浅议混凝土斜拉桥施工控制

卢广宁 孙世光

1 斜拉桥施工控制的必要性

斜拉桥是高次超静定结构,主梁、索塔和拉索之间刚度相差十分悬殊,受拉索垂度、温度变化、风力和日照影响、施工临时荷载、混凝土收缩徐变等复杂因素干扰,使力与变形的关系十分复杂。

在施工理论计算中,虽然可以采用多种计算方法,算出各施工阶段或步骤的索力和相应的梁体变形,但是按理论计算所给出的索力、线形进行施工时,结构的实际变形却未必能达到预期的结果。这主要是由于设计时所采用的计算参数,诸如材料的弹性模量、构件重量、混凝土的收缩徐变系数、施工中温度变化以及施工临时荷载条件等与实际工程中所表现出来的不完全一致所引起的。

斜拉桥在施工中表现出来的这种理论与实际的偏差具有积累性,如不加以及时、有效的控制和调整,会随着主梁悬臂施工长度的增加而增加。因此,斜拉桥施工控制是保证斜拉桥达到设计要求的重要手段。

2 斜拉桥施工控制的特点

桥梁施工控制最基本的要求是保证施工中的安全和结构恒载内力及结构线形符合设计要求。斜拉桥在主梁悬臂施工时,确保主梁线形和顺、正确是第一位的,施工中以标高控制为主。所谓以标高控制为主,并非只控制主梁的标高,而不顾及拉索索力的偏差。施工中应根据结构本身的特性和施工方法的不同,采取相应的控制策略。若主梁刚度较小,斜拉索索力的微小变化将引起悬臂端挠度的较大变化,斜拉索张拉时应以高程测量进行控制为主,但索力张拉吨位不应超过容许范围,确保施工安全。若主梁刚度较大,斜拉索索力变化了很多,而悬臂端挠度的变化却非常有限,施工中应以拉索张拉吨位进行控制,然后根据标高的实测情况,对索力做适当的调整。此时标高、线形的控制主要是通过混凝土浇筑前底模标高的调整来实现。

3 斜拉桥施工控制的方法

1)开环控制。在设计时给予主梁标高和内力最大的宽容度,或是在设计时估计结构的恒载和活载,由此计算出结构的预拱度,在施工过程中按照这个预拱度来施工,施工完成后的结构就基本上能达到设计所要求的线形和内力,即所谓的开环控制。2)纠偏终点控制。采取纠偏终点控制的方法,即在施工过程中,对产生主梁线形偏差的因素跟踪控制,随时纠偏,最终达到理想线形,这种方法常用Kalman滤波法和灰色理论等。3)自适应控制。闭环控制的设计参数识别与修正法,亦称自适应控制方法,是对施工过程中的标高和内力的实测值与预计值进行比较,对桥梁结构的主要基本参数进行识别,找出实测值与预计值产生偏差的原因,从而对参数进行修正,再反馈到控制计算中,重新给出施工下一阶段的索力和主梁线形的理论期望值,以消除理论计算与实测值的误差,使主梁悬臂施工的线形与斜索拉力相协调。

4 斜拉桥施工控制的内容

4.1 结构变形控制

桥梁结构尺寸的控制是施工控制的基本要求,但结构在施工形成过程中均要产生变形,加之施工过程中各种误差的积累,因此任何一个结构不可能达到与设计尺寸准确无误的吻合,故要尽量减少结构尺寸与设计尺寸的偏差,并将其降低到允许的范围。

4.2 结构应力控制

1)施加预应力的一般规定。张拉机具与锚具应在现场进行检验和校验。千斤顶与压力表应配套校验,以确定张拉力与压力表读数之间的关系曲线。所用压力表的精度不宜低于1.5级;校验千斤顶用的试验机或测力计的精度不得低于±2%。预应力钢材用应力控制法张拉时,应以伸长值进行校核,实际伸长值与理论伸长值之差应控制在6%以内。2)梁体内力控制。梁体应力状态与设计应力状态应尽量相符,若产生偏差,则其偏差不超过±5%。3)斜拉索力控制。斜拉索施工拉力允许偏差不大于±3%。

