于之華

懸索橋的施工控制發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的成果,對(duì)于大跨徑橋梁的發(fā)展有著不可忽視的貢獻(xiàn)。同時(shí),隨著懸索橋跨徑的增大和新形式的不斷涌現(xiàn),對(duì)施工控制又不斷提出新的要求,需要懸索橋的施工控制不斷發(fā)展。

1 懸索橋施工控制的難點(diǎn)及解決方法

懸索橋結(jié)構(gòu)有著自己的特點(diǎn),其中最大的特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)其他橋型較小,特別是施工過(guò)程中,其結(jié)構(gòu)剛度就更加小,易受外界環(huán)境影響,幾何非線性明顯。這些條件對(duì)施工控制非常不利,給懸索橋的施工控制提出了難題。

懸索橋的施工控制是在對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)上得出的,結(jié)構(gòu)的非線性將會(huì)在很大程度上影響計(jì)算結(jié)果的精確程度,處理懸索橋非線性問(wèn)題是懸索橋施工控制計(jì)算的難點(diǎn)。懸索橋的非線性因素有:1)荷載作用下結(jié)構(gòu)大位移引起的非線性;2)纜索自重引起的非線性;3)纜索初始內(nèi)力引起的非線性。對(duì)于目前比較好的解決方法是用有限位移法求解時(shí),其剛度矩陣考慮非線性因素。

監(jiān)測(cè)是懸索橋施工控制中的另一個(gè)難點(diǎn)。目前懸索橋大多在大江、大河或懸崖、峽谷上進(jìn)行,受風(fēng)的影響非常突出,無(wú)風(fēng)的情況比較少,可能在需要觀測(cè)的時(shí)候很難遇到無(wú)風(fēng)的天氣?？绽|狀態(tài)下,大風(fēng)可能將主纜吹離其中心線幾十厘米,并且引起主纜的顫振,這會(huì)增加主纜測(cè)量的難度,需要有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)量人員并且抓緊無(wú)風(fēng)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。懸索橋多用在大跨度結(jié)構(gòu)中,在幾百米跨徑范圍內(nèi),溫度可能有差異,由于溫度差異對(duì)主纜的影響造成主纜伸長(zhǎng)量不一,但在計(jì)算中取的溫度參數(shù)為一定值,在大跨懸索橋中,計(jì)算所取的溫度與實(shí)際溫度的差值可能引起主纜幾厘米的誤差,采用較為穩(wěn)定的早晚進(jìn)行,把溫度影響過(guò)濾掉。除了風(fēng)和溫差等不利因素外,大霧和下雨也將影響觀測(cè)的進(jìn)行。對(duì)于觀測(cè)的解決方法一般是放在夜間進(jìn)行,可以選擇月圓風(fēng)小的夜晚,夜間受溫差和大霧、大風(fēng)影響較小,可以認(rèn)為測(cè)量不受外界環(huán)境的影響。但夜間監(jiān)測(cè)也可能會(huì)有不利的因素,例如主跨基準(zhǔn)索股的架設(shè),需要連續(xù)觀測(cè)三晝夜并且保證穩(wěn)定以后才能繼續(xù)施工,長(zhǎng)期夜間作業(yè)會(huì)降低操作人員注意力,造成人為錯(cuò)誤,所以目前提出的解決方案不盡人意,需要改進(jìn)測(cè)量程序。

