自錨式懸索橋的施工控制方法研究
2018-03-05
1. 橋梁施工控制及其必要性
橋梁施工控制是橋梁建設(shè)質(zhì)量的保證，衡量一座橋梁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)就是要保證已成橋的線形以及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于橋梁的下部結(jié)構(gòu)，只要基礎(chǔ)埋置深度和尺寸以及墩臺(tái)尺寸準(zhǔn)確就能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，容易檢查和控制，而對(duì)采用多工序、多階段自架設(shè)體系施工的大跨度橋梁的上部結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)內(nèi)力和標(biāo)高的最終狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，就不那么容易了。如預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋和斜拉橋在懸臂澆注時(shí)，如預(yù)拋高設(shè)置不準(zhǔn)，可能影響到以后各階段和合龍標(biāo)高以及全橋的]線形。 斜拉橋除了主梁的混凝土澆筑或預(yù)制塊件懸臂拼裝中要考慮預(yù)拋高，使主梁標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求外，還要求在斜拉橋建成時(shí)斜拉索的內(nèi)力也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則，斜拉索受力不均將影響斜拉橋的使用壽命。斜拉橋是多次超靜定結(jié)構(gòu)，在施工過程中主梁標(biāo)高的調(diào)整將影響到斜拉橋的內(nèi)力，某根斜拉索內(nèi)力的調(diào)整又影響到主梁標(biāo)高和鄰近斜拉索的內(nèi)力。這就說明斜拉橋比混凝土剛構(gòu)橋更加復(fù)雜，為確保斜拉橋施工質(zhì)量，更加急需和不可缺少隨施工過程而進(jìn)行的施工控制[1]。
目前我國計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已非常普遍，技術(shù)人員完全可以對(duì)多階段、多工序的自架設(shè)體系施工方法進(jìn)行模擬，對(duì)各階段可預(yù)先計(jì)算出內(nèi)力和位移，稱之為預(yù)計(jì)值。將施工中的實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較，若有誤差可進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到最滿意的設(shè)計(jì)狀態(tài)。也就是通過施工控制，使各階段內(nèi)力和變形達(dá)到預(yù)計(jì)值，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保建橋的施工質(zhì)量。
2. 自錨式懸索橋施工控制方法
目前在橋梁施工中，為了保證結(jié)構(gòu)的受力和橋梁的線形，都采取一定的施工控制措施。按照控制原理的不同，分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制是指根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，在施工的前期調(diào)整可控變量，在施工過程中不再進(jìn)行調(diào)整和控制。如鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁預(yù)制時(shí)跨中的預(yù)拱度，計(jì)算確定后施工時(shí)按照計(jì)算值設(shè)置，成形中不再調(diào)整。這種方法常使用在中小跨徑和工藝較簡(jiǎn)單的橋梁中。閉環(huán)控制是指施工前計(jì)算出可控變量的理論值，在第一施工階段，可控變量按照理論值實(shí)施，而在以后的施工階段中，隨時(shí)對(duì)控制效果進(jìn)行測(cè)試，并與理論計(jì)算值計(jì)算進(jìn)行比較，找出差別的原因，并對(duì)下一階段施工中的可控變量進(jìn)行調(diào)整，保證施工的順利進(jìn)行。這種控制才是實(shí)際意義的監(jiān)控，包括檢測(cè)和控制兩方面。如斜拉橋的懸臂澆筑，首先要計(jì)算出每一階段的立模標(biāo)高，拆模后的標(biāo)高，實(shí)際施工中在每一階段完成后，都要對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)，確定下一階段的立模標(biāo)高。除了第一階段外，后續(xù)階段的立模標(biāo)高不全是計(jì)算值，而是計(jì)算值加修正量。對(duì)于施工工藝復(fù)雜的橋梁多采用這一控制方法[2]。
為了保證自錨式懸索橋竣工后結(jié)構(gòu)的受力和變形盡量與理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，施工過程中的監(jiān)控工作顯得尤為重要。一般設(shè)計(jì)圖紙中僅給定理想狀態(tài)下自錨式懸索橋竣工后的內(nèi)力、線形，由于施工中所用材料的力學(xué)性能存在偏差仁如主纜、吊桿的彈性模量等)，構(gòu)件制造安裝誤差，以及假定誤差等客觀因素，都會(huì)對(duì)自錨式懸索橋的內(nèi)力、線形造成影響。此外根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，精確地計(jì)算出各部分構(gòu)件在無應(yīng)力狀態(tài)下的尺寸，以便指導(dǎo)施工時(shí)下料工作。因此，對(duì)自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)施工，根據(jù)實(shí)際施工過程中反饋的各種控制參數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算分析以及預(yù)測(cè)得出合理的控制措施，用以指導(dǎo)和控制施工，使各施工階段的實(shí)際狀態(tài)最大限度的接近理想設(shè)計(jì)狀態(tài)，確保成橋后的內(nèi)力狀態(tài)和幾何線形符合設(shè)計(jì)要求。
