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湘潭三大桥斜拉桥施工控制研究总结报告长沙交通学院湘潭工学院2001年4月参加施工控制研究主要人员名单姓名职称所起的作用颜东煌教授项目总负责人袁帅华讲师现场负责人李学文讲师计算分析钟新谷教授现场协调田仲初副教授计算分析徐卓荣实验师测试舒小娟助教测试郑玉国助教测试湘潭三大桥施工控制研究依据1．由湖南省公路桥梁建设总公司湘潭三大桥工作组（甲方）与长沙交通学院（乙方）签订的湘潭三大桥斜拉桥施工控制研究项目协议书。2．湘潭三大桥斜拉桥施工控制研究项目实施大纲。3．湘潭三大桥三阶段施工图设计文件及变更设计图纸和文件。4．《公路桥涵设计规范》（JTJ021-89）5．《公路斜拉桥设计规范》（现行）（JTJ027-96）6．《公路桥梁施工技术规范》（JTJ025-89）7．《公路工程质量验收评定标准》（JTJ076-94）目录一、报告正文……………………………………………………1二、结构计算离散图和计算工况信息…………………………15三、湘潭三大桥主桥施工控制工作提纲………………………17四、湘潭三大桥主桥施工控制工作提纲补充说明……………21五、湘潭三大桥主桥施工控制指令表…………………………23六、湘潭三大桥主桥施工控制现场会议备忘录………………1湘潭三大桥施工控制研究总结报告１项目概述湘潭市湘江三大桥主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用塔墩固结、塔梁分离的半漂浮体系，跨径组合为：133米＋270米＋133米，全长536米。由于通航要求，本桥边跨没有设置辅助墩，故边中跨比例达0.5，比较大，对受力较为不利。主梁采用有悬臂的实心双主梁断面，梁高2.3米，双主梁（索）中距18.5米，标准段实心主梁单肢宽1.7米，桥塔处加厚段1.9米。边跨靠近梁端部约50米范围内，主梁内侧加下翼缘，以增加截面下缘抗弯模量，适应边中跨比例较大的结构特点。主梁桥面板宽24米，标准节段长8米，标准横梁间距4米，厚0.3米，主梁端部横梁厚2.3米，桥塔处横梁厚0.6米。斜拉索呈扇形布置，每个塔扇形索面16对索，标准梁底部索锚固点间距为8米，塔上索距为1.6～2.5米。斜拉索为PES7型规格，φ7平行镀锌钢丝。桥塔采用双柱花瓶形塔，塔高95.3米，箱形断面，斜拉索直接锚固于塔壁中心处。0#～1#块主梁的施工，是同时在由挂篮主体结构组成的支架体系上一次浇筑完成的，自第二号梁段开始使用前支点挂篮悬浇，每次施工长度为8米。其中，斜拉索的安装索力在当前施工梁段分三次张拉到位。墩墩图1湘潭三大桥总体布置图2理论计算1）理论计算建模及理论仿真计算工况2全桥施工控制理论计算建模把湘潭三大桥离散为平面杆系结构，主梁离散为206个梁元，全桥离散为378个单元，295个节点，四套前支点挂篮也离散为结构单元参与整体受力。全桥仿真理论计算工况为139个。详见附件1。2）理论控制数据计算用长沙交通学院颜东煌教授研制开发的斜拉桥设计计算与控制分析软件计算理论控制数据，计算了以下理论控制数据；a)各施工梁段的安装索力和主梁立模标高；（见施工控制指令表，附件3）b)各施工梁段的状态变量值（包括分次张拉索力）；（见附件3）c)挂篮前移后、混凝土浇筑完成后及最后一次张拉后的悬臂前端5对索的索力、前5个梁段主梁测点标高值及塔顶的偏位值；d)斜拉索最后一次张拉后主梁和塔上施工中的控制截面应力和应变值；e)典型状态下的全桥索力、标高、塔顶偏位及控制截面应力和应变值；（典型状态包括每隔5对索选一个状态；合龙前后状态；二期恒载前后状态）以上理论数据曾与设计方作过多次核对，已确认无误。a)和b)的控制数据在发出之前均有设计和监理的签认。（见附件3）4）施工控制中的计算与分析a)采用湘潭三大桥的设计资料和设计参数的规范值，进行正装理论计算。对成桥状态和主要施工阶段的索力、梁和塔的变形、应力等进行计算，并与设计方的成果进行校核对比，分不考虑和考虑收缩、徐变两种情况。