考慮幾何非線性的斜拉橋自適應(yīng)施工監(jiān)控方法研究

陳黎明，龍勇彪

(1.湖南省溆懷高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南懷化418000;2.湖南交通國際經(jīng)濟(jì)工程合作公司，湖南長沙410011)

0 引言

在過去的40多年里，隨著計算理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，施工方法的不斷改進(jìn)以及新材料的大膽采用，斜拉橋的建設(shè)取得了迅猛發(fā)展。并且斜拉橋的建設(shè)過程中，結(jié)構(gòu)的跨徑呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)大的趨勢。在20世紀(jì)90年代的10 a里，斜拉橋的跨度從490 m增加到了890 m，2008年蘇通大橋跨度達(dá)1 088 m。已有學(xué)者大膽預(yù)測將來可望修建主跨1 200 m的斜拉橋［1］。隨著斜拉橋跨徑的不斷加大，無論對計算理論還是施工方法都提出了更高的要求。

一方面，在計算理論上，由于跨徑的不斷加大，單孔主纜長度不斷加大，斜拉索的長度不斷加長，橋塔不斷增高，斜拉橋結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出了新的力學(xué)特點(diǎn)，即:在結(jié)構(gòu)計算中要考慮到結(jié)構(gòu)存在的幾何非線性。而在建設(shè)的過程主要呈現(xiàn)了如下問題:橋梁結(jié)構(gòu)體系及橋位所處的環(huán)境較為復(fù)雜、施工過程中結(jié)構(gòu)剛度較低、結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性問題較突出、影響成橋狀態(tài)實現(xiàn)的因素更為復(fù)雜等鮮明特點(diǎn)。由于大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)體系在計算理論和施工方法上存在著上述特性，從而使得斜拉橋的施工控制難度增大。

另一方面，斜拉橋的幾何非線性主要存在于斜拉索的垂度效應(yīng)、索塔與主梁之間的梁塔效應(yīng)以及主纜在受力過程中的大位移效應(yīng)等幾個方面。針對上述問題，國外學(xué)者研究表明斜拉索垂度效應(yīng)可用彈性模量的等效來考慮、梁柱之間的相互作用效應(yīng)可用穩(wěn)定函數(shù)計算、結(jié)構(gòu)大位移的影響則可用拖動坐標(biāo)法來處理，并用增量-迭代方法求解非線性方程［2］。然而，隨著斜拉橋跨度的不斷加大(拉索不斷加長)，該結(jié)構(gòu)在施工過程表現(xiàn)出較強(qiáng)幾何非線性，且該特性對斜拉橋施工過程的精度控制有較大的影響。因此，有必要建立更為精細(xì)的斜拉橋計算理論來保證斜拉橋施工過程有較高的精度，保證全橋能順利合龍。

基于上述兩方面的考慮，在對大跨度斜拉橋自適應(yīng)施工控制理論與方法進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，考慮到結(jié)構(gòu)幾何非線性對斜拉橋結(jié)構(gòu)的施工控制精確有較大影響，本文提出考慮幾何非線性的大跨度斜拉橋自適應(yīng)施工控制理論方法，并將該方法運(yùn)用于某大跨度斜拉橋的施工控制過程中。這種單元形式。施工中，大跨度斜拉橋的斜拉索處于較低應(yīng)力水平，且結(jié)構(gòu)位移大，有必要引入高精度的懸鏈線單元對斜拉橋進(jìn)行施工過程分析。

基于上述考慮，本文在非線性問題上提出如下兩種做法:①幾何非線性分析基于CR列式全量法;②采用懸鏈線索單元模擬斜拉索應(yīng)用于斜拉橋施工過程計算。

2考慮幾何非線性因素的自適應(yīng)施

構(gòu)施工過程中的參數(shù)識別，從而判斷結(jié)構(gòu)態(tài)，進(jìn)而通過調(diào)整斜拉索索力來調(diào)整結(jié)構(gòu)線形，同時運(yùn)用灰色控制理論［7］對后續(xù)施要給出的斜拉索初始張力和立模標(biāo)高進(jìn)行測。特別指出，本文的自適應(yīng)控制方法是提到的處理非線性問題兩種特定方法，并理論:穩(wěn)定性理論，時變理論，最優(yōu)控制理論理論、誤差傳播理論等。該系統(tǒng)的基本實過程中。

圖1 斜拉橋自適應(yīng)施工控制實施流程

3 工程背景及誤差調(diào)整實施效果

3.1 工程背景

布置及構(gòu)造:主橋為(52+105+320+105+48)m的雙塔混凝土斜拉橋，采用半漂浮體系，主梁采用(縱向及橫向)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主梁采用梁板斷面，頂面設(shè)有雙向2%橫坡。主梁邊緣梁高2.5 m，中心梁高2.73 m，橋?qū)?6.9 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段長8.0 m，橫隔板間距為8.0 m，標(biāo)準(zhǔn)梁段的頂板厚32 cm，索塔兩側(cè)梁段頂板加厚到40 cm;標(biāo)準(zhǔn)梁段邊肋寬2.0 m，索塔兩側(cè)梁段加寬至4.1 m，涪陵側(cè)梁端加厚至3.2 m，豐都側(cè)梁端加厚至4.1 m，主跨跨中設(shè)2.0 m現(xiàn)澆梁段作為合龍段。標(biāo)準(zhǔn)橫隔板的腹板厚40 cm，索塔處，輔助墩處橫隔板厚2.0 m，過渡墩處橫隔板厚2.5 m。

