大跨度非對稱獨塔斜拉橋施工監控仿真分析

李興坤, 周世軍

(1.北京鐵路局北京工務段, 北京100077;2.重慶大學土木工程學院, 重慶 404100)

大跨度非對稱獨塔斜拉橋施工監控仿真分析

李興坤1, 周世軍2

(1.北京鐵路局北京工務段, 北京100077;2.重慶大學土木工程學院, 重慶 404100)

文章提出了一個適合斜拉橋施工過程控制計算的索單元。該單元能考慮斜拉索在梁上錨固點的偏心。推導了單剛計算公式和索張拉等效結點荷載的計算公式，介紹了斜拉橋施工控制中的幾個特殊問題及處理技巧。通過實橋監控數據驗證了該方法的適用性和可靠性。

非對稱獨塔斜拉橋; 施工監控; 仿真分析

斜拉橋由于主梁很柔，在施工架設中，其主梁撓度和索力變化幅度值較大。在斜拉橋的施工設計時，可以采用倒退的結構分析方法，但是由于在設計時參數的選擇不可能與實際結構所對應的完全一致；另外還存在環境因素影響。如果不在施工過程中逐步修正設計值，則由這些參數引起的結構誤差具有積累性；最終將顯著地偏離設計目標，造成合龍困難，影響整個斜拉橋建成后的美觀和運營質量。

本文結合某斜拉橋(主跨380 m雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋)的施工監控，提出了一個適合施工過程控制計算的的索單元，敘述了大跨度斜拉橋施工監控仿真分析全過程，介紹了斜拉橋施工控制中的幾個特殊問題及其處理技巧，通過一斜拉橋監控的實測數據驗證了該方法的適用性和可靠性。

1 分析理論綜述

1.1 適合施工控制計算的索單元

在實際斜拉橋計算中采用普通梁單元、索面單元與更為精確的空間薄壁箱梁單元相結合的辦法，并根據計算目的的不同決定采用何種有限單元。

本文提出的索單元。該單元有兩個結點i、j，它們與主梁(塔)單元結點的偏心分別為c1、c2(在橫向水平方向，假定兩根索對稱于梁(塔)中心線，兩根索可合成并按一根計算)。單元結點位移向量和單元結點力向量與梁單元相同。于是索單元局部坐標系下的單元剛度矩陣即可在令Iz=0后按梁單元公式計算。而索單元坐標變換矩陣Rc的具體表達式為：

Rc=

(1)

1.2 混凝土收縮、徐變計算

混凝土梁的徐變系數可以按《公路橋規》公式計算。在實用計算中為了方便起見，徐變系數可考慮滯后彈性影響取值，而其齡期系數ρ(t,τ0)隨時間變化的規律可近似地按老化理論確定。

混凝土的收縮也是隨時間變化的，為了簡化計算，假定收縮的變化規律相似于徐變的變化規律。收縮引起的內力及變形計算類似于均勻降溫。

1.3 結構預應力效應

預應力的作用對于梁來說就是外荷載，在程序中可按等效結點荷載處理。

1.4 結構的非線性影響

結合結構計算實際，這里僅討論幾何非線性；關于纜索垂度的影響則采用了修正彈性模量法(Ernst公式)，其表達式為：

(2)

1.5 溫度力計算

溫度變化對結構內力及變形的影響可分為兩種情況：一是均勻的溫度變化；二是不均勻的溫度變化，即結構不同部位或不同構件的溫度變化不同，在結構內產生溫度差，因而使結構產生變形，這種變形在斜拉橋中也會產生次內力。

1.6 參數誤差識別

參數誤差識別過程是自適應控制的關鍵，其任務就是根據對控制目標(如內力、標高和結構應力)的測量值與計算值之間的誤差反算施工過程模擬計算中選用的參數。目前參數識別的算法有兩類：一類是基于誤差最小化的算法，如最小二乘法等；另一類則是基于隨機狀態估計理論的算法，如Kalman濾波法。

2 施工過程監測監控

施工監控中需要細致的觀測測試工作和大量計算工作，根據自適應控制方法得到的梁段的施工控制參數還需要施工單位準確的實施才能夠獲得理想的效果。

下面以某非對稱獨塔斜拉橋(圖1)其中15#和16#兩個梁段的施工為例說明每個梁段施工標高控制的全過程。

圖1 非對稱獨塔斜拉橋

(1)根據14#及其前面梁段施工和塔頂位移的具體情況和對實測結果的反饋、計算、綜合判斷和規律總結，確定出15#梁段15#測點的立模標高理論值并提交施工單位使用。

(2)當立模和鋼筋綁扎工作完成且立模時的牽索索力按要求張拉后，核查立模標高是否滿足要求。

(3)如實際的立模標高與立模標高理論值的差異足夠小并滿足要求(如實際的立模標高與立模標高理論值的差異不滿足要求，則調整立模標高使之滿足要求)，則進行該梁段的混凝土澆注工作，同時動態觀測在混凝土澆注過程中梁的變形情況直至澆注完畢。

(4)在梁段混凝土澆注完成后，選擇適合測量的時段實測澆注后主梁前端標高和塔頂位移，并和理論值比較，判斷結構的安全度和結構分析參數的誤差趨向。

(5)待預應力張拉完畢、15#索按理論張拉力張拉后(至此15#梁段的施工循環過程全部完成)，觀測梁上所有測點的標高和15#段的底板、頂板標高，以判斷整個結構的變形和受力狀態及理論的立模標高的準確度和可靠度。

(6)重復以上(1)～(5)步循環，進行16#梁段的施工(與施工流程對應的其它施工步驟，如掛籃移動、臨時支架、臨時壓重、體系轉換等在這里未列出)。

(7)按施工流程進行后續梁段施工直至主橋施工工作全部完成。

3 監控成果分析

由于主梁標高、應力及索力在施工過程中的變化值時有與理論值出現偏差的現象，但總的來說這種偏差是小的和局部的，并在隨后施工的1～2個梁段內即得以修正。且主梁應力、標高和索力的實測值在施工過程中變化的總趨勢始終與理論值相一致，表明在整個施工過程中對結構內力與線形的控制是有效的。下面給出橋面鋪裝前主梁標高平均差異曲線和橋面鋪裝前全橋索力誤差比較如圖2、圖3所示。

圖2 橋面鋪裝前主梁標高平均差異曲線

4 結論

通過施工監控和對整個施工過程及設計參數的有效模擬，該橋主橋的施工過程達到了對斜拉橋線形和索力進行雙控的目標，且在施工過程中基本上實現了對線形和索力控制的一步到位。表明按以準確立模為主要手段控制主梁線形，在此基礎上準確控制斜拉索初張力的的對線形和索力進行雙控的總思路進行施工監控，不僅能很好的保證施工過程中結構的安全度，同時能有效的實現雙控之目的。另外，從該斜拉橋主橋整個施工過程中的仿真計算結果和對索力、主梁標高的實測結果，也驗證了本文提出的索單元是精確和可靠的。

圖3 橋面鋪裝前全橋索力實測值誤差比較

[1] JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范[S].

[2] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

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[4] 吳鴻慶,任俠.結構有限元分析[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[5] 徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[6] 向中富.橋梁施工控制技術[M].北京：人民交通出版社，2001．

李興坤(1985～)，男，碩士，工程師,從事橋梁結構分析和施工控制; 周世軍(1961～)，男，教授，博士生導師。

U448.27

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[定稿日期]2015-02-03