通过对比发现最初的正装计算结果与设计方的计算值之间存在一定差异。于是，与设计方一起相互进行反复地检查，统一参数，找出原因，校准原始数据，直至两套计算结果基本接近。b)跟踪各施工阶段详细计算。通过挂篮的试压结果，获得了挂篮的弹性、非弹性变形值，进一步调整了挂篮纵梁的刚度；对于能观性状态变量（如标高、塔顶偏位、应力、应变等）的理论值与实际值间存在3的差别，通过参数识别法拟合出新的设计参数，使理论值与实测值间的差别达到最小，如主梁容重、弹性模量和塔、梁的刚度，混凝土的收缩、徐变系数等；最后计算出下一个梁段的合理索力和主梁线形的修正量。c)开放交通前的索力调索。在二期恒载完成后，对全桥的标高、索力和应变进行了统测。本桥由于施工控制从严，建桥各方层层把关，索力、标高及应力均达到了设计的成桥状态，各项参数均未超过相关规范允许的要求，索力一次性张拉控制到位，最终没有调索，大大简化了施工工序，节约了工期。3施工监测1）索力测量斜拉索索力测试的准确性直接关系到主梁内力、线形和塔顶偏位，它的误差有时可以掩盖其它权重相对较小的一系列可观性状态变量误差的表现，如不加以重视，可能会关系到施工的安全。因此，在施工的监测中，必须把保证索力测试结果正确、可靠放在第一位。湘潭三大桥的索力测量主要采用了频谱分析法（也称脉动法），把高灵敏度传感器绑在待测斜拉索的合适位置上，采集斜拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱自动计算分析后，在频谱图上得到斜拉索的自振频率，最后根据自振频率和索力的关系确定索力。影响斜拉索索力测试结果准确性的因素很多，主要有：斜拉索两端锚固点间的有效长度、综合容重、边界条件、斜拉索弯曲刚度，以及风振引起的桥面振动等。在测试中的典型工况下进行了标定，一方面用INV—306动力仪和IFM168动力仪互校测索的频率，再用高精度测力传感器标定索力（分锚在前支点挂篮上和锚在主梁上张拉两种工况）。与此同时，应尽量控制好混凝土的浇筑量，因为它将直接影响第二次张拉力的控制。在每个标准梁段施工过程中，测试挂篮前移、砼浇筑完成以及最后一次斜拉索张拉后的悬臂前端5对索的索力；测试斜拉索前几次张拉前后的悬臂前端2对索的索力。每隔5对索，在某一典型状态（如斜拉索最后一次张拉后、合龙前后、二期恒载前后）下对全桥索力作一次统测。此外，还进行了24小时温度变化时的索力测试和有、无风振时的索力对比工作。42）位移测试a)测点位置：每一梁段悬臂端截面梁顶设立三个标高观测点，分别布置在两个主肋中心处和断面中心处。断面中心测点也可作为主梁偏位测量的测点。在混凝土达到强度前，该测点临时布置在挂篮模板相应位置处。该临时测点也是立模的测点。b)测试方法：用精密水准仪测量测点标高。临时水准点可设在梁塔临时固结处。3）主梁和塔中控制截面应力、应变测试斜拉桥施工中的主梁应力测试是一项长期的、艰苦的现场监测工作。我们经过长期使用大量的不同类型的应变测试元件进行测试分析，认为针对混凝土结构选用振弦式应变计测试结果较好，且长期的稳定性也较好。对于不同截面可选用不同压应变量程的应变计，受拉区采用振弦式钢筋应变计。湘潭三大桥采用了国产和少量进口的应变计，在受外力之前测试初值，与相同部位的无应力应变计同步测试。湘潭三大桥在近12个梁段和三道横梁时共埋设了近50个振弦式应变计，对于有代表性的梁段，在挂篮立模和张拉预应力以及斜拉索第三次张拉的前后进行了测试，对于桥面板“剪力滞”现象又有了进一步的认识。如桥面板的“负剪力滞”现象等，把应变的结果与理论值（含收缩、徐变）对比来间接控制主梁中的应力。另一方面，还可作为修正收缩、徐变系数的直接依据之一，所测的应变结果，对湘潭三大桥主梁的施工安全起到了较大的作用。主梁应力、应变测试断面选择在各塔两侧中跨所在梁段的合适位置、施工过程中应力控制截面以及成桥后活载作用的控制截面。截面上的测点布置重点测试上、下缘处的值。主梁应力测点布置示意图如图2所示。4）塔顶水平偏位测量a)测点布置：各塔顶上下游各设一至二个测点，测点位置选在塔顶便于5观测的可靠位置处。