3. 自錨式懸索橋的施工控制實(shí)施
自錨式懸索橋是由主纜、加勁梁、索塔、吊桿等構(gòu)件組成的柔性懸吊組合體系。成橋狀態(tài)下，主要由主纜、加勁梁和主塔共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的自重和外荷載。主纜是結(jié)構(gòu)體系的主要承重構(gòu)件，直接錨固在加勁梁端部的錨旋上，這樣的受力特點(diǎn)使得自錨式懸索橋的施工順序必須是先澆注或組裝加勁梁，等到加勁梁達(dá)到一定強(qiáng)度或組裝完成后，再架設(shè)主纜以及張拉吊桿，完成整個(gè)體系轉(zhuǎn)換。
由于自錨式懸索橋要先澆筑或組裝加勁梁，因此需要大量的臨時(shí)支架施工來施工主梁。加勁梁一般有鋼析架梁、鋼箱梁、鋼混凝土疊合梁、混凝土梁等多種，由于種類的不同，加勁梁的組裝或澆注方式會(huì)有所不同[3]。
等到加勁梁完成以后就開始架設(shè)主纜并張拉吊桿，吊桿張拉次序和每次張拉力的大小決定了最終的橋面線形是否到位，吊桿內(nèi)力值是否到量，同時(shí)保證主纜線形、加勁梁應(yīng)力、橋塔傾斜度、索鞍位移等在允許的范圍內(nèi)。往往不能將每根吊桿一次張拉到位，而應(yīng)該進(jìn)行多輪次、小力幅的張拉，最終使各索力趨近于理想成橋索力，同時(shí)確保成橋后的內(nèi)力狀態(tài)和幾何線型符合設(shè)計(jì)要求。
自錨式懸索橋的施工控制由初始狀態(tài)的工程控制和施工中的工程控制分析2部分組成。初始狀態(tài)的工程控制分析主要包括:成橋狀態(tài)下主纜線形，主纜無應(yīng)力長度、索鞍預(yù)偏量、空纜狀態(tài)線形、索夾安裝位置、吊桿長度等的計(jì)算和確定[4]。
由于自錨式懸索橋施工方法的特殊性，在主纜就位以后就難以像斜拉橋那樣進(jìn)行后期的索力和標(biāo)高的調(diào)整，因此施工空纜狀態(tài)的精確計(jì)算就顯得尤為重要。它可以避免或減少后期的調(diào)整工作，并且使竣工后交付運(yùn)營時(shí)的橋面標(biāo)高、主纜垂度、鞍座位置、各構(gòu)件的幾何形狀和內(nèi)力狀態(tài)等各項(xiàng)指標(biāo)符合或最接近設(shè)計(jì)要求。因此初始狀態(tài)的工程控制分析是自錨式懸索橋施工控制分析的重點(diǎn)和關(guān)鍵，也是施工中控制分析得以進(jìn)行的前提和基礎(chǔ)。有了理想成橋狀態(tài)，可以通過倒拆計(jì)算法或者解析迭代法求出空纜狀態(tài)，有了空纜狀態(tài)才可能在此基礎(chǔ)上調(diào)試出各個(gè)施工狀態(tài)以及施工控制的目標(biāo)狀態(tài)一成橋狀態(tài):而施工中控制分析恰恰要以各個(gè)施工狀態(tài)及成橋狀態(tài)的確定為基礎(chǔ)。圖1為自錨式懸索橋的初始狀態(tài)控制分析流程圖。
自錨式懸索橋施工中的工程控制分析具體包括線形控制、吊桿力應(yīng)力控制和應(yīng)力控制三方面的內(nèi)容。要根據(jù)自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方法制定相應(yīng)的施工控制程序，用于指導(dǎo)施工。
自錨式懸索橋的施工控制是施工一量測(cè)一識(shí)別一修正一預(yù)告一施工的循環(huán)過程，為了實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)，就必須有一套完整的、精密儀器的量測(cè)手段的支持和先進(jìn)實(shí)用的計(jì)算方法作為依據(jù)。
結(jié)束語
要徹底改變目前我國橋梁養(yǎng)護(hù)部門的現(xiàn)狀，科學(xué)地、較為主動(dòng)地預(yù)報(bào)橋梁各部位營運(yùn)情況，必須在橋梁施工中進(jìn)行施工控制系統(tǒng)的建立，并使其能長期對(duì)橋梁營運(yùn)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣才能確保這些耗資巨大、與國計(jì)民生密切相關(guān)的大橋的安全耐久。由此可見，橋梁施工控制是現(xiàn)代化橋梁建設(shè)的必然趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 懸索橋鐵道部大橋工程局橋梁科學(xué)研究所編北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.10,1.
[2] 張?jiān)獎(jiǎng)P，肖汝誠，金成棣. 自錨式懸索橋概念設(shè)計(jì)，公路，2002, 11: 46~49.
[3] 樓莊鴻，嚴(yán)文彪. 自錨式懸索橋，中國公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)，2002年全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2002.10, 243-252.
[4] 石磊，張哲，劉春城. 混凝土自錨式懸索橋設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能分析，大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 43 (2), 202~206.
