自锚式悬索桥的施工控制方法研究
2018-03-05
1. 桥梁施工控制及其必要性
桥梁施工控制是桥梁建设质量的保证，衡量一座桥梁的质量标准就是要保证已成桥的线形以及受力状态符合设计要求。对于桥梁的下部结构，只要基础埋置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到标准，容易检查和控制，而对采用多工序、多阶段自架设体系施工的大跨度桥梁的上部结构，要求结构内力和标高的最终状态符合设计要求，就不那么容易了。如预应力混凝土刚构桥和斜拉桥在悬臂浇注时，如预抛高设置不准，可能影响到以后各阶段和合龙标高以及全桥的]线形。 斜拉桥除了主梁的混凝土浇筑或预制块件悬臂拼装中要考虑预抛高，使主梁标高符合设计要求外，还要求在斜拉桥建成时斜拉索的内力也达到设计要求，否则，斜拉索受力不均将影响斜拉桥的使用寿命。斜拉桥是多次超静定结构，在施工过程中主梁标高的调整将影响到斜拉桥的内力，某根斜拉索内力的调整又影响到主梁标高和邻近斜拉索的内力。这就说明斜拉桥比混凝土刚构桥更加复杂，为确保斜拉桥施工质量，更加急需和不可缺少随施工过程而进行的施工控制[1]。
目前我国计算机的应用已非常普遍，技术人员完全可以对多阶段、多工序的自架设体系施工方法进行模拟，对各阶段可预先计算出内力和位移，称之为预计值。将施工中的实测值与预计值进行比较，若有误差可进行调整，直到达到最满意的设计状态。也就是通过施工控制，使各阶段内力和变形达到预计值，最终达到设计要求，确保建桥的施工质量。
2. 自锚式悬索桥施工控制方法
目前在桥梁施工中，为了保证结构的受力和桥梁的线形，都采取一定的施工控制措施。按照控制原理的不同，分为开环控制和闭环控制。开环控制是指根据计算的结果，在施工的前期调整可控变量，在施工过程中不再进行调整和控制。如钢筋混凝土简支梁预制时跨中的预拱度，计算确定后施工时按照计算值设置，成形中不再调整。这种方法常使用在中小跨径和工艺较简单的桥梁中。闭环控制是指施工前计算出可控变量的理论值，在第一施工阶段，可控变量按照理论值实施，而在以后的施工阶段中，随时对控制效果进行测试，并与理论计算值计算进行比较，找出差别的原因，并对下一阶段施工中的可控变量进行调整，保证施工的顺利进行。这种控制才是实际意义的监控，包括检测和控制两方面。如斜拉桥的悬臂浇筑，首先要计算出每一阶段的立模标高，拆模后的标高，实际施工中在每一阶段完成后，都要对控制结果进行观测，确定下一阶段的立模标高。除了第一阶段外，后续阶段的立模标高不全是计算值，而是计算值加修正量。对于施工工艺复杂的桥梁多采用这一控制方法[2]。
为了保证自锚式悬索桥竣工后结构的受力和变形尽量与理想的设计状态一致，施工过程中的监控工作显得尤为重要。一般设计图纸中仅给定理想状态下自锚式悬索桥竣工后的内力、线形，由于施工中所用材料的力学性能存在偏差仁如主缆、吊杆的弹性模量等)，构件制造安装误差，以及假定误差等客观因素，都会对自锚式悬索桥的内力、线形造成影响。此外根据设计图纸，精确地计算出各部分构件在无应力状态下的尺寸，以便指导施工时下料工作。因此，对自锚式悬索桥的结构施工，根据实际施工过程中反馈的各种控制参数，通过现场计算分析以及预测得出合理的控制措施，用以指导和控制施工，使各施工阶段的实际状态最大限度的接近理想设计状态，确保成桥后的内力状态和几何线形符合设计要求。
