浅谈悬索桥的施工控制

于之华

悬索桥的施工控制发展到现在已经取得了很大的成果,对于大跨径桥梁的发展有着不可忽视的贡献。同时,随着悬索桥跨径的增大和新形式的不断涌现,对施工控制又不断提出新的要求,需要悬索桥的施工控制不断发展。

1 悬索桥施工控制的难点及解决方法

悬索桥结构有着自己的特点,其中最大的特点就是结构刚度相对其他桥型较小,特别是施工过程中,其结构刚度就更加小,易受外界环境影响,几何非线性明显。这些条件对施工控制非常不利,给悬索桥的施工控制提出了难题。

悬索桥的施工控制是在对实际结构进行分析计算的基础上得出的,结构的非线性将会在很大程度上影响计算结果的精确程度,处理悬索桥非线性问题是悬索桥施工控制计算的难点。悬索桥的非线性因素有:1)荷载作用下结构大位移引起的非线性;2)缆索自重引起的非线性;3)缆索初始内力引起的非线性。对于目前比较好的解决方法是用有限位移法求解时,其刚度矩阵考虑非线性因素。

监测是悬索桥施工控制中的另一个难点。目前悬索桥大多在大江、大河或悬崖、峡谷上进行,受风的影响非常突出,无风的情况比较少,可能在需要观测的时候很难遇到无风的天气。空缆状态下,大风可能将主缆吹离其中心线几十厘米,并且引起主缆的颤振,这会增加主缆测量的难度,需要有经验的测量人员并且抓紧无风时进行测量。悬索桥多用在大跨度结构中,在几百米跨径范围内,温度可能有差异,由于温度差异对主缆的影响造成主缆伸长量不一,但在计算中取的温度参数为一定值,在大跨悬索桥中,计算所取的温度与实际温度的差值可能引起主缆几厘米的误差,采用较为稳定的早晚进行,把温度影响过滤掉。除了风和温差等不利因素外,大雾和下雨也将影响观测的进行。对于观测的解决方法一般是放在夜间进行,可以选择月圆风小的夜晚,夜间受温差和大雾、大风影响较小,可以认为测量不受外界环境的影响。但夜间监测也可能会有不利的因素,例如主跨基准索股的架设,需要连续观测三昼夜并且保证稳定以后才能继续施工,长期夜间作业会降低操作人员注意力,造成人为错误,所以目前提出的解决方案不尽人意,需要改进测量程序。

2 现行悬索桥施工控制的不足

悬索桥施工控制的难点从侧面反映了目前施工控制的不足之处。以下几条是现行悬索桥施工控制的主要不足之处:1)需要进行大量的计算和现场监测,这需要大量的人工工作;2)受观测误差和仪器噪声的影响很不确定,需要有丰富经验的工程师进行分析判断,受人为影响比较大;3)仪器受外界环境影响比较明显,例如大风、温度骤变、大雾和雷雨天气等;4)监控有一定的延时性,我们对测得的参数进行分析和计算机输入需要时间,再将其计算结果运用于施工监控又需要时间,这其中参数可能发生大的变化,需要进行复核,这就浪费了大量的人力物力;5)由于需要人工进行操作,对于大桥的监控很难做到时时进行,这可能错过对危险应力的监控,以致危害桥梁的情况出现。

3 对悬索桥施工控制改进的几点意见

3.1 桥塔监测方法的改进

对于一个大型桥梁系统,参数识别是非常重要的一步。减少人为失误对于参数的影响主要是通过减少人对于数据的处理工作量,主要考虑的步骤是尽量使用自动化仪器。桥塔的标高是悬索桥施工控制的一个关键点,因其高度大、刚度小,受温度和风的影响比较显著,监测难度很大,与实际对桥塔放样的高要求形成鲜明对比,作者通过日本南备赞大桥施工录像的启迪,建议考虑使用激光照射仪器来替代现在的观测仪器。激光的好处是发散小,受外界影响较小,用于观测其精度是完全满足的,同时不用长期占用全站仪,省去了一些中间过程。具体实施是将激光照射仪器固定在不受大风和日晒并能观测到桥塔的位置,根据理论计算值调整激光照射仪器角度,使其对照桥塔顶部的设计位置,并可以用全站仪进行校正。与此同时,在桥塔根部安装一个激光照射仪器对照桥塔顶部,用于校准桥塔顶部偏位。