4.3 结构稳定控制

桥梁结构的稳定关系到桥梁的安全,它与桥梁的强度有着同等重要的意义。所谓结构或构件失稳是指荷载因素在构件中产生的内力并不很大,但在与荷载正交的某个方向却会因偶然的扰动、偏心加载、构件缺陷等原因产生很大的位移,使结构或构件失去正常的工作能力。桥塔柱与主梁梁段施工时的稳定性问题应引起足够的重视,施工期间构件稳定安全系数应大于3。

5 斜拉桥施工监测的具体内容

1)主塔变位测量。主塔变位测量包括:顺桥向和横桥向两个方向变位值的测量。测量的成果应提供:塔柱在日照下随温度变化发生纵横桥向偏移的曲线以及在主梁施工过程中塔柱的变位值。2)梁体线形测量。梁体线形测量包括:高程测量和中线测量。测量的成果应提供:主梁在各施工阶段的高程实测值和中线实测值;主梁线形随温度变化的曲线,以随时掌握主梁温度变形的影响。3)索力测量。索力测量内容包括:施工挂篮挂索张拉后、每悬浇一个节段后、体系转换张拉拉索时临近的4对～5对索、中间调索和全桥合龙时全部拉索的索力。测量的成果应提供:各测试阶段的索力值以及关键索力随温度变化的曲线。4)温度测量。温度测量内容包括:季节温差、日照温差、骤变温差、残余温度、不同温度场等的测量。主梁和塔柱的温度测试断面应与应力测量断面相同,依次对应,也便于计算分析;拉索的温度变化也应进行测量。对于施工控制所需温度实测数据的采集时间一般取一天中温度变化较小的早晨。测量的成果应提供:索、塔、梁各测试断面温度短期变化曲线和季节性温度变化曲线;对于斜拉索,还应提供索内外温差和中心点温差的对应关系曲线。5)应力测量。应力测量内容包括:梁塔各控制截面的应力。测量的成果应提供:梁塔各施工状态下监测截面的应力值及成桥状态下各监测截面的应力值。6)材料收缩、徐变的影响。对于混凝土桥梁,材料收缩、徐变对结构内力、变形有较大的影响。混凝土收缩、徐变受很多因素影响,主要因素有:a.水泥品种;b.集料性质;c.混凝土配合比;d.外加剂和其他成分;e.加载龄期;f.环境龄期;g.环境温度;h.试件尺寸;i.应力大小;j.应力持续时间。施工监测时应采集上述数据,以供监控计算分析时调整收缩、徐变参数。

6 斜拉桥施工控制的组织安排及工作程序

6.1 组织安排

施工控制中确定每一施工步骤的目标与设计方有关,施工方必须按照一定的精度来完成每个施工步骤,并进行必要的测量,整个施工过程必须在监理的监督下完成,因此,顺利地实现施工控制的目标,需要设计、施工、监理、监测、监控等多方面的配合。

为了确保斜拉桥施工控制的顺利实施,上述单位应共同制定施工控制纲要,施工控制单位应根据纲要制定施工控制测试工作细则。由业主牵头成立施工控制工作领导小组,并在施工现场成立由工程控制承包方、业主、监理、施工、设计单位人员组成的施工控制工作小组。

6.2 工作程序

1)按照预报的挂篮定位标高定位挂篮,挂篮定位必须在0点至日出前完成,由施工单位测量挂篮定位标高,经监理签认后向控制小组提供挂篮的定位测量结果;2)施工控制小组分析测量结果,如需调整,给出调整后的斜拉索张拉力和标高;3)浇筑混凝土过程中测量挂篮定位点标高,测量已浇梁段端部及后支点断面处的测点标高;4)浇筑完混凝土后第二天测量所有已施工梁段上的测点标高,经监理签认后提供给施工控制小组;5)监理方检查断面尺寸准确性,向施工控制小组提供梁段混凝土超重的情况;6)

施工控制小组分析测量结果,如需调整,给出调整后的斜拉索张拉力;7)张拉斜拉索,日出前测量已施工的所有梁段上的测点标高,经监理签认后提供给施工控制小组;8)测量斜拉索索力,如果该对索力异常,应进行该对索补充张拉;9)施工控制小组根据上一施工周期梁底标高测量值和索力测量结果计算、预报挂篮定位标高和下一施工周期的斜拉索张拉力;10)预报标高与索力经设计单位进行局部应力验算,与控制单位会签后交监理;11)监理将上述预报索力与标高最后核定后下指令交施工单位执行。

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