斜拉桥换索施工监测与控制浅析

路明 路双 吴俊梅

摘要：斜拉桥的一个重要特点是设计与施工高度耦合。为保证桥梁的正常交通通行能力，需定期对斜拉索进行更换。如何通过施工中索力和标高的调整来获得预先设计的应力状态和几何线形，是斜拉桥施工监测与控制中最为关心的问题。由于换索与建新桥在施工中侧重点不尽相同，两者的施工监控内容也不完全相同。

关键词：换索；施工；斜拉桥；监控

1 引言

斜拉桥在使用过程中，由于拉索锈蚀、疲劳损伤等原因，需定期对斜拉索进行检测与更换。尤其是大跨度斜拉桥，换索工作是精细而庞大的系统工程。随着我国桥梁检测与维修加固[4]技术的发展，斜拉桥换索施工工艺已日趋成熟，在不同类型的桥梁施工监控中，斜拉桥的施工监控确有独到之处。

2 施工控制方法的选择

目前，大型桥梁的施工监测控制方法有卡尔曼（Kalman）滤波法[2]、灰色系统理论法、最小二乘法、人工神经网络法等。

其中，卡尔曼（Kalman）滤波法[2]多以位移作为状态变量；灰色系统理论法通过灰建模实现灰预测，多用于梁桥的施工监控中；最小二乘法在缆索承重桥的施工控制中，主要用于设计参数的辨识与修正；人工神经网络法通过BP算法，达到设计参数的估计。

斜拉桥换索施工监控主要采用自适应控制法。

3 监控方法与要求

（1）监控方法[8]

自适应控制法是一个边施工、边反馈、边调节、边适应的主动控制方法。该方法的使用贯穿于斜拉桥换索工作始终。

在系统运行过程中，它通过系统识别或

参数估计模块，把误差输入到参数辨识算法中去调节计算模型参数。计算模型经过参数

修正后，重新计算各施工阶段理想状态，根据此目标按反馈控制思路进行施工控制。计算模型与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律，并对已有误差进行调整。

（2）线形方面

线形控制原则上以不改变原桥线形为准，以原桥设计线形为参照，实施过程中通过量测的主梁标高与桥塔变形反映线形情况。

（3）受力方面

塔、梁、索是斜拉桥的主要有机组成部分。其中塔主要为受压构件。主梁的受力较为复杂，剪力对主梁的影响与弯矩、轴力产生的影响相比，弯矩、轴力影响居主导。在换索施工过程中，塔、梁在受力上有相似之处，其中索力的调整与变化是对全桥最为敏感的影响因素。塔、梁在施工过程中受力应满足混凝土强度范围以内，索的拉力要兼顾塔、梁受力要求与全桥安全需要。

4 监控主要工作内容

（1）换索前的监测[7]

在全桥换索施工前，对全桥斜拉索索力与主梁标高进行测定，为新索索力的确定提供现场参考。

（2）理论值的计算与初步确定

在设计参数收集完备的基础上，利用有限元程序进行建模计算，考虑几何非线性[1]的影响，通过前进分析与倒退分析得到参数识别、修正前的理论值。其中，斜拉索调索是理论计算的重点。

(3) 梁、塔内力观测

以某双塔三跨双索面斜拉桥为例，在主、边跨跨中，主、边跨1/4，塔梁相交的塔根部，共选取9个应力观测截面，在梁体内部利用表贴式应变计进行测量。

对于梁体应力大而且集中的部位，有必要利用Anasy软件进行局部分析计算。

（4）线形观测

线形观测包括主梁线形观测与桥塔线形观测。

其中，主梁线形的观测通过主梁梁顶标高实现。在桥台处选取不动点，作为主梁标高观测的基准点。凡是有斜拉索锚固的梁段，都应选取主梁标高的观测断面，且在每个断面的横桥向利用钢筋头在梁段上表面设置左、中、右三个观测点。

利用精密水准仪在已知不动点水准高程基础上，对钢筋头处的水准高程进行测量，并与设计高程进行复核。由于每个观测断面上设置有左、中、右三个观测点，不但实现了纵桥向线形的观测，也可以通过左、右两个观测点高程差得知主梁是否发生横向扭转与翘曲，以便在换索施工中及时调整与纠正。

桥塔线形观测是利用全站仪在桥址水准网上对两岸桥塔实施阶段性联测。尤其对于端锚索的更换，应重点加强塔偏与塔根部应力监测。在阶段施工中可通过索力微调，局部预压做到塔柱变形不累计，并在竣工后将桥塔变形控制在容许范围内。