桥塔温度与应力的观测可借助预埋在桥塔混凝土内部的传感仪器来进行监测。将应力监测仪器预先捆绑在桥塔内部钢筋上,其导线引到桥塔外部;将温度测定仪器在混凝土浇筑时埋入桥塔内,同样将导线引到桥塔外部。把引出的导线分类按编号引入接收器,输入计算机以供处理分析。

3.2 大桥主缆监测方法的改进

同理,对于主缆的观测也可采用相似的方法以尽量减少误差。主缆在架设时对温度变化和大风天气比较敏感,对于主缆的观测同样是一件难题,无论用什么样的观测网,由于观测的物体很难处于静止状态,观测误差是很难克服的。选择无风的夜晚是一个好的解决办法,但夜间施工所用照明对温度参数会有一定影响,这需要在数据分析中加以考虑:但个人认为选择阴天或是在一天中温度稳定的时段架设调整主缆能更好的减少架设测量误差。如果根据温度自动调整观测仪器,使仪器自动对准理论主缆位置,给施工技术人员直接的提示,可以使施工控制更加直观。一般情况考虑将照射仪器架在地面不受风吹雨淋和日照的地方,将主缆各点的温度传感仪传回的数据进行计算机分析,求出各跨固定桩号点主缆高程,自动调整照射仪器使其对准理论主缆高程,通过两台照射仪器同时照准同一点以确定主缆有无偏离中心位置,通过自动照准仪器可以将主缆监测变得简单可行。对于跨径较大的悬索桥主缆监测,可以根据情况使用GPS监测系统。由于GPS是接收卫星定位,各个测点间是完全同步的,由对称测点可得出转角来,这是常规测量方法难以实现的;利用GPS测定位移自动化程度高:从接收信号,捕捉卫星,到完成RTK(Real Time Kinematic)差分都可由仪器自动完成,所测三维坐标可直接存入监控中心服务器进行大桥施工控制分析:GPS定位平面精度为10 mm,高程精度为20 mm。GPS RTK差分系统是由GPS基准站、GPS监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及GPS基准站信息,进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。

此结果将送到GPS监控中心。监控中心对接收机的GPS差分信号结果进行桥梁主缆位移d、转角α计算,提供大桥施工控制方进行分析。

3.3 远程快速监控的实施

应力监测和位移监测等得到的数据需要及时处理,以便施工控制人员在最短的时间作出反应。目前由于种种限制,施工控制人员一般将监控得到的数据抄回进行滤波分析,再用计算机处理,处理完毕再将监控结果返回施工现场进行指导施工。这样做的结果是不能及时进行监控和处理,还可能在中间环节遗失原始数据。早在以前就有摄像机进行远距离监控,但在内力与位移进行定量监控时还有很大的不足,目前网络技术发达,可以借助网络实现远程实时监控。

对已有的各种悬索桥施工控制进行分析,找出在这些悬索桥施工控制中各种参数的相关性和敏感性(对参数进行相关性分析,找出其中的独立参数,并确定各参数的相互关联情况,根据所需控制的各项指标的重要程度,对各参数进行敏感性分析,找出影响重要控制指标最有效的参数),对它们进行标示。确定被估计参数与结构状态测量值的函数关系,根据最优估计原理,确定最佳估计方程,然后估计出真实的结构控制参数。

对于已经处理好的参数通过网络传输,将其传输到施工控制计算机上,进行结构受力和位移分析,及时调整预测量,对比观测量与理想设计状态,预测下一步施工是否安全和满足设计要求,达到施工控制的目的。

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