斜拉桥施工控制

第四节斜拉桥施工控制一、概述斜拉桥采用斜拉索来支承主梁，使主梁变成多跨支承连续梁，从而在大跨径情况下可以大大降低主梁的高度。这一特点使斜拉桥成为大跨径桥梁中最有竞争能力的桥型。由于主梁纤细又是靠斜拉索支承着，显然索力的大小和索的变形将给整个结构的状态带来很大影响。而且任一索力的改变对全桥都有影响，具有牵一发而动全身之状。因此，必须很好地控制索力使梁塔处于最优的受力状态，并利用斜拉索的预拉力来调整主梁标高以符合设计要求。但是通过施工如何达到这个理想状态尚有许多工程技术问题需要解决。施工控制就是一个关键。必须根据设计与施工相结合，工程与控制相结合的现代系统工程学的观点来完善这一课题。现就其中主要问题作扼要介绍。二、误差特性与索力调整在实际桥梁施工中，结构产生偏离目标值的原因所涉及的范围极其广泛，诸如，结构分析时模型误差，设计参数如弹模，截面特性，构件自重等取值与实际不符。此外还有构件制作误差，架设定位误差以及索力张拉误差，变位和索力计测误差等等。作为索力调整的主要误差对象应该是所谓“固定误差”，即发生了的误差作为结构特征值以后不再变化的，如尺寸、自重、刚性等误差。误差的性质与索力调整有着密切的关系，例如：1、构件自重误差：这是最常见的误差，Pc桥梁中由于模板刚度不足，常使构件自重增大，如天津永和桥自重误差达5％以上，因此当施工中着重于控制索力，采用一次张拉法时，梁轴线位置偏差随着悬臂拼装伸长将愈来愈大。为了保证梁轴线位置和改善内力状况，这时只有控制轴线位置调整索力才是比较有效的办法。2、索的刚性误差：在同样引伸情况下索之刚性误差引起索力误差，因此施工中只有控制索力，也就是把索力作为施工管理目标时才能有效地消除这一误差的影响。3、梁的制作误差：如发生主梁预拱度或局部形状误差.这类误差在以索力为管理项目的施工中，由于线形不受限制，所以制作误差将原样地保留在结构中，结构内力不受影响。相反，采用轴线位置为管理项目的施工控制中，为了保证理想的线形特使索力发生偏差，甚至大大地扰动了结构内力分布状况。以上说明索力调整原则与误差性质的关系。误差分布状况与索力调整也有关系。误差分布沿桥纵向出现同号增加或减少的误差称之谓大范围误差。相反，出现正负交替分布的误差称之谓小范围误差。显然，小范围误差类似于均值为零的自噪声干扰，可以归人偶然误差来一齐考虑。小范围误差对于索力和轴线位置影响并不显著，如构件自重误差或主梁刚性误差出现正负交替分布时，以轴线位置来控制施工时产生索力偏差将很小，因此，大范围的误差才是索力调整的主要对象。二、索力调整的方法斜拉桥的恒载索力大多数是根据刚铰支承连续梁的原则确定，然后通过倒退分析逐步计算出各施工阶段的索力及相应挠度。但理论计算与实际施工是存在差别的，因此在施工中就必然会发生挠度和索力偏差值。对于偏差的处理和索力的调整，有以下几种方法：1、一次张拉到设计索力在施工过程中每一根索都是一次张拉到设计索力，对于施工中出现的梁端挠度和塔顶的水平位移不用索力调整，任其自由发展，或保持索力为设计值条件下通过下一块件接续转角进行调整，直至跨中合拢时挠度的偏差采用施加外力(如压重)的方法强迫合拢。一次张拉法简单易行，应用很广，但对构件的制作要求较高。如蚌埠淮河桥就是用一次张拉法施工的。一次张拉法对已完成主梁标高和索力不予再调整。结果，主梁线形不好，索力也不符合刚性支承连续梁计算结果，跨中强迫合拢更是进一步扰乱了内力状况。2.多次张拉法在整个施工过程中对拉索进行分期分批张拉，其目的是使施工各阶段的索力较为合理，竣工后索力也基本达到期望值。