大跨径独塔混合梁斜拉桥施工监控仿真分析

2018-04-23鲁雄飞

交通科技 2018年2期

鲁雄飞

(湖北江汉铁路有限责任公司武汉 430056)

随着建筑材料性能的提升和斜拉桥结构分析方法与施工技术的逐渐完善，斜拉桥的跨越能力和稳定性正在向更强、更安全的方向发展。但斜拉桥的成桥线形和成桥应力对施工环境较敏感，施工本身的误差、临时荷载、温度变化等因素均对其成桥状态有较大影响，使得实际结构的状态与预期会有一定偏差，并且这种偏差和成桥状态的敏感程度会随着主梁的逐段施工而不断扩大。当偏差大到一定程度后必定会对斜拉桥的合龙、成桥线形和成桥应力产生影响，甚至会给桥梁结构后期的正常运营埋下隐患，因此，在施工监控的过程中须及时采集现场数据并与有限元分析的理论数据进行比对，分析误差产生的原因，以便制定下一施工节段的调整方案。

桥梁施工监控以设计成桥状态为工作目标，实时监测桥梁结构的状态和项目环境状况，对比分析监控实测数据与理论数据，运用现代控制理论，对误差进行识别、调整、预测，最大限度的接近设计成桥状态，并同时保证施工过程中的结构安全[1]。

1 工程概况

潜江铁路支线跨汉江特大桥位于天门市岳口镇，主桥跨越汉江，主桥采用32 m+50 m+93 m+260 m+38 m混合梁独塔斜拉桥，半漂浮体系，全梁长474.2 m，总体布置见图1。边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁，其余中跨主梁为钢箱梁。

图1 岳口江汉特大桥总体布置图(单位：m)

索塔采用钻石形索塔，桥面以上索塔采用倒Y形，桥面以下塔柱内缩为钻石形，塔底以上索塔全高159.5 m，桥面以上塔高130 m，桥面以下塔高29.5 m，桥面以上塔的高跨比为1/2。斜拉索采用抗拉标准强度为1 670 MPa的镀锌平行钢丝拉索，空间双索面体系，扇形布置，全桥共42对斜拉索。

2 监控内容

大跨径独塔混合梁斜拉桥施工监控内容由主梁线形监测、主塔变位监测、索力监测、应力监测、温度监测5部分组成[2]。

2.1 主梁线形监测

主梁线形监测主要由高程测量和中线测量2项任务构成，其中主梁的高程测量是控制成桥线形的主要依据，中线测量是主桥顺直保证的关键。高程测量采用几何水准测量法，中线测量采用正、倒镜观测法。本项目每施工1个悬臂节段的过程中，测量时点分别设置在桥面吊机移动后、起吊钢箱梁后、施工钢箱梁后、张拉拉索后的4个工况下，测量工作应在温度较低时进行。

2.2 主塔变位监测

主塔的变位测量主要是对主塔垂度的偏差进行测量，本项目中，在主塔塔顶靠大里程和小里程两侧分别安装1个棱镜，使用全站仪测量棱镜点的三维坐标，从而即可对主塔偏差进行分析。

2.3 索力监测

拉索是斜拉桥的主要承载构件之一，其索力影响着主梁线形、主塔变位，甚至是结构安全，同时索力也是反映全桥内力状态的重要指标。本项目中，索力的测量时点设置在桥面吊机移动后、起吊钢箱梁后、施工钢箱梁后及张拉拉索之后，且每次同时测量5对索力，即当前索力和之前最近依次悬挂的4对索力。索力的测量采用脉动法，根据受力拉索自振频率与索力的关系来确定实际索力[3]。

2.4 应变监测

该桥主塔为混凝土结构，主梁为混合梁组合，小里程侧采用混凝土箱梁满堂支架浇筑而成，大里程侧采用预制钢箱梁悬臂拼装而成。其中混凝土构件的应力测量使用应变片，测点布置在箱梁顶板和底板上；钢箱梁应力测量使用手持式应变计测点，测量拉索锚固区应力，并做好温度补偿的修正。

