雙套拱塔斜拉橋施工控制技術(shù)研究

雙套拱塔斜拉橋施工控制技術(shù)研究

1施工控制的技術(shù)隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展和斜轉(zhuǎn)橋的合理結(jié)構(gòu)，中國修建了大量的斜轉(zhuǎn)橋。雙套拱塔斜拉橋是造型較為特別的一種斜拉橋,作為一種特殊的結(jié)構(gòu)形式,其設(shè)計(jì)和施工與一般斜拉橋有顯著的不同,因此該類橋梁的施工控制就顯得尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對斜拉橋的施工控制進(jìn)行了許多研究,提出了卡爾曼濾波法、最小二乘誤差控制法、自適應(yīng)控制法、無應(yīng)力狀態(tài)控制法等許多實(shí)用控制方法。這些方法的實(shí)質(zhì)都是基于對施工反饋數(shù)據(jù)的誤差分析,通過計(jì)算和施工手段對結(jié)構(gòu)的目標(biāo)狀態(tài)和施工的實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整,達(dá)到對施工誤差進(jìn)行控制的目的。施工控制的方法必須與各類斜拉橋設(shè)計(jì)、施工的特點(diǎn)相結(jié)合才能在確保結(jié)構(gòu)安全及施工便捷的前提下切實(shí)可靠地實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。由于目前國內(nèi)大多數(shù)斜拉橋的施工控制都是針對常規(guī)的混凝土斜拉橋進(jìn)行的,其相應(yīng)的控制方法也是針對常規(guī)混凝土斜拉橋的施工特點(diǎn)提出來的,對于雙套拱塔斜拉橋這種比較特殊的橋型施工控制積累的經(jīng)驗(yàn)較少。本文以小凌河大橋?yàn)楸尘?研究雙套拱塔斜拉橋施工控制的技術(shù)要點(diǎn)。2主橋結(jié)構(gòu)總體布置小凌河大橋的主橋?yàn)殡p套拱塔斜拉橋,跨徑為108m+92m,橋?qū)?0m。主梁為雙鋼箱結(jié)構(gòu),橋塔為雙拱形橋塔,外拱塔高65.522m,傾角8°,內(nèi)拱塔高54.256m,傾角15°。兩拱塔之間用13根拉(壓)桿(統(tǒng)稱塔間索)連接,上部12根為拉桿,采用平行鋼絲拉索,最底下一根為壓桿,通過鉸與兩拱塔相連;全橋共設(shè)置20對斜拉索,主、邊跨梁段索距均為8m;拱塔間其他桿件為裝飾結(jié)構(gòu)。小凌河大橋主橋總體布置見圖1。小凌河大橋的施工方法:拱塔在橋面上“臥式拼裝”,然后進(jìn)行豎向轉(zhuǎn)體施工,豎向轉(zhuǎn)體到位后,安裝并張拉斜拉索,再通過梁底砂箱泄砂落梁而張緊斜拉索,最后進(jìn)行橋面鋪裝。圖2為施工中的小凌河大橋。3施工控制方案采用MIDASCivil有限元軟件建立小凌河大橋空間計(jì)算模型(圖3),進(jìn)行施工過程的模擬計(jì)算。塔間索及斜拉索采用索單元模擬,壓桿V0采用桁架單元模擬,主梁及橋塔等其他構(gòu)件均采用梁單元模擬,全橋共有節(jié)點(diǎn)312個(gè),單元449個(gè)。根據(jù)施工控制方案對全橋進(jìn)行整個(gè)施工階段的非線性分析計(jì)算。在模擬索單元的張拉時(shí)將單元的無應(yīng)力長度作為有限元計(jì)算的輸入量,通過修改單元無應(yīng)力長度來調(diào)整索單元索力。利用“單元生死”,在有無應(yīng)力長度變化的拉索處建立2個(gè)單元,賦予不同的無應(yīng)力長度,張拉過程中激活和鈍化單元,實(shí)現(xiàn)無應(yīng)力長度控制法的計(jì)算。4成橋狀態(tài)施工控制有限元計(jì)算結(jié)果表明,小凌河大橋在施工過程中及成橋狀態(tài),主梁和橋塔應(yīng)力均小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度且安全儲備大,而施工方法對索力的影響很大,因此該橋施工控制的關(guān)鍵在于拉索索力的張拉控制。