对其施工过程中结构的受力和变形进行有效的检测和控制,为该桥的成功、顺利修建提供卓有成效的技术支持,为该桥的顺利投入运营和长期监控提供可靠的依据。
斜拉桥是一种桥面体系受压,支承体系受拉的桥梁结构,其桥面体系用加劲梁构成,其支承体系由钢索组成。由于斜拉桥设计与施工高度耦合,所采用的施工方法和安装顺序与成桥后的主梁线型及结构内力状态有密切的关系。在施工架设中,其主梁挠度和索力变化幅度大,影响因素多,而且结构体系随施工的进展不断变换,同时,大跨度斜拉桥一般采用悬臂浇筑或悬臂拼装的方法进行施工。由于上述因素的影响,使得实际桥梁在施工过程中的每一状态不可能与设计状态完全一致,造成实际状态与设计状态不一致的因素是:
大跨斜拉桥结构状态误差因素分类表
误差来源
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误差类别
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相关因素
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施工荷载变化
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结构重力
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几何尺寸和材料容重
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施工荷载
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荷载集度和作用位置变化
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预应力和索力
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张拉机具、锚固设备、钢索尺寸、定位及模量
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收缩徐变
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系数取值、龄期差异、受力状态
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结构性能差异
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截面特性
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几何尺寸
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材料特性
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弹性模量
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周围环境影响
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温度变化
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环境温度、结构温度、膨胀系数
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风载作用
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体系系数、风速特性
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计算模型失真
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单元离散化
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单元类型、单元划分、单元连接
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变形性能
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线性、非线性、梁柱效应
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边界条件
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索塔与主梁临时固结
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上述这些因素的影响在设计阶段一般没有也无法完全考虑和计及,只有在施工过程中根据结构的实际反应予以考虑。若不在施工过程中实施有效的控制,就有可能由于误差的积累致使成桥后结构的整体受力状态及线形严重偏离设计目标而影响结构的可靠性。因此,该桥的施工控制是保证其顺利修建的必要条件之一。