2.5 温度监测

斜拉桥作为一种超静定结构，其应力状态受温度影响较大，会产生次应力，对索、梁、塔等空间结构产生非线性影响。在桥梁施工过程中，温度效应主要体现在短期昼夜温差和长期季节温差形式上。环境温度的测量采用高性能的热敏电阻，拉索的温度测量采取在实索相同部位悬挂试验索，通过测量试验索外表和内部测点的温度的方式。

3 施工控制思路及计算方法

本桥采用自适应控制法调整计算参数，使用零位置安装法计算各施工节段状态的理论值，并辅以无应力状态法对计算结果进行复核。自适应控制法需要建立一个自适应控制的系统，让计算模型和实际结构相互磨合，通过系统的自动辨识和分析，比对误差，然后反馈到模型中，继而使得计算模型与实际结构的施工相匹配。

4 有限元模型

采用有限元软件midas Civil建立全桥三维有限元模型，主塔、主梁采用单梁模型模拟，拉索采用只受拉的桁架单元模拟，拉索与主塔、主梁采用刚性连接耦合。主梁上各点空间位置按设计线形定位。施工节段的划分，则按实际计划的施工过程划分为104个阶段进行模拟。

5 有限元仿真分析

5.1 成桥状态分析

从成桥状态的内力与位移出发，较容易验证模型中初始参数的可靠性[4]。成桥状态弯矩、应力、位移见图2。

a) 主梁My弯矩图

b) 主塔My弯矩图

c) 主梁应力图

d) 主塔应力图

e) 位移图

全桥结构弯矩最大发生在主塔墩承台处，为29 6752 kN·m，主梁最大弯矩于主塔下横梁支撑处发生，为78 030 kN·m。应力分布上，主塔组合应力分布在0～11.4 MPa的范围内，混凝土主梁的最大组合应力为12.4 MPa，钢箱梁的最大组合应力为106.6 MPa，且发生在钢混结合段处。其应力值均远小于材料的设计强度，并具有较大的安全空间。成桥结构位移是评判成桥线性的一个重要指标，成桥状态下拉索将主梁拉至设计线形下，桥面铺装完成后使桥面达到设计线形的位置；成桥状态下主梁在荷载作用下产生弯曲，最大位移达到827.3 mm，同时主塔塔顶向混凝土箱梁侧偏位251.1 mm。

5.2 施工阶段分析

项目施工过程划分为103个阶段，其中混凝土梁部分采用满堂支架施工，施工时只需要确定立模标高，待浇筑混凝土成梁后，其受施工荷载的影响较小；而钢箱梁部分跨度长且拼装时受外力影响大，使得钢箱梁安装的控制成为本桥施工控制的关键[5]。

5.2.1安装标高计算

采用零位置安装法[6-7]，钢箱梁的安装标高可使用式(1)进行计算。

He=Hc-∑f1i-∑f2i-∑f3i-… (1)

式中：He为安装标高；Hc为成桥设计标高；∑f1i为第i号梁段的自重挠度；∑f2i为施工临时荷载在第i号梁段产生的挠度；∑f3i为二期恒载在第i号梁段产生的挠度，以上数据单位均为m。

作为施工控制目的的成桥设计标高是已知的，而第103个施工节段产生的累计挠度则是在外加荷载作用下产生的成桥累计竖向位移，因此通过上述公式可计算出钢箱梁的安装标高，部分结果见表1。

表1 部分主梁安装标高 m

5.2.2施工阶段高程变化曲线

在钢箱梁按照有限元计算所得的安装标高和安装夹角进行拼装焊接的过程中，本节钢箱梁会对前面已安装箱梁的标高产生影响，使得主梁的线型在安装的过程中呈现动态变化，因此，可根据某确定时刻施工阶段中主梁上各里程桩号点的空间位置绘制标高变化曲线。部分关键施工阶段标高变化见图3。

图3 部分关键施工阶段标高变化

5.2.3施工阶段索力变化

施工过程中，拉索索力的变化会直接影响结构的变形与内力，因此必须准确计算拉索索力。根据本桥施工阶段，选取主要施工阶段拉索索力进行分析，分别比较拉索初张拉完成后、二期恒载加载后及拉索二次张拉完成后索力变化，如图4所示。拉索编号边跨自塔向岸侧为S0～S20，中跨自塔向岸侧为J0～J20，中跨索力变化图略。