謝明志,楊永清,卜一之,趙燦暉,張克躍,王學偉

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

混合梁斜拉橋因其在力學特性和經(jīng)濟指標等方面的突出優(yōu)點,受到諸多國家青睞[1].在近15 a的時間里,世界前10座最大跨度斜拉橋中,該橋型已占7座,呈現(xiàn)由大跨度向千米級超大跨度發(fā)展的趨勢[2].該體系結構面臨的特點有:結構復雜、施工工藝要求高、循環(huán)施工、施工安全穩(wěn)定問題突出[3-5],且因施工工藝質(zhì)量引起的參數(shù)偏差對成橋線形和內(nèi)力影響巨大[6-7].因此,對橋梁施工控制提出更高的要求.從基于索力和標高為主的“雙控”[8]方法發(fā)展到多多羅大橋引入的“精度控制”[9],斜拉橋監(jiān)控手段從傳統(tǒng)的重視施工現(xiàn)場控制拓展到施工全過程控制,是監(jiān)控理念、監(jiān)控體系的飛躍.國內(nèi)外學者在對大量工程實踐研究的基礎上,以構件的無應力狀態(tài)量[10]為關鍵控制參數(shù),深化、拓展了全過程自適應控制,成功運用于世界首座千米級全鋼箱梁斜拉橋[11].

隨著斜拉橋跨徑的不斷增大,文獻[6-7,12-14]對全鋼箱梁斜拉橋和大跨混合梁斜拉橋的施工及監(jiān)控將面臨的挑戰(zhàn)和困難進行了探討,對該體系橋梁結構及環(huán)境參數(shù)變化對施工期及成橋索力、塔偏、主梁線形及應力的影響,并確定主次要參數(shù)，對施工期結構安全穩(wěn)定,面臨的環(huán)境因素、由于材料的差異對邊中跨受力的影響、計算理論方法、局部受力分析、控制策略等諸多問題開展了深入研究.國內(nèi)關于千米級混合梁斜拉橋施工控制關鍵問題以及如何構建高效、高精度的施工控制系統(tǒng)的相關研究較少.因此,深入研究該復雜結構與全鋼箱斜拉橋的差異并建立適用于該復雜結構的施工監(jiān)控體系,確保千米級混合梁斜拉橋施工監(jiān)控的高效性、高精度及安全性具有重要的理論及實踐意義.

1　問題的提出

傳統(tǒng)的“索力-標高”控制方法在600 m左右的鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋以及疊合梁斜拉橋中證實是行之有效的,且獲得較好的效果[15-16].但對于千米級混合梁斜拉橋,由于跨徑的增加,結構受力、施工工藝以及施工期安全穩(wěn)定等各方面與常規(guī)跨徑斜拉橋相比將發(fā)生巨大變化,且邊中跨材料、剛度差異巨大,其局限性已愈顯突出[2],將面臨以下問題:

(1) 增加階段線形評判的難度,大幅延長誤差分析時間;

(2) 傳統(tǒng)方法重視安裝階段的控制,缺少對主梁的制造線形控制,從而造成安裝時理論安裝標高與梁段順接可達到的標高存在較大不吻合風險，這將對主梁線形控制及鋼梁質(zhì)量造成不利影響;

(3) 傳統(tǒng)方法受環(huán)境(如溫度、風荷載等)及施工臨時荷載影響較大，新安梁段高程以設計溫度下精匹配的高程為控制參數(shù),監(jiān)控指令中的索力是基于設計溫度下的索力,施工現(xiàn)場環(huán)境溫度的變化、臨時荷載的改變將造成拉索二張索力、精匹配安裝標高均難以控制,加大了后期拉索的調(diào)整工作量.

本文以鄂東長江公路大橋(大陸首座千米級混合梁斜拉橋,主橋跨徑為3×67.5 m+72.5 m+926.0 m+72.5 m+3×67.5 m)為依托(如圖1),基于幾何控制理論[11,17],研究其施工控制問題,建立高效率、高精度、安全可靠的施工監(jiān)控理論及體系,為復雜體系的施工控制建立實施原則及控制系統(tǒng)框架.