三台涪江桥采用多次张拉法，天津永和桥的自动调索法也属于多次张拉法。上海南浦、杨浦、徐浦大桥都是由设计单位逐次下达施工控制文件(施工单位称之为设计指令)，施工单位按指令规定的张拉值张拉，一根索要重复张拉六、七次之多，通过索力补拉来调整主梁的抽线位置。多次张效法成桥后的线形和内力状态优于一次张拉法，但施工比较复杂。3.卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法类似一次张拉法，但各阶段索的张拉力不是原来的设计索力，而是根据变位的实测数值经过滤波和反馈控制计算后给出索力的修正值。它把梁的挠度看作随机状态矢量，索力Lr作为外加控制矢量，通过适当地选算索力以控制最后梁端或塔顶位置达到某一指定值δ，因此它对位置的控制是绝对的，对于索力的控制则是在满足设计位置的基础上，以结构内能为最小条件下的最忧。由此可见以往的施工控制方法，是单单从控制索力或单单从控制轴线位置来制定的。由上节所述的误差特性与索力调整关系可知，单方面的控制往往会顾此失彼不能获得理想的结果。4.以最小二乘法确定索力调整的原则设可调整的索数为N，施工管理项目数为M，施工管理项目可以包括索力、梁的挠度、塔的位移或构件截面应力等，并允许M＞N。设及为索力调整后管理项目的残余误差列向量R＝[R1，R2，…，Rn]T。最小二乘法在控制管理项目中能够控制我们所关心的控制内容，因此，只要在施工中适当地选择管理项目就能获得所预期的效果。三、斜拉桥施工管理系统1、建立理想状态斜拉桥是一种高次超静定结构，因此可以通过指定索力来建立其恒载内力状态。为了得到在每一施工阶段的初始张拉力，可以对结构的理想状态进行所谓逆施工步骤的解体分折。但是，斜拉桥又是一种柔性结构，在外荷载作用下，其荷载－位移关系是非线性的。引起这种非线性关系的主要原因是：索的垂度、梁－柱效应、结构受力后产生的大位移。在施工阶段由结构自重、施工临时荷载引起的非线性效应甚为显著，因此，在进行斜拉桥施工阶段的结构分析时，就必须用有限位移理论来考虑这种非线性的增大影响，给出从所谓倒退分析中得到的各个阶段的位置和内力控制值，以及结构在零应力状态下的初始几何形状和位置，使得理论分析结果更接近实际结构的反应特性。2、斜拉桥的管理系统斜拉桥施工管理系统是将“施工－测定－解析－施工”的周期过程联结起来在现场借助计算机强大的计算能力和信息处理能力以实现施工控制。建立施工管理系统的基本要求：(1)管理系统应具有良好的适应性，对于施工可能出现的各种情况和误差，能够正确而迅速地处理；(2)施工管理项目应能根据实际需要自由选择确定，也就是所关心的管理项目可以是索力、梁塔变位、截面应力或临时支架反力等；(3)施工过程对索力或轴线位置都应有一定宽容度以适应施工的需要，此外，必须有安全的施工报警系统；四、施工控制管理框图中的三个系统1、解析系统解析系统包括倒退分析程序、反馈控制程序和向前分析程序三部分。（1）倒退分析程序：施工各阶段的目标值即索力、主梁、塔的形状等是根据完工时桥梁设计的理想状态，按架设顺序的倒序逐步去掉构件和荷载，用倒退分析程序计算出来的。因此由倒退分析程序计算出来的目标值是理想计算值，用以指导当前阶段的施工。（2）反馈控制程序：架设阶段的计算值与实测值之差称谓架设误差，反馈控制程序根据现场实测数据和误差信息进行架设误差分析并制定出索力调整的最优方案，指导现场调整作业。调整控制程序可以用卡尔曼滤波法、最小二乘法或自适应控制法等。（3）实时向前分析程序：向前分析和倒退分析是按施工正逆序计算的程序，因此从理想状态进行向前计算与倒退分析所得的结果应该是一致的。