3. 自锚式悬索桥的施工控制实施
自锚式悬索桥是由主缆、加劲梁、索塔、吊杆等构件组成的柔性悬吊组合体系。成桥状态下，主要由主缆、加劲梁和主塔共同承担结构的自重和外荷载。主缆是结构体系的主要承重构件，直接锚固在加劲梁端部的锚旋上，这样的受力特点使得自锚式悬索桥的施工顺序必须是先浇注或组装加劲梁，等到加劲梁达到一定强度或组装完成后，再架设主缆以及张拉吊杆，完成整个体系转换。
由于自锚式悬索桥要先浇筑或组装加劲梁，因此需要大量的临时支架施工来施工主梁。加劲梁一般有钢析架梁、钢箱梁、钢混凝土叠合梁、混凝土梁等多种，由于种类的不同，加劲梁的组装或浇注方式会有所不同[3]。
等到加劲梁完成以后就开始架设主缆并张拉吊杆，吊杆张拉次序和每次张拉力的大小决定了最终的桥面线形是否到位，吊杆内力值是否到量，同时保证主缆线形、加劲梁应力、桥塔倾斜度、索鞍位移等在允许的范围内。往往不能将每根吊杆一次张拉到位，而应该进行多轮次、小力幅的张拉，最终使各索力趋近于理想成桥索力，同时确保成桥后的内力状态和几何线型符合设计要求。
自锚式悬索桥的施工控制由初始状态的工程控制和施工中的工程控制分析2部分组成。初始状态的工程控制分析主要包括:成桥状态下主缆线形，主缆无应力长度、索鞍预偏量、空缆状态线形、索夹安装位置、吊杆长度等的计算和确定[4]。
由于自锚式悬索桥施工方法的特殊性，在主缆就位以后就难以像斜拉桥那样进行后期的索力和标高的调整，因此施工空缆状态的精确计算就显得尤为重要。它可以避免或减少后期的调整工作，并且使竣工后交付运营时的桥面标高、主缆垂度、鞍座位置、各构件的几何形状和内力状态等各项指标符合或最接近设计要求。因此初始状态的工程控制分析是自锚式悬索桥施工控制分析的重点和关键，也是施工中控制分析得以进行的前提和基础。有了理想成桥状态，可以通过倒拆计算法或者解析迭代法求出空缆状态，有了空缆状态才可能在此基础上调试出各个施工状态以及施工控制的目标状态一成桥状态:而施工中控制分析恰恰要以各个施工状态及成桥状态的确定为基础。图1为自锚式悬索桥的初始状态控制分析流程图。
自锚式悬索桥施工中的工程控制分析具体包括线形控制、吊杆力应力控制和应力控制三方面的内容。要根据自锚式悬索桥的结构特点和施工方法制定相应的施工控制程序，用于指导施工。
自锚式悬索桥的施工控制是施工一量测一识别一修正一预告一施工的循环过程，为了实现控制的目标，就必须有一套完整的、精密仪器的量测手段的支持和先进实用的计算方法作为依据。
结束语
要彻底改变目前我国桥梁养护部门的现状，科学地、较为主动地预报桥梁各部位营运情况，必须在桥梁施工中进行施工控制系统的建立，并使其能长期对桥梁营运阶段进行监测，这样才能确保这些耗资巨大、与国计民生密切相关的大桥的安全耐久。由此可见，桥梁施工控制是现代化桥梁建设的必然趋势。
参考文献
[1] 悬索桥铁道部大桥工程局桥梁科学研究所编北京:科学技术文献出版社，1996.10,1.
[2] 张元凯，肖汝诚，金成棣. 自锚式悬索桥概念设计，公路，2002, 11: 46~49.
[3] 楼庄鸿，严文彪. 自锚式悬索桥，中国公路学会桥梁和结构工程学会，2002年全国桥梁学术会议论文集，2002.10, 243-252.
[4] 石磊，张哲，刘春城. 混凝土自锚式悬索桥设计及其力学性能分析，大连理工大学学报，2003, 43 (2), 202~206.