圖1　鄂東大橋總體布置圖(單位:m)Fig.1　General layout of Edong Bridge (unit:m)

2　施工監(jiān)控體系的建立

2.1　基于幾何控制的雙目標控制

由幾何控制的基本思想、理論可知,對于超大跨度混合梁橋施工控制,在無誤差、理想情況下,可對構件無應力參數(shù)實施控制,主梁、拉索和索塔以成橋階段對應的無應力構形進行制造加工及澆筑,安裝及張拉階段重現(xiàn)其無應力構形,保證初始無應力參數(shù)與成橋階段一致,達到控制斜拉橋幾何構形和內(nèi)力狀態(tài)的目的.基于此構思,可將橋梁監(jiān)控過程對測試誤差的物理量控制轉化為測量誤差較小的幾何量控制,從而實現(xiàn)控制目標.

超大跨度混合梁斜拉橋以構件的初始幾何尺寸為控制對象,以對其恢復作為制造、安裝全過程控制的依據(jù),此為監(jiān)控實施基礎之一;鋼梁與混凝土梁結構行為差異明顯是施工控制面臨的巨大挑戰(zhàn)之一,混凝土梁的線形容錯性較好,內(nèi)力和應力容錯性較差,呈現(xiàn)于鋼梁相反的特性[2],選擇單一控制指標難以實現(xiàn)設計意圖,應對邊中跨采取不同的控制目標及策略,此為監(jiān)控實施基礎之二;邊中跨結構由于材料、剛度的差異,將導致誤差出現(xiàn)的幾率及影響大大不同,且考慮混凝土收縮徐變的影響,若單純以設計成橋索長進行控制,混凝土梁應力、鋼主梁線形將與設計理想狀態(tài)存在無法容忍的誤差,此為監(jiān)控實施基礎之三.考慮上述因素及施工期面臨的挑戰(zhàn)等問題,客觀上要求對不同材料和結構采取不同的控制策略及手段,建立不同的控制目標,這是區(qū)別“單目標幾何控制法”的根本所在.

千米級混合梁斜拉橋的施工控制可歸納為:基于幾何控制理論,以構件無應力狀態(tài)量為控制對象,根據(jù)鋼主梁和混凝土梁力學行為特點、材料、剛度的差異確定不同的控制目標和控制策略;主跨鋼箱梁以幾何狀態(tài)量為主要目標控制參數(shù),通過無應力索長進行調(diào)控;邊跨混凝土箱梁以其力學狀態(tài)量為基本目標控制參數(shù),控制無應力線形,通過索力和索長雙控進行應力調(diào)控,該方法深化并拓展了幾何控制法,從“單目標幾何控制”到“雙目標幾何控制”,為千米級混合梁斜拉橋的監(jiān)控體系奠定理論基礎.

2.2　施工監(jiān)控體系構建

雙目標幾何控制法可描述為全過程自適應控制系統(tǒng),可分為準備、制造、安裝3個主要階段.準備階段主要工作為設計復核、安裝計算及結構參數(shù)敏感性分析.設計復核在于進行設計校核分析,并確定無應力線形和無應力索長,計算節(jié)段制造尺寸,混凝土梁段立模標高；安裝計算對設計復核階段的計算結果進行復核,確定各階段理想目標線形,確保結構受力安全,建立預警機制；參數(shù)敏感性分析為階段容許誤差制定、參數(shù)識別、誤差修正及控制策略的制定奠定基礎.制造加工階段,通過收集相關構件制造參數(shù),評估和確定制造過程的可靠性和正確性,分析誤差產(chǎn)生原因,在此基礎上帶到安裝分析模型中,由制造誤差對安裝過程和成橋狀態(tài)的影響進行評估.該階段是數(shù)據(jù)采集→分析評估→調(diào)控措施→模型更新修正的過程.安裝階段通過指令進行鋼梁精匹配安裝及拉索張拉.其控制系統(tǒng)如圖2所示.該系統(tǒng)是一個參數(shù)采集、誤差識別與模型修正、控制決策的過程.該控制系統(tǒng)的建立為復雜橋梁結構的施工控制、施工期安全性分析提供參考,推動超大跨度橋梁研究發(fā)展與應用.