在斜拉桥分析中由于非线性因素存在，二者计算结果略有差异，但基本一致，可供互相效验。实时向前分析的主要目的是确定出最终计入误差和调整之后结构的实际目标。施工后结构的实际应力状态是设计者所关心的内容。向前分析程序的另一功能是根据当前施工阶段向前计算至竣工为止，预告今后施工中可能出现的状况以及报警当前已安装构件是否出现超应力状态。2、计测系统现场计测包括设计参数计测和施工管理项目计测二方面。设计参数包括砼、钢材等容重、弹性模量、预制或现浇构件尺寸，施工荷载及状况等内容，通过采样分析可以获得各参数的误差情况，为误差分析和修正设计提供依据。这部分工作量较大，且没有明文规定，因而实施有一定困难。但明确施工控制是工程施工和质量校验的重要内容后，实施是容易的。施工管理项目主要包括索力，梁、塔变位、截面应力和临时支架或辅助墩的支座反力，管理项目的计测可靠性直接关系到施工控制的成败。测定拉力值的一个方法是用振动频率来计算.这是利用钢弦的横向振动来导出频率和拉力的函数关系现在已有多种测定拉索拉力的专用设备，基本上都是用频率关系来测定效力。使用仪器时应注意到如测得的频率是多个正弦波，并有反射波的影响时的量测及换算方法。3、允许误差和报警系统没有误差的施工是不存在的。为了方便施工必须订立允许误差标准。关于预制构件尺寸误差，以及材性误差在一般施工设计规范中已有规定。斜拉桥施工管理项目的允许误差尚无标准。其实确定允许误差标准是优化决策问题，一方面用以保证施工的准确度，另一方面要给一定宽容度，便于施工。下列因素可供确定标准时参考：(1)由于索力或梁截面应力在设计上都留有余量，因此在施工某过程中出现的较大误差并不一定导致超应力；(2)允许误差与施工方法有关，一次张拉法应尽可能减小误差，采用多次张拉法时第一次调整的误差标准可以适当放宽；(3)施工的不同阶段对误差的要求也有历区别，如悬臂施工过程要求索力允许误差为±15％，竣工后要求±5％；(4)对于施工误差引起的结构误差响应进行预先分析，根据残余误差的限度来确定施工精度要求；(5)尽可能减少施工麻烦。斜拉桥施工控制误差标准确定比较复杂，有必要结合实际桥梁工程来讨论决定。五、能够一次张拉到位吗?这里所说的一次张拉到位是指在保证索力与主梁线形完全符合设计要求的前提下，不需调索，一次张拉到位。它与前面提到的一次张拉到设计索力完全不同。大跨度斜拉桥一次张拉到位在理论上是完全办得到的，施工控制计算机软件可以求出各根索施工时的张拉理论值，使得斜拉桥合拢三年(经过收缩徐变)以后，索力和线形都达到设计要求的理想状态。但是有两个问题需要解决：1、主梁的弯矩承受能力。斜拉桥主梁一般是比较薄弱的，施工时有挂篮的(悬臂浇筑)或架桥机(悬臂架设)作用在主梁上，而且位置在不断变化，完全靠索力调整与之平衡。若索力一次张拉到理论值，会使主梁施工时弯矩过大而无法承受。2、主梁一次达到的变位幅值是否过大。在大跨度斜拉桥的施工中，斜拉桥索力一次张拉到位而不予调整，会使一次达到的变位幅值非常大。变位幅值的理论值与实际值之间也是会有误差的，一次很大的变位幅值也必会导致可观的标高偏差.最后导致合拢困难。以上两个因素都会使施工控制中不得不采取多次张拉法。但目前牵索式长挂篮的使用可以大大降低挂篮重量和主梁在施工中的弯矩值和变位幅值.这就为一次张拉到位提供了有利的条件。同时，通过现场实测实时反馈有效地消除理论值与实际值的不一致性，调整计算参数，使各阶段施工循环中保证主梁标高与索力按着预先指定的轨迹变化，这也为一次张拉到位解决了上述第二个问题。