2 現(xiàn)行懸索橋施工控制的不足

懸索橋施工控制的難點(diǎn)從側(cè)面反映了目前施工控制的不足之處。以下幾條是現(xiàn)行懸索橋施工控制的主要不足之處:1)需要進(jìn)行大量的計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),這需要大量的人工工作;2)受觀測(cè)誤差和儀器噪聲的影響很不確定,需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行分析判斷,受人為影響比較大;3)儀器受外界環(huán)境影響比較明顯,例如大風(fēng)、溫度驟變、大霧和雷雨天氣等;4)監(jiān)控有一定的延時(shí)性,我們對(duì)測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算機(jī)輸入需要時(shí)間,再將其計(jì)算結(jié)果運(yùn)用于施工監(jiān)控又需要時(shí)間,這其中參數(shù)可能發(fā)生大的變化,需要進(jìn)行復(fù)核,這就浪費(fèi)了大量的人力物力;5)由于需要人工進(jìn)行操作,對(duì)于大橋的監(jiān)控很難做到時(shí)時(shí)進(jìn)行,這可能錯(cuò)過(guò)對(duì)危險(xiǎn)應(yīng)力的監(jiān)控,以致危害橋梁的情況出現(xiàn)。

3 對(duì)懸索橋施工控制改進(jìn)的幾點(diǎn)意見

3.1 橋塔監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)

對(duì)于一個(gè)大型橋梁系統(tǒng),參數(shù)識(shí)別是非常重要的一步。減少人為失誤對(duì)于參數(shù)的影響主要是通過(guò)減少人對(duì)于數(shù)據(jù)的處理工作量,主要考慮的步驟是盡量使用自動(dòng)化儀器。橋塔的標(biāo)高是懸索橋施工控制的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),因其高度大、剛度小,受溫度和風(fēng)的影響比較顯著,監(jiān)測(cè)難度很大,與實(shí)際對(duì)橋塔放樣的高要求形成鮮明對(duì)比,作者通過(guò)日本南備贊大橋施工錄像的啟迪,建議考慮使用激光照射儀器來(lái)替代現(xiàn)在的觀測(cè)儀器。激光的好處是發(fā)散小,受外界影響較小,用于觀測(cè)其精度是完全滿足的,同時(shí)不用長(zhǎng)期占用全站儀,省去了一些中間過(guò)程。具體實(shí)施是將激光照射儀器固定在不受大風(fēng)和日曬并能觀測(cè)到橋塔的位置,根據(jù)理論計(jì)算值調(diào)整激光照射儀器角度,使其對(duì)照橋塔頂部的設(shè)計(jì)位置,并可以用全站儀進(jìn)行校正。與此同時(shí),在橋塔根部安裝一個(gè)激光照射儀器對(duì)照橋塔頂部,用于校準(zhǔn)橋塔頂部偏位。

橋塔溫度與應(yīng)力的觀測(cè)可借助預(yù)埋在橋塔混凝土內(nèi)部的傳感儀器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器預(yù)先捆綁在橋塔內(nèi)部鋼筋上,其導(dǎo)線引到橋塔外部;將溫度測(cè)定儀器在混凝土澆筑時(shí)埋入橋塔內(nèi),同樣將導(dǎo)線引到橋塔外部。把引出的導(dǎo)線分類按編號(hào)引入接收器,輸入計(jì)算機(jī)以供處理分析。

3.2 大橋主纜監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)