斜拉索:斜拉索采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索，根據(jù)索力的不同，采用PES7-109，PES7-121，PES7-127，PES7-139，PES7-151，PES7-163，PES7-187，PES7-199，PES7-211，PES7-223，PES7-241等11種規(guī)格，全橋共152根斜拉索。標(biāo)準(zhǔn)索距8 m，最長索約182.4 m，單根最大重量為13.283 t。

3.2 理論計算建模及仿真計算工況

全橋施工控制理論計算建模把該橋離散為平面桿系結(jié)構(gòu)，主梁離散為172個梁單元，全橋離散為394個單元，310個節(jié)點(diǎn)，掛籃也離散為結(jié)構(gòu)單元參與整體受力，計算簡圖如圖2所示。

圖2 某斜拉橋施工控制計算簡圖

全橋仿真理論計算工況為23大工況，若干個小工況。具體施工計算工況流程如下:①依次施工下部結(jié)構(gòu)(樁基承臺、輔助墩、過渡墩以及下索塔)、上索塔、主梁0號塊以及1號塊，并上掛籃;②上2號梁段(不計自重)，當(dāng)前斜拉索安裝并進(jìn)行第1次張拉;③2號梁段施工一半，當(dāng)前斜拉索進(jìn)行第2次張拉，將2號梁段施工完畢;④張拉預(yù)應(yīng)力，并對當(dāng)前斜拉索進(jìn)行第3次張拉;⑤掛籃前移至當(dāng)前梁段，按照步驟②～④施工3～18號梁段(上13號梁段前應(yīng)先施加向上的千斤頂頂力，后安裝輔助墩支座并去除千斤頂頂力;上14號梁段前應(yīng)進(jìn)行索力的調(diào)整);⑥邊跨掛籃拆除，中跨掛籃前移、用水箱壓重并進(jìn)行臨時鎖定;⑦中跨合龍并撤除水箱壓重，張拉預(yù)應(yīng)力，拆除臨時固結(jié)以及中跨掛籃;⑧上二期恒載，考慮后期(10 a)收縮徐變。

施工過程中，由于各種因素(材料的彈性模量、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度影響、結(jié)構(gòu)分析模型誤差及測量誤差等)的隨機(jī)影響，結(jié)構(gòu)的初始理論設(shè)計值難以做到與實際測量值完全一致，兩者之間會存在偏差。應(yīng)及時通過對結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整來有效的調(diào)整偏差，以保證設(shè)計成橋的內(nèi)力和線形狀態(tài)的實現(xiàn)。

根據(jù)該橋主橋結(jié)構(gòu)和施工方法的特點(diǎn)，施工監(jiān)控中以自適應(yīng)施工控制思路作為指導(dǎo)思想。監(jiān)控工作內(nèi)容主要包括各梁段立模標(biāo)高、主梁施工時梁端定位標(biāo)高、各施工階段下主梁及主塔軸線偏位和變形情況、斜拉索力及其變化值、各施工階段下各控制截面的應(yīng)力應(yīng)變、主墩沉降值及水平位移值、成橋狀態(tài)下控制截面應(yīng)力等數(shù)據(jù)的采集和控制分析。通過對這些參數(shù)監(jiān)控和誤差識別來判斷結(jié)構(gòu)的狀態(tài)并指導(dǎo)后階段施工，從而實現(xiàn)施工過程的自適應(yīng)控制。

3.3 理論控制數(shù)據(jù)計算

本橋采用橋梁設(shè)計與計算控制分析系統(tǒng)進(jìn)行一系列理論控制數(shù)據(jù)的計算，該計算系統(tǒng)的編制考慮了上文提到的針對幾何非線性的兩種處理方法。所做的計算主要包括以下幾個方面:

1)各施工梁段的安裝索力和立模標(biāo)高;

2)各個施工梁段的狀態(tài)變量值(包括分成張拉索力);

3)掛籃前移后、混凝土澆筑完成后及最后一次張拉后斜拉索索力、主梁測點(diǎn)標(biāo)高值及塔頂?shù)钠恢?

4)斜拉索最后一次張拉后主梁和塔上施工中的控制截面應(yīng)力和應(yīng)變值;

下面是成橋狀態(tài)下的全橋索力(見圖3)、標(biāo)高、主梁彎矩(見圖4)及控制截面應(yīng)力值(見圖5)、塔頂偏位(見圖6)及主塔控制截面應(yīng)力應(yīng)變值(見圖7、圖8)。

圖3 成橋狀態(tài)下全橋索力

圖4 成橋狀態(tài)下主梁計算彎矩

圖5 成橋狀態(tài)下主梁控制截面應(yīng)力

圖6 各施工階段主塔偏位累計值

圖7 成橋狀態(tài)下tower1控制截面應(yīng)力

圖8 成橋狀態(tài)下tower2控制截面應(yīng)力

4 結(jié)論

1)本文首先對考慮幾何非線性因素的斜拉橋計算方法進(jìn)行了詳述，并提出了將自適應(yīng)的施工控制技術(shù)運(yùn)用于斜拉橋施工控制的思路。

2)運(yùn)用自行編制的斜拉橋有限元計算程序并在程序中考慮大跨度斜拉橋存在的幾何非線性因素對某斜拉橋的施工過程及成橋狀態(tài)進(jìn)行理論計算。

3)將理論計算數(shù)據(jù)得到的斜拉橋各施工狀態(tài)的索力及主梁的立模標(biāo)高運(yùn)用于施工監(jiān)控中，得到的成橋狀態(tài)內(nèi)力與線形與設(shè)計成橋狀態(tài)吻合。

4)理論計算和施工實踐表明考慮幾何非線性因素的斜拉橋自適應(yīng)控制方法運(yùn)用于大跨徑斜拉橋施工控制能保證合理成橋狀態(tài)的實現(xiàn)。

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