2.3　有限元仿真模型

采用Midas/Civil對該橋建立有限元模型,充分考慮斜拉索垂度、梁柱、大位移等非線性效應.按照施工進程劃分663個施工階段進行全過程分析.根據(jù)無應力狀態(tài)法基本原理對主跨鋼箱梁懸臂施工時除了合龍段外，單懸臂鋼梁單元全部一次無重激活，施工到對應節(jié)段時再將梁段自重以均布荷載形式添加;邊跨混凝土梁現(xiàn)澆施工單元按施工流程分段無重激活,然后以均布荷載和集中荷載的形式添加節(jié)段自重.梁與過渡墩、輔助墩位置連接均為縱向活動和豎向約束.在索塔位置豎向約束,縱向采用彈性約束，過渡墩和索塔位置橫向設置抗風支座約束，地質(zhì)條件較好,塔底用固結處理簡化.本模型主梁采用“魚骨梁”,全橋共1 488個節(jié)點,1 685個單元,其中，梁單元1 445個,模擬主梁、索塔及橋墩，只受拉單元240個,模擬斜拉索,定義93個截面和30個變截面組.全橋有限元模型如圖3所示.

圖2　雙目標控制系統(tǒng)流程Fig.2　Operation flowchart of double target control system

圖3　鄂東大橋全橋有限元模型Fig.3　Finite element model of Edong bridge

3　雙目標控制系統(tǒng)關鍵問題研究及驗證分析

上述雙目標控制系統(tǒng)的建立,以鄂東長江公路大橋為依托,針對結構力學行為特點、關鍵構件制造加工以及現(xiàn)場安裝階段面臨的問題和挑戰(zhàn)、施工期安全控制策略等關鍵問題開展研究是確保千米級混合梁斜拉橋安全建設的核心問題，也是探明該體系與全鋼大跨斜拉橋等復雜結構施工控制的異同,對控制策略的制定具有重要的理論及實踐意義.

3.1　超大跨度混合梁斜拉橋初始無應力狀態(tài)量的確定方法

由于幾何非線性及混凝土收縮徐變的影響,超大跨度混合梁斜拉橋初始無應力狀態(tài)量的求解與全鋼斜拉橋存在差異[15],需迭代求解.混凝土主梁初始無應力狀態(tài)量的確定過程本質(zhì)上是調(diào)整索力使混凝土梁應力達到設計要求,其線形則由無應力線形控制.鋼主梁初始無應力狀態(tài)量的確定過程是通過使無應力索長及主梁無應力線形滿足要求,幾何線形是控制的關鍵,無應力索長和無應力線形則是控制方法.考慮幾何非線性及收縮徐變影響,邊中跨初始無應力線形迭代求解流程如圖4所示.鄂東長江公路大橋主跨制造線形即為鋼梁初始無應力線形,如圖5所示.中跨、邊跨混凝土梁初始無應力線形可通過立模標高反應,如圖6所示.因結構、受力對稱,僅以南岸(黃石側)為例.

從圖5、6可看出,中跨鋼主梁設計線形與制造線形有明顯的區(qū)別,其本質(zhì)在于二者的應力狀態(tài)不同,設計線形不能作為制造線形.中跨設計線形與制造線形相差達1 m,隨著施工的進展,鋼主梁線形變化十分明顯,如何保障主跨鋼箱梁線形符合設計成橋要求是施工監(jiān)控面臨的一大挑戰(zhàn)和難點.因此,中跨以幾何線形作為施工監(jiān)控目標具有合理性和重要現(xiàn)實意義;邊跨混凝土箱梁最大預拱度約40 mm,與中跨相比,以應力作為控制目標具有合理性.