斜拉桥的施工检测是确定结构即时所处受力及变形状态的唯一手段,是施工控制赖以进行的基础和前提,是斜拉桥分析→检测→比较→调整这一施工控制过程中的重要一环。对施工过程中各阶段结构内力和变形以及其它一些控制变量进行实时检测,形成施工控制不可缺少的实测资料,作为施工控制调整的依据,同时也为检测施工,改进设计以确保结构在施工过程中的安全与适用提供重要的手段。
因此对巴东长江公路大桥施工过程中结构的受力和变形进行检测和控制以保证该桥的成功、顺利修建和投入运营均具有重要的实用价值及相应的理论意义。
受力要求
反映斜拉桥受力的因素应包括主梁、塔(墩)和索的三大部分的截面内力(或应力)。通常起控制作用的是主梁的上下缘正应力,在恒载已定的情况下,成桥索力是影响主梁正应力的主要因素,成桥索力小的变化都会对其产生较大影响。而主梁的应力与主梁截面轴力和弯矩有关,因为轴力的影响较小且变化不大,所以弯矩是主梁中起控制作用的因素。塔的情况与梁类似,只是索力对塔的影响没有梁那么敏感,塔中应力通常容易得到满足。索力要满足最大最小索力要求,最大索力要求即钢丝强度要求,最小索力要求即拉索垂度要求。
线形要求
线形主要是主梁的标高。成桥后(通常是长期变形稳定后)主梁的标高要满足设计标高的要求。
调控手段
对于主梁和塔(墩)内力(或应力)的调整,最直接的手段是调整索力。由于索力较小的变化就会在主梁中引起较大的内力(或应力)的变化,而索力本身又有一定的变化宽容度(即最大最小索力确定的索力允许变化范围),因此,索力可作为成桥目标中受力的调控手段。
对于主梁线形的调整,调整立模标高是最直接的手段。将参数误差以及索力调整引起的主梁标高的变化通过立模标高的调整予以修正。
索力调整和立模标高的调整分两步完成,即先进行索力调整,目标主要是梁、塔截面的弯矩,还可加入已建梁段的主梁标高。主梁弯矩控制截面可选为各施工梁段的典型截面(一般为受拉索锚固点局部应力影响较小处),塔的控制截面可只选塔底以及截面变化处等少数控制位置。主梁标高控制点可选为每施工梁段前端点。
控制方法
斜拉桥施工过程复杂,影响参数多。如:结构刚度、梁段的重量、斜拉索张拉力、施工荷载、砼的收缩徐变、温度和预应力等。求施工控制参数的理论设计值时,都假定这些参数值为理想值。为了消除因设计参数取值的不确切所引起的施工中设计与实际的不一致性,我们在施工过程中对这些参数进行识别和预测。对于重大的设计参数误差,提请设计方进行理论设计值的修改,对于常规的参数误差,通过优化进行调整。
设计参数识别
通过在典型施工状态下对状态变量(索力、位移和应力应变)实测值与理论值的比较,以及设计参数影响分析,识别出设计参数误差量。
设计参数预测
根据已施工梁段设计参数误差量,采用合适的预测方法(如灰色模型等)预测未来梁段的设计参数可能误差量。
优化调整
施工控制主要以控制主梁标高、控制截面弯矩和斜拉索索力为主,优化调整也就以这两个因素建立控制目标函数(和约束条件)。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(如采用带权最小二乘法、线性规划法等),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(连续梁桥可对预应力作适当调整),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受力安全。必要时还可对已施工梁段的索力进行调整。
控制流程
施工控制流程为:前期结构分析计算→预告标高和索力→施工→现场数据采集(包括主梁标高、索力、应力、应变、温度、塔顶偏位、截面尺寸等)→设计参数误差识别→设计参数误差预测→张拉索力的立模标高调整分析→预告下一节段的立模标高和索力。
控制精度
本项目将对巴东长江公路大桥进行比较系统的理论分析和现场测试,在充分了解其受力性能和施工工艺以及系统观测的基础上,建立合理的计算模型,对施工过程中的结构实施有效的控制,以确保该桥施工控制过程中的安全性并使成桥后的内力和线形符合设计要求。施工监控的具体目标是:
(1)成桥主梁标高与设计值相差不超过±4cm;
(2)成桥拉索索力与设计值相差不超过±5%;
(3)主梁合拢时合拢段两端高差控制在±1cm以内。
(4)索塔偏位与设计值相差不超过±3cm。
监控工况的划分
以挂蓝前移至预定位置开始到梁段预应力张拉完毕视为一个施工循环,该循环内所包含的施工工况为:挂蓝前移至预定位置→挂蓝立模标高调整、定位→拉索预张拉→绑扎布置梁段钢筋→浇注梁段混凝土→养护梁段混凝土→张拉梁段预应力→拉索张拉→降挂蓝。
需要进行结构反应测试的工况
在下列施工工况作用前后需要对结构的反应进行测试:
(1)挂蓝前移并立模;
(2)拉索张拉;
(3)浇注梁段混凝土
(4)张拉梁段预应力;
(5)拉索张拉。
主梁夏季施工24h连续观测
主梁悬浇进入大悬臂状态时,夏季施工中的索、梁、塔不均匀温度场对主梁施工的标高、索力、截面应力应变的影响较为突出,为获取日照温度与索、梁、塔温度关系的实测资料,了解各温度环境下主梁标高、索力、塔顶偏位及相关截面应力应变的实际发生值,掌握夏季施工中温度及其对梁结构变形和受力的影响,为监控、施工、监理工作提供实测数据作为参考,温度测试选在夏季的晴天进行,昼夜24小时连续观测,间隔4小时,分别在2:00,6:00,10:00,14:00,18:00,22:00等时刻进行观测。测试内容为控制截面的温度场和应力、应变及主梁各控制点的标高变化。