無背索斜拉橋施工控制技術(shù)探討

無背索斜拉橋以其線型優(yōu)美、造型獨(dú)特在城市景觀橋梁中優(yōu)勢(shì)顯著。以成都某橋施工監(jiān)控為例，通過建立有限元模型，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其實(shí)際施工過程中的拉索索力以及主梁主塔應(yīng)力變化，將理論值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)調(diào)整施工誤差，保證其結(jié)構(gòu)滿足變形和受力要求，達(dá)到成橋理想狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

斜拉橋； 施工控制； 索力監(jiān)測(cè)； 應(yīng)力測(cè)試； 變形測(cè)量

U445.4A

［定稿日期］2023-04-03

［作者簡(jiǎn)介］張永琦（1998—），男，碩士，從事橋梁與隧道工程工作。

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)斜拉橋理論及應(yīng)用的日趨成熟以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)在滿足日常通行需求的同時(shí)，也被賦予了更多的美學(xué)特性［1］。無背索斜拉橋作為一種對(duì)傳統(tǒng)斜拉橋美學(xué)造型的突破，通過將橋塔進(jìn)行傾斜，仿若一艘揚(yáng)帆破浪的巨船，繼而展現(xiàn)出一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)與力量感，在景觀橋梁中得到了建設(shè)者的青睞［2-5］。

無背索斜拉橋僅存在單側(cè)索，主要通過傾斜橋塔的自重力矩與斜拉索的傾覆力矩相平衡，受力較為復(fù)雜，對(duì)施工控制技術(shù)要求較高，因此整體修建數(shù)量較少［6］。本文以成都某橋?yàn)橐劳泄こ?，通過建立有限元計(jì)算模型，對(duì)其施工過程進(jìn)行模擬，為實(shí)橋施工監(jiān)控提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

本橋?yàn)殡p索面無背索斜拉橋（拱形鋼塔），塔梁墩固結(jié)，橋梁全長(zhǎng)108.16 m（橋臺(tái)側(cè)墻末端），全寬38.5 m。橋梁跨徑為70 m+26 m，立面布置如圖1所示。主梁采用全鋼、全焊接、正交異性橋面板的縱橫梁格體系，拱形橋塔采用鋼箱結(jié)構(gòu)作為主要受力結(jié)構(gòu)，并填充C30微膨脹混凝土配重，斜拉索采用雙索面豎琴形布置，全橋共計(jì)6對(duì)拉索，水平夾角25°。橋梁主塔主梁節(jié)段采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式，主塔拼裝、混凝土填芯、斜拉索張拉交替施工。

1.2 施工控制要求

為保證成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形在合理狀態(tài)，需對(duì)橋梁施工時(shí)的線形、應(yīng)力和索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)建立有限元模型進(jìn)行校核比對(duì)［7］。

線形測(cè)量主要是保證主梁施工及成橋后標(biāo)高、主梁軸線偏位、索塔偏位等在允許范圍內(nèi)；應(yīng)力測(cè)量主要是結(jié)合計(jì)算模型在橋梁關(guān)鍵控制截面布置應(yīng)變傳感器，保證各階段施工和成橋后結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全；索力測(cè)量主要是結(jié)合計(jì)算模型指導(dǎo)斜拉索張拉，控制索力大小。同時(shí)對(duì)成橋后索力進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合變形和應(yīng)力測(cè)量使得橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到理想狀態(tài)。

2 施工測(cè)點(diǎn)布置方案

2.1 變形監(jiān)測(cè)

在鋼主梁附近設(shè)置高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)，并在主梁兩側(cè)拉索錨固區(qū)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)斷面12個(gè)測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量拼裝好的主梁節(jié)段是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)與施工控制分析理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)主梁主跨L/4、L/2、3L/4，以及邊跨L/2截面安裝附著式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并在每個(gè)截面布置7個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖3、圖4所示。

同時(shí)在橋塔與墩臺(tái)連接處、橋塔與主梁連接處、以及橋塔中部3個(gè)控制截面安裝附著式應(yīng)變計(jì)，每個(gè)截面布置4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖5、圖6所示。