圖4　超大跨度混合梁斜拉橋初始無應力狀態(tài)量迭代求解Fig.4　Initial unstressed state amount iterative of super long-span hybrid girder cable-stayed bridge

圖5　中跨鋼主梁制造線形Fig.5　Fabrication profile of steel girder of middle span in south

3.2　關鍵構件制造、澆筑控制

“雙目標控制”除了對制造階段鋼主梁、拉索及鋼錨箱無應力幾何參數(shù)的控制,還需加強對邊跨澆筑時應力和線形的監(jiān)控.通過對制造及澆筑階段相關參數(shù)的采集,對關鍵構件制造參數(shù)、澆筑狀況進行反饋,判斷構件制造及澆筑水平,分析誤差原因及是否超限,將實際制造參數(shù)帶入模型進行計算更新,指導安裝過程,對成橋線形及內(nèi)力進行總體評估,達到自適應控制狀態(tài).鋼梁南北岸制造控制成果如表1所示.

圖6　邊跨混凝土梁立模標高Fig.6　Formwork erection elevation of side spans in Huangshi of south

表1梁段制造成果誤差
Tab.1Errors of manufacturing processmm

類別梁頂制造線形軸線制造累計梁長北岸(浠水側)15．02．710．8南岸(黃石側)16．02．69．7

為滿足控制需要,需加強制造、澆筑階段數(shù)據(jù)采集、分析,進而對安裝階段進行模型更新計算,判斷后序梁段的制造以及安裝過程中如何對主梁線形及內(nèi)力的調(diào)整,從而達到自適應控制.其控制及調(diào)控流程如圖7所示.

3.3　關鍵構件安裝控制

根據(jù)幾何控制理論的基本原理,無應力狀態(tài)量為目標控制量,安裝階段是無應力狀態(tài)量的重現(xiàn)過程.通過對關鍵構件制造階段數(shù)據(jù)采集及評價,基于雙目標控制總體思路,為安裝控制的有效實施奠定可靠可信的基礎.超大跨度混合梁斜拉橋邊跨支架拆卸、拉索張拉、鋼箱梁及鋼錨箱的安裝控制是施工監(jiān)控面臨的重難點問題.

鄂東大橋支架的卸除曾采用3種方案:方案1：中跨合龍后卸除;方案2：分階段多次卸除;方案3：最大懸臂階段,中跨合龍前卸除.3種方案分析表明,支架在合龍前、后的卸除對混凝土箱梁施工期抗裂、成橋線形方面優(yōu)于分階段卸架.當采用原主梁安裝線形及無應力索長時,3種方案成橋線形差異如圖8所示.對成橋線形的影響,方案1、3優(yōu)于方案2.基于幾何控制理論,支架卸除時間對成橋影響甚微,但考慮其與主梁連接情況較為復雜,對其卸除需考慮拆除前、后結構安全和中跨合龍施工的影響.因此,方案1、3均為可行方案.由于合龍施工時需頂推調(diào)整合龍口寬度,支架的存在將對主梁的水平移動產(chǎn)生約束且具有較大的不確定性,難以計算其阻力.考慮到施工安全、規(guī)避頂推風險等因素,鄂東長江公路大橋采用在合龍前卸除支架,為全過程控制提供了較強的安全保障.

圖7　制造澆筑階段控制流程Fig.7　Operation flowchart in manufacturing and cast-in-place process

圖8　成橋線形差(浠水側)Fig.8　Geometric profile difference upon completion of the bridge in Xishi side

施工誤差不僅影響無應力索長,更將對成橋產(chǎn)生較大影響.由于混凝土錨點施工誤差離散型較大且較難控制,若簡單以混凝土收縮徐變迭代的無應力索長為張拉控制目標,將難以實現(xiàn)主梁應力和線形控制目標.安裝階段,需結合邊中跨實測錨點誤差、拉索批次制造誤差、梁重等因素,基于設計成橋目標再次對無應力索長迭代計算,進行修正.

