南澳大橋施工監(jiān)控技術(shù)開(kāi)發(fā)研究

■王新剛，董佳鵬，樊士廣

■1.中交天津港灣工程研究院有限公司結(jié)構(gòu)所，天津市 300222;2.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002

1 引言

矮塔斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)，其施工方法與成橋后的主梁線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力有密切關(guān)系，特別是在施工中如果要進(jìn)行索力調(diào)整，這勢(shì)必引起主梁內(nèi)力和標(biāo)高的變化，再加上混凝土徐變、收縮的影響，使得混凝土矮斜拉橋在施工過(guò)程中受力十分復(fù)雜。因此，必須對(duì)矮塔斜拉橋拉索張拉噸位對(duì)主梁撓度、塔柱位移等施工控制參數(shù)的理論計(jì)算值，以及施工程序做出明確規(guī)定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保矮塔斜拉橋在施工過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)始終處于安全范圍內(nèi)，并在成橋后使主梁的線形符合設(shè)計(jì)要求，受力處于最優(yōu)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，矮塔斜拉橋的施工監(jiān)控是十分重要的。

本文結(jié)合廣東省南澳大橋，在研究現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用midas/Civil 橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)有限元軟件對(duì)矮塔斜拉橋施工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究開(kāi)發(fā)能夠推廣應(yīng)用的矮塔斜拉橋施工監(jiān)控技術(shù)。

2 矮塔斜拉橋施工監(jiān)控內(nèi)容及方法

2.1 矮塔斜拉橋施工監(jiān)控的監(jiān)測(cè)內(nèi)容

(1)幾何變形監(jiān)測(cè)。矮塔斜拉橋的幾何變形測(cè)量包括主梁標(biāo)高測(cè)量、軸線測(cè)量和主塔變位測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析、處理，提出相應(yīng)的控制意見(jiàn)。

(2)混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)。主要目的是了解梁、塔控制截面的應(yīng)力狀況，確保結(jié)構(gòu)施工安全。結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化不像變形控制那樣易于發(fā)現(xiàn)，若應(yīng)力控制不力將會(huì)給結(jié)構(gòu)造成危害，嚴(yán)重者將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，所以，它比變形監(jiān)測(cè)顯得更加重要。

(3)斜拉索索力監(jiān)測(cè)。斜拉索索力值將直接影響主梁的線形及結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和施工安全，因此在施工過(guò)程中必須準(zhǔn)確掌握索力的實(shí)際狀態(tài)。

(4)溫度監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)主要針對(duì)日照引起的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)由表及里的表層溫度梯度，使混凝土產(chǎn)生非均勻變形，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響是極為復(fù)雜的，尤其在施工階段，對(duì)主梁變形和主塔水平位移的影響尤為顯著。

2.2 矮塔斜拉橋施工階段控制的主要方法

在矮塔斜拉橋施工過(guò)程中，主要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)［1］

2.3 矮塔斜拉橋施工過(guò)程模擬分析方法

矮塔斜拉橋施工過(guò)程模擬，必須模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程，詳盡地分析各施工階段的受力特性和變形。施工監(jiān)控中橋梁結(jié)構(gòu)的模擬分析計(jì)算方法主要有倒拆計(jì)算法、正裝計(jì)算法和倒拆一正裝計(jì)算法。

3 南澳大橋施工過(guò)程仿真分析計(jì)算

3.1 工程概況

南澳大橋?yàn)檫B接汕頭市南澳縣與汕頭市區(qū)的一座跨海大橋，主橋?yàn)?126 +238 +126)m 矮塔斜拉橋。主梁為單箱單室斷面，根部梁高8m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高4m，以路線中心線為基準(zhǔn)呈2.0%雙面坡構(gòu)造，梁高按2 次拋物線變化。主橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用C60 混凝土，主塔墩采用C50 混凝土。主梁頂面寬14.4m，兩側(cè)懸臂寬度為1.1m。

3.2 南澳大橋分析計(jì)算模型的建立

應(yīng)用橋梁專業(yè)有限元軟件Midas/Civil，按照設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際施工階段的劃分，建立有限元分析模型。

3.3 南澳大橋的仿真分析計(jì)算

施工監(jiān)控實(shí)施前必須進(jìn)行詳細(xì)的施工監(jiān)控仿真分析計(jì)算，對(duì)該橋在給定的成橋索力值作用下進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，復(fù)核主梁截面應(yīng)力在成橋狀態(tài)時(shí)使用荷載作用下是否滿足要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，成橋狀態(tài)時(shí)主梁截面上下緣混凝土最大的壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均滿足C60 混凝土的容許值。