2.3 索力監(jiān)測(cè)

對(duì)于無背索斜拉橋而言，索力監(jiān)測(cè)是重中之重，索力大小會(huì)直接影響到主梁和主塔的線形和內(nèi)力分布，因此要確保拉索索力不低于或者超過設(shè)計(jì)值的5%。

索力測(cè)量采用CDJM-DC2動(dòng)測(cè)儀，使用臨時(shí)固定在拉索上的高精度傳感器得到拉索振動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過傅里葉變換得到拉索自振頻率，進(jìn)而得到其張拉索力。索力監(jiān)測(cè)在每次掛索時(shí)均進(jìn)行已安裝拉索索力的測(cè)量，并在適時(shí)進(jìn)行調(diào)索。

3 無背索斜拉橋施工過程有限元模擬

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)參數(shù)，使用Midas/Civil建立無背索斜拉橋有限元模型。從理想成橋階段出發(fā)，根據(jù)“倒拆-前進(jìn)”計(jì)算原理，計(jì)算得到橋梁施工階段結(jié)構(gòu)斜拉索初張力及結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力和變形［8］。結(jié)構(gòu)整體模型以及施加二期恒載后的主梁應(yīng)力如圖7～圖9所示，成橋索力理論值如表1所示。

4 監(jiān)控結(jié)果

4.1 高程控制結(jié)果

成橋后在高程控制基準(zhǔn)點(diǎn)處架設(shè)觀測(cè)棱鏡，采用全站儀對(duì)主梁測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行測(cè)量，6個(gè)斷面高程相對(duì)高程差值如圖10所示?？梢钥闯龈叱滩钪稻?5 mm以內(nèi)，主梁未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，滿足成橋要求。

4.2 應(yīng)力控制結(jié)果

在每次橋梁掛索施工時(shí)對(duì)主梁關(guān)鍵截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，并與理論值進(jìn)行比對(duì)。圖11給出6對(duì)斜拉索掛索及調(diào)索完成這7個(gè)關(guān)鍵階段（CS1～CS7）主梁在其控制截面處的實(shí)測(cè)平均應(yīng)力（黑線）與理論平均應(yīng)力（紅線）變化?？梢钥闯霰O(jiān)控結(jié)果與理論值基本吻合，結(jié)構(gòu)內(nèi)力位于安全范圍內(nèi)。

4.3 索力控制結(jié)果

為保證斜拉索索力平緩達(dá)到設(shè)計(jì)終值，在索力張拉時(shí)采用索力終值的15%、30%、60%、100%分級(jí)張拉，在測(cè)量索力時(shí)也應(yīng)多次測(cè)量取均值，減少誤差。圖12給出施加二期恒載后6對(duì)拉索實(shí)測(cè)索力與理論索力的比對(duì)以及相應(yīng)的誤差百分比。從圖中可以看出采用分級(jí)張拉以及適時(shí)調(diào)索后，索力實(shí)測(cè)值與理論值差距在5%以內(nèi)，滿足限值要求。

5 結(jié)論

（1）本次無背索斜拉橋施工控制結(jié)果是合理的、滿足規(guī)范要求的，可以為相關(guān)施工控制設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

（2）采用有限元方法對(duì)無背索斜拉橋進(jìn)行施工控制模擬是有效的，將建模與監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合可以很好的指導(dǎo)施工，避免較大的施工誤差。

（3）成橋后使用全站儀對(duì)主梁高程測(cè)量，梁體未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，位置精確，符合設(shè)計(jì)要求。

（4）在主梁、主塔以及橋墩關(guān)鍵截面布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行測(cè)量后，與理論值差距較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力滿足控制要求，橋梁達(dá)到理想狀態(tài)。

（5）無背索斜拉橋掛索時(shí)采用分級(jí)張拉，并在掛索結(jié)束后適時(shí)調(diào)索，實(shí)測(cè)索力誤差在5%以下，滿足控制精度要求。

參考文獻(xiàn)

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