值，以及結(jié)構(gòu)在零應力狀態(tài)下 的初始幾何形狀和位置，使得理論分析結(jié)果更接近實際結(jié)構(gòu)的反應特性。2、斜拉橋的管理系統(tǒng)斜拉橋施工管理系統(tǒng)是將“施工測定解析施工”的周期過程聯(lián)結(jié)起來在現(xiàn)場 借助計算機強大的計算能力和信息處理能力以實現(xiàn)施工控制。建立施工管理系統(tǒng)的基本 要求：(1) 管理系統(tǒng)應具有良好的適應性，對于施工可能出現(xiàn)的各種情況和誤差，能夠正確 而迅速地處理；(2) 施工管理項目應能根據(jù)實際需要自由選擇確定，也就是所關心的管理項目可以是 索力、梁塔變位、截面應力或臨時支架反力等；(3) 施工過程對索力或軸線位置都應有一定寬容度以適應施工的需要，此外，必須有 安全的施工報警

10、系統(tǒng)；四、施工控制管理框圖中的三個系統(tǒng)1、解析系統(tǒng)解析系統(tǒng)包括倒退分析程序、反饋控制程序和向前分析程序三部分。(1) 倒退分析程序：施工各階段的目標值即索力、 主梁、塔的形狀等是根據(jù)完工時橋梁設計的理想狀態(tài)， 按架設順序的倒序逐步去掉構(gòu)件和荷載，用倒退分析程序計算出來的。因此由倒退分析 程序計算出來的目標值是理想計算值，用以指導當前階段的施工。(2) 反饋控制程序：架設階段的計算值與實測值之差稱謂架設誤差，反饋控制程序根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和 誤差信息進行架設誤差分析并制定出索力調(diào)整的最優(yōu)方案，指導現(xiàn)場調(diào)整作業(yè)。調(diào)整控 制程序可以用卡爾曼濾波法、最小二乘法或自適應控制法等。(3) 實時向前分析程序：

11、向前分析和倒退分析是按施工正逆序計算的程序，因此從理想狀態(tài)進行向前計算與 倒退分析所得的結(jié)果應該是一致的。在斜拉橋分析中由于非線性因素存在，二者計算結(jié) 果略有差異，但基本一致，可供互相效驗。實時向前分析的主要目的是確定出最終計入 誤差和調(diào)整之后結(jié)構(gòu)的實際目標。施工后結(jié)構(gòu)的實際應力狀態(tài)是設計者所關心的內(nèi)容。向前分析程序的另一功能是根據(jù)當前施工階段向前計算至竣工為止，預告今后施工 中可能出現(xiàn)的狀況以及報警當前已安裝構(gòu)件是否出現(xiàn)超應力狀態(tài)。2、計測系統(tǒng)現(xiàn)場計測包括設計參數(shù)計測和施工管理項目計測二方面設計參數(shù)包括砼、鋼材等容重、彈性模量、預制或現(xiàn)澆構(gòu)件尺寸，施工荷載及狀況 等內(nèi)容，通過采樣分析可以獲得

12、各參數(shù)的誤差情況，為誤差分析和修正設計提供依據(jù)。 這部分工作量較大，且沒有明文規(guī)定，因而實施有一定困難。但明確施工控制是工程施 工和質(zhì)量校驗的重要內(nèi)容后，實施是容易的。施工管理項目主要包括索力，梁、塔變位、截面應力和臨時支架或輔助墩的支座反 力，管理項目的計測可靠性直接關系到施工控制的成敗。測定拉力值的一個方法是用振動頻率來計算 .這是利用鋼弦的橫向振動來導出頻率和 拉力的函數(shù)關系現(xiàn)在已有多種測定拉索拉力的專用設備，基本上都是用頻率關系來測定效力。使用 儀器時應注意到如測得的頻率是多個正弦波，并有反射波的影響時的量測及換算方法。3、允許誤差和報警系統(tǒng)沒有誤差的施工是不存在的。為了方便施工必須訂

13、立允許誤差標準。關于預制構(gòu)件 尺寸誤差，以及材性誤差在一般施工設計規(guī)范中已有規(guī)定。斜拉橋施工管理項目的允許 誤差尚無標準。 其實確定允許誤差標準是優(yōu)化決策問題， 一方面用以保證施工的準確度， 另一方面要給一定寬容度，便于施工。下列因素可供確定標準時參考：(1) 由于索力或梁截面應力在設計上都留有余量，因此在施工某過程中出現(xiàn)的較大誤 差并不一定導致超應力；(2) 允許誤差與施工方法有關，一次張拉法應盡可能減小誤差，采用多次張拉法時第 一次調(diào)整的誤差標準可以適當放寬；(3) 施工的不同階段對誤差的要求也有歷區(qū)別，如懸臂施工過程要求索力允許誤差為± 15，竣工后要求± 5；(4)

14、 對于施工誤差引起的結(jié)構(gòu)誤差響應進行預先分析，根據(jù)殘余誤差的限度來確定施 工精度要求；(5) 盡可能減少施工麻煩。斜拉橋施工控制誤差標準確定比較復雜，有必要結(jié)合實際橋梁工程來討論決定。五、能夠一次張拉到位嗎 ?這里所說的一次張拉到位是指在保證索力與主梁線形完全符合設計要求的前提下， 不需調(diào)索，一次張拉到位。它與前面提到的一次張拉到設計索力完全不同。大跨度斜拉橋一次張拉到位在理論上是完全辦得到的，施工控制計算機軟件可以求 出各根索施工時的張拉理論值，使得斜拉橋合攏三年（經(jīng)過收縮徐變）以后，索力和線形都 達到設計要求的理想狀態(tài)。但是有兩個問題需要解決：1、主梁的彎矩承受能力。斜拉橋主梁一般是比較薄

15、弱的，施工時有掛籃的（懸臂澆筑）或架橋機（懸臂架設）作用 在主梁上，而且位置在不斷變化，完全靠索力調(diào)整與之平衡。若索力一次張拉到理論值， 會使主梁施工時彎矩過大而無法承受。2、主梁一次達到的變位幅值是否過大。在大跨度斜拉橋的施工中，斜拉橋索力一次張拉到位而不予調(diào)整，會使一次達到的 變位幅值非常大。變位幅值的理論值與實際值之間也是會有誤差的，一次很大的變位幅 值也必會導致可觀的標高偏差.最后導致合攏困難。以上兩個因素都會使施工控制中不得不采取多次張拉法。但目 前牽索式長掛籃的使用可以大大降低掛籃重量和主梁在施工中的彎矩值和變位幅值這就為一次張拉到位提供了有利的條件。同時，通過現(xiàn)場實測實時反饋有效

16、地消除理論值與 實際值的不一致性，調(diào)整計算參數(shù)，使各階段施工循環(huán)中保證主梁標高與索力按著預先 指定的軌跡變化，這也為一次張拉到位解決了上述第二個問題。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。 然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰能”是以眾議舉寵為督：愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時，每與臣 論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、 信之，則漢室之隆，可計日而待也L臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧 臣于草廬之中，咨臣以當世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后