同理,對(duì)于主纜的觀測(cè)也可采用相似的方法以盡量減少誤差。主纜在架設(shè)時(shí)對(duì)溫度變化和大風(fēng)天氣比較敏感,對(duì)于主纜的觀測(cè)同樣是一件難題,無(wú)論用什么樣的觀測(cè)網(wǎng),由于觀測(cè)的物體很難處于靜止?fàn)顟B(tài),觀測(cè)誤差是很難克服的。選擇無(wú)風(fēng)的夜晚是一個(gè)好的解決辦法,但夜間施工所用照明對(duì)溫度參數(shù)會(huì)有一定影響,這需要在數(shù)據(jù)分析中加以考慮:但個(gè)人認(rèn)為選擇陰天或是在一天中溫度穩(wěn)定的時(shí)段架設(shè)調(diào)整主纜能更好的減少架設(shè)測(cè)量誤差。如果根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)整觀測(cè)儀器,使儀器自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)理論主纜位置,給施工技術(shù)人員直接的提示,可以使施工控制更加直觀。一般情況考慮將照射儀器架在地面不受風(fēng)吹雨淋和日照的地方,將主纜各點(diǎn)的溫度傳感儀傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析,求出各跨固定樁號(hào)點(diǎn)主纜高程,自動(dòng)調(diào)整照射儀器使其對(duì)準(zhǔn)理論主纜高程,通過(guò)兩臺(tái)照射儀器同時(shí)照準(zhǔn)同一點(diǎn)以確定主纜有無(wú)偏離中心位置,通過(guò)自動(dòng)照準(zhǔn)儀器可以將主纜監(jiān)測(cè)變得簡(jiǎn)單可行。對(duì)于跨徑較大的懸索橋主纜監(jiān)測(cè),可以根據(jù)情況使用GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于GPS是接收衛(wèi)星定位,各個(gè)測(cè)點(diǎn)間是完全同步的,由對(duì)稱測(cè)點(diǎn)可得出轉(zhuǎn)角來(lái),這是常規(guī)測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)的;利用GPS測(cè)定位移自動(dòng)化程度高:從接收信號(hào),捕捉衛(wèi)星,到完成RTK(Real Time Kinematic)差分都可由儀器自動(dòng)完成,所測(cè)三維坐標(biāo)可直接存入監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行大橋施工控制分析:GPS定位平面精度為10 mm,高程精度為20 mm。GPS RTK差分系統(tǒng)是由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測(cè)站和通信系統(tǒng)組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息,進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后可實(shí)時(shí)測(cè)得站點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

此結(jié)果將送到GPS監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)接收機(jī)的GPS差分信號(hào)結(jié)果進(jìn)行橋梁主纜位移d、轉(zhuǎn)角α計(jì)算,提供大橋施工控制方進(jìn)行分析。

3.3 遠(yuǎn)程快速監(jiān)控的實(shí)施

應(yīng)力監(jiān)測(cè)和位移監(jiān)測(cè)等得到的數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理,以便施工控制人員在最短的時(shí)間作出反應(yīng)。目前由于種種限制,施工控制人員一般將監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)抄回進(jìn)行濾波分析,再用計(jì)算機(jī)處理,處理完畢再將監(jiān)控結(jié)果返回施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)施工。這樣做的結(jié)果是不能及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控和處理,還可能在中間環(huán)節(jié)遺失原始數(shù)據(jù)。早在以前就有攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控,但在內(nèi)力與位移進(jìn)行定量監(jiān)控時(shí)還有很大的不足,目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá),可以借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)已有的各種懸索橋施工控制進(jìn)行分析,找出在這些懸索橋施工控制中各種參數(shù)的相關(guān)性和敏感性(對(duì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,找出其中的獨(dú)立參數(shù),并確定各參數(shù)的相互關(guān)聯(lián)情況,根據(jù)所需控制的各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度,對(duì)各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,找出影響重要控制指標(biāo)最有效的參數(shù)),對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)示。確定被估計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)測(cè)量值的函數(shù)關(guān)系,根據(jù)最優(yōu)估計(jì)原理,確定最佳估計(jì)方程,然后估計(jì)出真實(shí)的結(jié)構(gòu)控制參數(shù)。

對(duì)于已經(jīng)處理好的參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸,將其傳輸?shù)绞┕た刂朴?jì)算機(jī)上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力和位移分析,及時(shí)調(diào)整預(yù)測(cè)量,對(duì)比觀測(cè)量與理想設(shè)計(jì)狀態(tài),預(yù)測(cè)下一步施工是否安全和滿足設(shè)計(jì)要求,達(dá)到施工控制的目的。

[1] 李德寅,王邦桅,林亞超.懸索橋[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1996.

[2] 黃耀怡.大跨度懸索橋技術(shù)概要及通用施工方法[J].鐵道建筑技術(shù),2008(5):1.

[3] 向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] 黃建華.懸索橋施工控制的基本框架[J].鐵道建筑技術(shù),2008(8):2.

[5] 李江樂(lè).懸索橋的施工控制綜述[J].山西建筑,2008,34(1):325-326.