4.1塔間索安裝方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)給出的張拉方案如下:①安裝拉桿V12、V1并張拉至設(shè)計(jì)索力;②安裝壓桿V0;③自下至上安裝拉桿V2～V11但不張拉,隨著后續(xù)斜拉索的逐步張拉,拉桿V2～V11被動張拉至設(shè)計(jì)索力,即拉桿V2～V11在安裝時(shí)處于低應(yīng)力松弛狀態(tài);④自內(nèi)而外安裝并張拉斜拉索;⑤通過鋼箱梁底設(shè)置的砂箱均勻落梁至鋼箱梁脫離支架,完成體系轉(zhuǎn)換;⑥施工橋面及附屬設(shè)施,最后達(dá)到成橋狀態(tài)。其中,拉桿V2～V11的安裝采用無應(yīng)力長度控制,在拉桿V12、V1張拉至一定噸位后,在拱塔上用拉力尺量取剩余塔間索錨固點(diǎn)的間距,然后在拉桿、壓桿上進(jìn)行標(biāo)定,安裝塔間索時(shí)只要安裝到標(biāo)定位置即可。設(shè)計(jì)給出的方案存在以下缺陷:①外拱塔豎向轉(zhuǎn)體到位后,拱塔上存在著豎向轉(zhuǎn)體用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)(三角架、索鞍等),若此時(shí)將拉桿V12、V1張拉至設(shè)計(jì)索力,成橋狀態(tài)時(shí)壓桿V0壓力會過大,容易發(fā)生壓桿失穩(wěn)(拉桿設(shè)計(jì)安裝索力為裸拱情況下的張拉索力,后安裝壓桿,由于臨時(shí)結(jié)構(gòu)的拆除導(dǎo)致拉桿V12、V1索力降低,壓桿V0軸力增大,最終導(dǎo)致成橋階段壓桿V0壓力過大)。②塔間索在工廠制作過程中就存在誤差[《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》(GB/T18365-2001)規(guī)定,“超張拉檢驗(yàn)以后的成品拉索長度允許誤差為:當(dāng)成品拉索長度小于100m時(shí),誤差小于或等于20mm”],而對于該橋,塔間索的無應(yīng)力長度誤差幾毫米對索力的影響就會很大,以拉桿V11為例,2mm的無應(yīng)力長度誤差會造成索力6%的誤差,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出施工規(guī)范的要求。③現(xiàn)場測量塔間索錨固點(diǎn)間距也會出現(xiàn)誤差,而且測量是高空作業(yè),危險(xiǎn)性高,不易操作。由此可見,按照設(shè)計(jì)推薦的完全按照無應(yīng)力長度來控制塔間索索力的施工方法是不可行的,塔間索無應(yīng)力索長度控制與張拉索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、現(xiàn)場因素必須有效結(jié)合,才能確保結(jié)構(gòu)安全。為了消除實(shí)際結(jié)構(gòu)斜拉索制作誤差、錨固點(diǎn)位置偏差對斜拉索無應(yīng)力長度的影響,拉索掛設(shè)(初張拉)時(shí)仍以張拉力控制;后續(xù)階段(二次張拉)則用錨杯拔出量(無應(yīng)力索長調(diào)整量)控制斜拉索的張拉。4.2種方案的施工背景及驗(yàn)證壓桿V0安裝時(shí)機(jī)的選擇對最終的成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力有很大的影響。為確保壓桿V0在成橋階段的壓力滿足設(shè)計(jì)要求,分別計(jì)算壓桿V0在拉桿V1初張拉后進(jìn)行安裝(方案1)和在拉桿V1第2次張拉結(jié)束后安裝(方案2)2種方案的全橋結(jié)構(gòu)受力情況。計(jì)算結(jié)果表明,壓桿V0的安裝時(shí)機(jī)對斜拉索索力影響較小,但是對相鄰的塔間索索力影響較大,且方案1成橋階段壓桿V0的軸力偏大,達(dá)到了設(shè)計(jì)成橋壓桿軸力的2.5倍;方案2不存在此問題。