基于雙目標幾何控制法,對斜拉索的張拉控制,中跨以引伸量作為主要控制量,索力為輔;邊跨則以索力控制為主,引伸量為輔的原則進行,分階段目標實現(xiàn),對無應力索長的有效控制進而達到合理的成橋內(nèi)力及線形.鄂東長江公路大橋斜拉索的張拉控制如圖9所示,可規(guī)避施工環(huán)境變化的影響,如溫度、施工臨時荷載等.

如前所述,制造加工階段對鋼錨箱及鋼錨箱數(shù)據(jù)采集并進行階段評估,為下一批次的制造及安裝階段的調(diào)控提供依據(jù).安裝階段實則為無應力線形和無應力曲率實現(xiàn)的過程.通過對節(jié)段箱梁在精匹配時期將無應力線形的控制轉換成夾角控制,以相對高程進行精確匹配,高效、高精度的確保中跨無應力線形.對于鋼錨箱的控制,采取全過程相對安裝法,通過嚴格控制首節(jié)鋼錨箱,根據(jù)制造階段收集的誤差,將后序鋼錨箱的安裝以相對上一階段的位置實施控制,從而規(guī)避環(huán)境因素的影響實現(xiàn)全天候的安裝.安裝3～5節(jié)鋼錨箱后按絕對位置測量高程進行線形評價,保證安裝成果滿足監(jiān)控要求.

圖9　超大跨度混合梁斜拉橋斜拉索控制流程Fig.9　Operation flowchart of cable control of super long-span hybrid girder cable-stayed bridge

3.4　基于雙控目標控制的施工期安全控制策略

懸臂的增長,其前端負彎矩趨于增大,橋梁安全穩(wěn)定問題愈顯突出.大橋全過程幾何、材料等非線性穩(wěn)定分析表明,隨著懸臂的增大,結構穩(wěn)定性明顯下降,安全系數(shù)降低,如圖10所示.大懸臂階段前端負彎矩是影響超大跨度混合梁斜拉橋安全的重要因素,非線性穩(wěn)定系數(shù)波動,在起吊下一梁段時最小,對該階段的控制需確保結構的穩(wěn)定性.

圖10　施工全過程穩(wěn)定安全性變化Fig.10　Stability and safety variety of whole-procedure construction

根據(jù)雙目標幾何控制方法,若保證成橋無應力狀態(tài)量不變,只要施工結束后的結構體系及作用體系與設計成橋狀態(tài)一致即能達到理想成橋線形和內(nèi)力.基于此理念,鄂東長江公路大橋大懸臂階段通過對中跨拉索引伸量的控制進行“超張拉”,待結構安全穩(wěn)定性提高后再將其“放張”,與此同時,配合施加臨時配重,優(yōu)化施工臨時荷載達到降低過程控制風險[18-19].施工期安全穩(wěn)定控制方案如表2、3所示,調(diào)控后計算所得各指標符合相應規(guī)范和設計標準.同單一的調(diào)索方案相比,調(diào)索范圍由12對拉索減小為9對拉索，拉索最大超張量由600 mm 減小至320 mm,最大索力由757 kN減小至649 kN,簡化了施工,并且提高了拉索張拉的安全性.