3.4 斜拉索初拉索力的確定

斜拉橋是多次超靜定結(jié)構(gòu)體系，所以計(jì)算拉索初拉力需要多次的反復(fù)計(jì)算。

MIDAS/Civil 的未知荷載系數(shù)功能使用了索力優(yōu)化法則，可以計(jì)算出特定約束條件的最佳荷載系數(shù)，在計(jì)算斜拉橋拉索初拉力非常有效［2］。

3.5 主梁立模標(biāo)高的確定

立模標(biāo)高應(yīng)滿足成橋時(shí)的主梁標(biāo)高與設(shè)計(jì)成橋標(biāo)高一致的要求。本橋立模標(biāo)高的計(jì)算方法。立模標(biāo)高按下式確定:。其中，H 為主梁的立模標(biāo)高;H0 為成橋后3 年主梁的設(shè)計(jì)標(biāo)高;H1 為施工過(guò)程因施工荷載及混凝土在施工階段的收縮徐變等的累積撓度;從為成橋后3 年混凝土收縮徐變的撓度值(不包括施工階段的)和1/2 活載撓度值之和。

4 南澳大橋的施工監(jiān)控

4.1 施工監(jiān)控的目標(biāo)

施工監(jiān)控總的來(lái)說(shuō)有兩方面的目標(biāo):一是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件所規(guī)定的成橋狀態(tài);另一目標(biāo)是保證結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全。

4.2 斜拉索索力的調(diào)整

在斜拉橋的施工過(guò)程中，斜拉索的索力在不斷地發(fā)生變化，為使實(shí)測(cè)索力值達(dá)到設(shè)計(jì)索力值，可以充分利用斜拉索的“主動(dòng)受力”的特征，通過(guò)多次張拉斜拉索使最終調(diào)索后的成橋索力與合理成橋狀態(tài)的索力相近。

4.3 主梁標(biāo)高的控制

矮塔斜拉橋的主梁剛度較大，不能利用索力調(diào)整進(jìn)行主梁線形調(diào)整，在箱梁混凝土澆筑過(guò)程中，必須對(duì)立模標(biāo)高控制，即對(duì)主梁施工線形進(jìn)行嚴(yán)格控制。在矮塔斜拉橋施工中，進(jìn)行線形控制的目的不僅是為保證橋梁線形符合設(shè)計(jì)要求，而且關(guān)系到梁上索導(dǎo)管與拉索相對(duì)位置是否準(zhǔn)確，拉索能否在索導(dǎo)管內(nèi)自由活動(dòng)，拉索在承受活載時(shí)是否受剪等問(wèn)題。如果拉索抵死索導(dǎo)管，使得拉索承受額外的剪力，則橋梁的耐久性將大大降低。主梁標(biāo)高測(cè)點(diǎn)布置在每節(jié)段梁距前端30cm 處，在橫斷面布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，即主梁中心處和上、下游處。

4.4 溫度和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)是反映結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)的最直觀的指標(biāo)。因此在索塔及主梁的重點(diǎn)部位設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面。主塔共設(shè)置3 個(gè)測(cè)試截面，分別在上橋塔相連處、塔與主梁相連處及橋塔根部。主梁共布置8 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面。

5 施工監(jiān)控成果綜述

南澳大橋主梁于2010 年4 月開(kāi)始施工，于2014 年9 月進(jìn)行主跨合攏。南澳大橋在施工控制的實(shí)施過(guò)程中，業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、監(jiān)控單位、施工單位緊密配合，使得施工控制工作能夠順利進(jìn)行。從本橋目前施工控制的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，無(wú)論是主梁線形，還是索力和主梁應(yīng)力，都得到了很好的控制，達(dá)到了規(guī)定的要求。下面給出主梁施工完畢后的標(biāo)高、應(yīng)力、索力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果。

6 結(jié)論

本文結(jié)合南澳大橋工程，對(duì)矮塔斜拉橋的施工監(jiān)控進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究。從整個(gè)施工監(jiān)控過(guò)程來(lái)看，無(wú)論是索力、主梁應(yīng)力和主梁線形都得到了很好的控制，達(dá)到了施工監(jiān)控的目的和要求，證明了本橋施工監(jiān)控的原則和方法的合理性，為今后類(lèi)似的混凝土矮塔斜拉橋施工監(jiān)控提供了有益的參考和借鑒。

［1］袁震東.自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用.華東師范大學(xué)出版社，1988.

［2］葛俊穎.橋梁工程軟件midas Civil 使用指南.北京:人民交通出版社，2013.