因此,施工時(shí)應(yīng)采用方案2的施工順序安裝壓桿V0。采用2種安裝方案施工的塔間索成橋索力見圖4,從圖4可以看出,2種方案的壓桿V0成橋索力差值達(dá)到700kN,方案1的壓桿索力是方案2的2倍以上。4.3優(yōu)化后的外觀(1)塔間索的張拉該橋由塔間索將外拱塔和內(nèi)拱塔聯(lián)系在一起,形成一個(gè)共同受力的整體。塔間索的張拉控制對其后斜拉索的張拉以及成橋狀態(tài)主梁和拱塔的內(nèi)力、位移影響均較大,所以保證塔間索合理準(zhǔn)確的張拉是該橋施工控制的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。塔間索的張拉過程需確保拉索張拉到能測準(zhǔn)的狀態(tài)(索力不小于250kN),即賦予塔間索初張拉無應(yīng)力長度,二次調(diào)索時(shí)調(diào)整到成橋狀態(tài)的無應(yīng)力長度即可。具體過程為:①初張拉壓桿V12、V1;②拆除豎向轉(zhuǎn)體中使用的臨時(shí)拉索,拆除索鞍、三角架等;③自下而上依次安裝并張拉壓桿V2～V11;④第2次張拉壓桿V12、V1(此時(shí)壓桿V2～V11呈放松狀態(tài));⑤安裝壓桿V0;⑥通過錨杯外露量控制張緊或放松螺母,調(diào)整壓桿V2～V11至成橋無應(yīng)力長度。(2)設(shè)置無應(yīng)力長度索力體系①自內(nèi)而外安裝并張拉斜拉索,對于索力小于250kN的斜拉索,調(diào)整其初張拉無應(yīng)力長度使索力滿足測量要求,其他斜拉索直接張拉到設(shè)計(jì)給定的無應(yīng)力長度;②通過鋼箱梁底設(shè)置的砂箱均勻落梁至鋼箱梁脫離支架完成體系轉(zhuǎn)換;③對部分斜拉索索力進(jìn)行微調(diào),使其達(dá)到設(shè)計(jì)無應(yīng)力長度;④施工橋面及附屬設(shè)施,最后達(dá)到成橋狀態(tài)。5拉索結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及索力檢測根據(jù)優(yōu)化后的方案對該橋施工過程進(jìn)行有限元計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,該橋在豎向轉(zhuǎn)體完成后至成橋狀態(tài)期間,主梁上緣最大拉應(yīng)力為63.0MPa,下緣最大拉應(yīng)力為74.2MPa;拱塔上緣的最大拉應(yīng)力為84.3MPa,下緣的最大拉應(yīng)力為88.4MPa。施工過程中結(jié)構(gòu)的安全儲備相對較大,因此本文主要介紹索的張拉控制。根據(jù)優(yōu)化后的施工方法對橋梁進(jìn)行施工及施工控制。塔間索的張拉順序及張拉索力見表1,調(diào)整施工順序及錨杯拔出量見表2;斜拉索的張拉順序及張拉索力見表3,斜拉索的索力調(diào)整情況見表4。由表1～4可以看出,優(yōu)化后的拉索方案能確保施工單位在初張拉過程中準(zhǔn)確地張拉到監(jiān)控要求索力,部分斜拉索(L1～L4、R3～R7)初張拉時(shí)無應(yīng)力長度小于成橋狀態(tài)無應(yīng)力長度,提高了斜拉索索力,對順利落梁,提高支架安全性起到了一定的作用。成橋狀態(tài)塔間索及斜拉索索力分別見表5、表6。從表5中可以看出,成橋狀態(tài)的塔間索索力實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的相對誤差最大為2.13%;從表6可以看出,成橋狀態(tài)斜拉索索力實(shí)測值與設(shè)計(jì)值之間的相對誤差最大值為0.59%;成橋索力均滿足設(shè)計(jì)要求,且施工控制精度較高。成橋后橋面實(shí)測標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的差值絕大多數(shù)在10mm以內(nèi)