5 索力监测

大跨度斜拉桥换索施工，现场索力量测[1]方法主要有三种：

（1）压力传感器法

此方法是预先在斜拉索锚下安装压力传感器，通过仪表示数获知索力。由于该方法抗干扰能力强，不但能够在施工中运用，而且在竣工后还可以长期使用。

（2）压力表测量法

通常利用液压千斤顶对斜拉索张拉，在得知力缸液压值后，利用液压值与张拉力之间的关系，就可换算出张拉力。该方法是施工过程中实用性最强的索力量测与控制方法。

（3）振动频率法

根据弦振动理论，柔性铰接索的索力与振动频率之间存在对应关系，见式5-1；考虑索的抗弯刚度，见式5-2；

（式5-1）

（式5-2）

式中: ——斜拉索索力；

——单位长度斜拉索重力；

——索的计算长度；

——振动阶数；

——重力加速度；

——索的第n阶自振频率；

——索的抗弯刚度；

振动频率法一般选取偶数阶频率进行索力的计算，用于消除索的垂度效应引起的误差。

6 换索顺序

以双塔三跨双索面某漂浮体系斜拉桥为例，在施工过程中，起初以两桥塔轴线为中心，对塔梁相交区的拉索进行更换，待该区域拉索能够出力稳定后，换索施工又从两塔塔顶向塔根部按顺序进行。

具体在实施过程中的顺序为：

(1)拆换全桥次短的斜拉索；

(2)拆换全桥最短的斜拉索；

(3)拆换除（1）、（2）索外，最短斜拉索；

(4)拆换全桥最长的斜拉索；

(5)剩余斜拉索按照由长到短顺序拆换；

此顺序充分利用对称性，考虑了主梁安全与受力的需要，有利于塔柱不平衡力的抵消与桥塔线形控制，降低了施工风险与难度。

7 施工保证措施

对关键部位受力应考虑疲劳损伤与强度折减，适度提高施工过程中的安全系数。

利用有限元软件进行施工过程模型分析，在闭环反馈控制的基础上，增加参数估计算法分支，对参数进行调节并对系统的输入进行修正，对以后的施工工况进行反馈控制。

施工过程中尽量减少引起桥梁局部或整体振动的非自然因素干扰。

8 竣工后养护建议

为保障桥梁的正常使用寿命与设计年限，应从以下方面加强大桥的管养维护工作：

（1）定期对斜拉索冷铸镦头锚进行防水、防渗检查，抹油处理；

（2）每两年对大桥主梁线形与主塔线形进行观测；

（3）斜拉索5年大检一次；

（4）细部外观检测方面，随时发现问题，随时进行维护。

9 结束语

斜拉桥换索施工监控，最敏感的因素是索力。通过索力调整来实现主梁线形改变，理论上可行。但由于混凝土主梁刚度较大，线形调整需要很大的索力变动幅值才能实现，这对于索力和主梁应力均是不允许的。宁波的招宝山大桥在建设中，由于索力控制不合理，就导致主梁局部压溃[6]的现象。

如何改进换索的设计思路与方法[5]，实现在施工中就接近设计控制目标，做到索力兼顾线形，索力兼顾塔、梁受力，除了保证施工精度与质量外，换索施工中对索力优化[3]也提出了很高的要求。这些也是今后施工监测与控制工作不断进取的方向。

参考文献:

[1]唐继舜,代璞.斜拉桥换索施工监控技术探讨[J].桥梁建设,2005,(1):65-68.

[2]张全胜,于海营.卡尔曼滤波法在斜拉桥换索中的应用[J].中外公路,2009(12):153-156

[3]周鑫.斜拉桥换索前的索力调整[J].北方交通,2009(2):96-99

[4]李宏江,李万恒.天津永和大桥维修与加固[J].世界桥梁,2009(1):53-56.

[5]蒋伟平,李亚东.斜拉桥换索设计方法探讨[J].结构工程师 2010,(2):57-62 .

[6]吕忠达,秦顺全.宁波招宝山大桥主桥局部拆除重建方案研究[J]桥梁建设, 2001,(3):1-7 .

[7]袁兰兰. 大跨径斜拉桥换索工程实践[J]城市道桥与防洪, 2010,(12):109-111 .

[8]罗明. 桐子林大桥换索工程施工监控研究[J]中华建设科技, 2011,(3):103-105