表2大懸臂階段拉索“超張”、“放張”方案
Tab.2Over tension and loosening process of cables under the longest cantilevered construction stagem

拉索編號設計二張索長調(diào)整后二張索長二張超張量放回設計索長時間中跨21#索362．423362．3800．04325號索二張完成后中跨22#索376．813376．7680．04526號索二張完成后中跨23#索391．256391．1720．08427號索二張完成后中跨24#索405．874405．7580．11628號索二張完成后中跨25#索420．480420．3170．16328號索二張完成后中跨26#索435．118434．9490．16929號索二張完成后中跨27#索449．742449．5130．22929號索二張完成后中跨28#索464．409464．1500．25930號索二張完成后中跨29#索479．140478．8720．26830號索二張完成后

表3　臨時配重施加方案Tab.3　Temporary balance weight application method

3.5　施工監(jiān)控體系驗證分析

本文基于幾何控制理論的“雙目標控制”法,根據(jù)理論計算及全過程監(jiān)控分析得出主梁線形及索力理論值與實測值對比，如圖11～12所示.

圖11　成橋線形對比Fig.11　Comparison with profile upon completion of the bridge

主梁線形平順,邊跨混凝土梁最大誤差為11 mm,中跨鋼箱梁最大誤差為157 mm,邊跨斜拉索單根索力誤差在 5.00%以內(nèi),中跨均在8.00%以內(nèi).大橋的建設經(jīng)歷了溫度、臨時荷載等復雜的環(huán)境變化,線形及索力誤差均滿足監(jiān)控目標要求.對于超大跨度混合梁斜拉橋,邊中跨結構形式、力學行為的差異使得誤差絕對值分布明顯不同,也驗證了對該復雜結構需采用不同的控制策略.

限于篇幅,僅列出本橋施工控制實施效果匯總結果,如表4所示.鄂東大橋成橋階段主梁線形、應力、成橋索力及塔偏均滿足《公路斜拉橋設計細則》(JTG/T D65-01—2007)及監(jiān)控手冊中的控制目標要求,獲得了良好的控制效果.鋼箱梁線形相對誤差為L/598 9,優(yōu)于日本多多羅大橋的L/387 0和昂船洲大橋的L/339 3;軸線相對誤差為L/470 05,塔偏相對誤差為L/124 34,混凝土梁單根拉索索力最大誤差為 4.50%,鋼梁索力最大誤差為6.30%.該系統(tǒng)實現(xiàn)全過程、高精度監(jiān)控.

表4　監(jiān)控實施效果匯總Tab.4　Summary of construction control error

注:表中為誤差絕對值;索力誤差指單根拉索誤差.

圖12　成橋索力對比Fig.12　Comparison with cable force upon completion of the bridge

4　結　論

本文基于工程控制理論與方法,以大陸首座千米級混合梁斜拉橋為依托,通過理論分析、有限元數(shù)值計算,開展特大跨度混合梁斜拉橋施工全過程關鍵構件計算分析、安全控制等核心問題,深入研究并建立適用于該復雜結構的監(jiān)控體系,得到如下結論：

(1) “雙目標”幾何控制體系的成功運用,推動并擴大基于幾何控制的全過程自適應控體系的適用范疇,能高效、高精度的對復雜結構進行施工監(jiān)控.系統(tǒng)的研發(fā)在理論與實踐上為復雜體系的施工控制建立實施原則及控制系統(tǒng)框架,能自動適應各類型超大跨度斜拉橋的施工控制.

(2) 理論研究與工程實踐表明,“雙目標”幾何控制體系可規(guī)避影響施工控制的諸多不利因素,能建立完善的安全控制體系及策略,對關鍵構件的計算分析及安裝控制等全過程控制的開展提供高效的有力保障,進而保證結構安全、可控,內(nèi)力和線形滿足既定目標.

(3) 超大跨度混合梁斜拉橋制造澆筑及安裝階段的誤差易導致成橋內(nèi)力和線形偏離理想狀態(tài),探明誤差傳播機理規(guī)律、評價體系、多參數(shù)識別、誤差修正理論及最優(yōu)控制是實現(xiàn)復雜結構高質(zhì)量控制的關鍵,是自適應控制理論的核心,也是下一階段千米級混合梁斜拉橋全過程控制研究的重點.

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