b)测试方法：主要用全站仪、经纬仪测量。梁段应力测点布置墩江侧上游下游上游墩岸侧下游上游上游墩岸侧墩江侧下游下游图2-(a)1号梁段应力测点布置图墩岸侧上游上游上游上游墩江侧墩岸侧墩江侧梁段应力测点布置下游下游下游下游图2-(b)3号梁段应力测点布置图6上游上游上游上游墩江侧墩岸侧梁段应力测点布置墩江侧墩岸侧下游下游下游下游梁段应力测点布置墩岸侧墩江侧上游上游上游上游墩岸侧墩江侧下游下游下游下游图2-(c)13号梁段应力测点布置图上游合龙段应力测点布置下游图2-(d)中跨合龙梁段应力测点布置图5）温度及其影响观测a)温度场观测①测试方法混凝土中的温度测试和索的温度测试选用NTC型直径为4米的热敏电阻，使用读数精度达4位半的DT数字型阻值表测出。主梁的两个标准截面以及测温索段内预埋温度元件，以测量其内部的温度场分布。本桥在挂篮立模和索的最后一次张拉时均测试了索梁温度场，为在施工控制中修正温度影响、确保主梁局部线形平顺起到了至关重要的作用。②温度测试施工期内，重点实测了不同季节，不同天气下的索、梁温差和温度场，主梁选了一个有代表性的截面，在主肋和顶板沿高度共布设了50个7高性能的热敏电阻，在3米长的同实索等直径的试验索中心和钢丝外圈与PE层内部共布6个高性能的热敏电阻，桥面板与梁肋的温度差大于规范5度，索与梁肋的平均温差也大于10度，所测结果对主梁状态标高控制和加快施工进度起到了较大的作用。③测试时间在主梁施工期间选择有代表性的天气进行了24小时连续观测。例如：每个季节选择一个晴天、多云天和阴雨天。特别是在主梁施工的养护期间，实测到了梁板中的水化热变化规律，对于施工方法如何养护起到了依据作用。b)温度对结构变形和受力影响的测量①测试内容：主梁标高、索力、塔顶偏位及相关截面应力应变。②测试时间：与温度场观测同步进行。4施工控制工作小组的监测和监控思路在湘潭三大桥施工控制中，把成桥状态（成桥三年后的状态轨迹为设计线形）做为控制的最终目标，而把施工的中间状态（过程运动状态轨迹）作为中间控制目标和纠偏的依据，把立模标高和当前安装索的张拉索力作为能控性的状态变量，把已建主梁标高、斜拉索的索力和关键截面的应力、应变以及典型工况下的塔顶偏位作为可观性和待调性状态变量，采用了斜拉桥施工的最优控制思想，我们在已有的控制工作基础上，重点对控制目标中的索力、标高、塔顶偏位和结构应力的实测值和计算值间的误差进行权重识别计算与分析，反算出施工控制仿真计算中所选用的设计参数。其次，通过采用高精度索力传感器对斜拉索频率计（如IFＭ168动力仪）测得的索力进行标定，以提高索力实测值的精度。具体控制方法如下：1．设计参数识别通过在典型施工状态下对状态变量（索力、位移和应力）实测值与理论值的比较及设计参数影响分析，识别出设计参数误差量。2．设计参数预测根据已施工梁段的设计参数误差量，采用合适的预测方法（如灰色8模型等）预测未来梁段设计参数的可能误差量。3．优化调整通过设计参数误差对桥梁变形和受力的影响分析，应用优化方法调整本梁段与未来梁段的安装索力以及未来梁段的立模标高，使成桥状态最大限度地接近理想设计成桥状态，并且保证施工过程中的受力安全。必要时还可对已施工梁段的索力进行调整。5湘潭三大桥控制特点和结果在湘潭三大桥的控制工作中，对于计算分析方面重点做了设计参数识别、预测和调整；在监测方面做了大量而细致的测试工作：全过程的索力、标高和应力测试，积累了施工中桥面板的应力分布规律的资料；实测了肋板式断面的温度梯度和索、梁温差规律。①索力正常全桥128根斜拉索中，上、下游平均索力的偏差仅9根斜拉索超过±5%，但均在±10％以内。所以索力控制使主桥施工成桥后一次性到位，斜拉索索力偏差均在规范允许偏差±10%的范围内，见表1和图3。无需再进行索力调整。②标高正常全桥施工成桥后在比较均匀的温度场下测量了桥面标高，桥面标高测点位于桥面中轴线上。因此，采用桥面标高做出理论与实测的对比，从图4上看到，中跨中部点位实测标高高于理论最终线形，符合徐变对主梁标高的影响规律，标高是正常的。