双套拱塔斜拉桥施工控制技术研究

双套拱塔斜拉桥施工控制技术研究

1施工控制的技术随着经济和技术的发展和斜转桥的合理结构，中国修建了大量的斜转桥。双套拱塔斜拉桥是造型较为特别的一种斜拉桥,作为一种特殊的结构形式,其设计和施工与一般斜拉桥有显著的不同,因此该类桥梁的施工控制就显得尤为重要。国内外学者及工程技术人员对斜拉桥的施工控制进行了许多研究,提出了卡尔曼滤波法、最小二乘误差控制法、自适应控制法、无应力状态控制法等许多实用控制方法。这些方法的实质都是基于对施工反馈数据的误差分析,通过计算和施工手段对结构的目标状态和施工的实施状态进行控制调整,达到对施工误差进行控制的目的。施工控制的方法必须与各类斜拉桥设计、施工的特点相结合才能在确保结构安全及施工便捷的前提下切实可靠地实现控制的目标。由于目前国内大多数斜拉桥的施工控制都是针对常规的混凝土斜拉桥进行的,其相应的控制方法也是针对常规混凝土斜拉桥的施工特点提出来的,对于双套拱塔斜拉桥这种比较特殊的桥型施工控制积累的经验较少。本文以小凌河大桥为背景,研究双套拱塔斜拉桥施工控制的技术要点。2主桥结构总体布置小凌河大桥的主桥为双套拱塔斜拉桥,跨径为108m+92m,桥宽30m。主梁为双钢箱结构,桥塔为双拱形桥塔,外拱塔高65.522m,倾角8°,内拱塔高54.256m,倾角15°。两拱塔之间用13根拉(压)杆(统称塔间索)连接,上部12根为拉杆,采用平行钢丝拉索,最底下一根为压杆,通过铰与两拱塔相连;全桥共设置20对斜拉索,主、边跨梁段索距均为8m;拱塔间其他杆件为装饰结构。小凌河大桥主桥总体布置见图1。小凌河大桥的施工方法:拱塔在桥面上“卧式拼装”,然后进行竖向转体施工,竖向转体到位后,安装并张拉斜拉索,再通过梁底砂箱泄砂落梁而张紧斜拉索,最后进行桥面铺装。图2为施工中的小凌河大桥。3施工控制方案采用MIDASCivil有限元软件建立小凌河大桥空间计算模型(图3),进行施工过程的模拟计算。塔间索及斜拉索采用索单元模拟,压杆V0采用桁架单元模拟,主梁及桥塔等其他构件均采用梁单元模拟,全桥共有节点312个,单元449个。根据施工控制方案对全桥进行整个施工阶段的非线性分析计算。在模拟索单元的张拉时将单元的无应力长度作为有限元计算的输入量,通过修改单元无应力长度来调整索单元索力。利用“单元生死”,在有无应力长度变化的拉索处建立2个单元,赋予不同的无应力长度,张拉过程中激活和钝化单元,实现无应力长度控制法的计算。4成桥状态施工控制有限元计算结果表明,小凌河大桥在施工过程中及成桥状态,主梁和桥塔应力均小于钢材的设计强度且安全储备大,而施工方法对索力的影响很大,因此该桥施工控制的关键在于拉索索力的张拉控制。4.1塔间索安装方案设计设计给出的张拉方案如下:①安装拉杆V12、V1并张拉至设计索力;②安装压杆V0;③自下至上安装拉杆V2～V11但不张拉,随着后续斜拉索的逐步张拉,拉杆V2～V11被动张拉至设计索力,即拉杆V2～V11在安装时处于低应力松弛状态;④自内而外安装并张拉斜拉索;⑤通过钢箱梁底设置的砂箱均匀落梁至钢箱梁脱离支架,完成体系转换;⑥施工桥面及附属设施,最后达到成桥状态。其中,拉杆V2～V11的安装采用无应力长度控制,在拉杆V12、V1张拉至一定吨位后,在拱塔上用拉力尺量取剩余塔间索锚固点的间距,然后在拉杆、压杆上进行标定,安装塔间索时只要安装到标定位置即可。设计给出的方案存在以下缺陷:①外拱塔竖向转体到位后,拱塔上存在着竖向转体用的临时结构(三角架、索鞍等),若此时将拉杆V12、V1张拉至设计索力,成桥状态时压杆V0压力会过大,容易发生压杆失稳(拉杆设计安装索力为裸拱情况下的张拉索力,后安装压杆,由于临时结构的拆除导致拉杆V12、V1索力降低,压杆V0轴力增大,最终导致成桥阶段压杆V0压力过大)。②塔间索在工厂制作过程中就存在误差[《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》(GB/T18365-2001)规定,“超张拉检验以后的成品拉索长度允许误差为:当成品拉索长度小于100m时,误差小于或等于20mm”],而对于该桥,塔间索的无应力长度误差几毫米对索力的影响就会很大,以拉杆V11为例,2mm的无应力长度误差会造成索力6%的误差,远远超出施工规范的要求。③现场测量塔间索锚固点间距也会出现误差,而且测量是高空作业,危险性高,不易操作。由此可见,按照设计推荐的完全按照无应力长度来控制塔间索索力的施工方法是不可行的,塔间索无应力索长度控制与张拉索力、结构应力、现场因素必须有效结合,才能确保结构安全。为了消除实际结构斜拉索制作误差、锚固点位置偏差对斜拉索无应力长度的影响,拉索挂设(初张拉)时仍以张拉力控制;后续阶段(二次张拉)则用锚杯拔出量(无应力索长调整量)控制斜拉索的张拉。4.2种方案的施工背景及验证压杆V0安装时机的选择对最终的成桥状态结构受力有很大的影响。为确保压杆V0在成桥阶段的压力满足设计要求,分别计算压杆V0在拉杆V1初张拉后进行安装(方案1)和在拉杆V1第2次张拉结束后安装(方案2)2种方案的全桥结构受力情况。计算结果表明,压杆V0的安装时机对斜拉索索力影响较小,但是对相邻的塔间索索力影响较大,且方案1成桥阶段压杆V0的轴力偏大,达到了设计成桥压杆轴力的2.5倍;方案2不存在此问题。因此,施工时应采用方案2的施工顺序安装压杆V0。采用2种安装方案施工的塔间索成桥索力见图4,从图4可以看出,2种方案的压杆V0成桥索力差值达到700kN,方案1的压杆索力是方案2的2倍以上。4.3优化后的外观(1)塔间索的张拉该桥由塔间索将外拱塔和内拱塔联系在一起,形成一个共同受力的整体。塔间索的张拉控制对其后斜拉索的张拉以及成桥状态主梁和拱塔的内力、位移影响均较大,所以保证塔间索合理准确的张拉是该桥施工控制的一个关键环节。塔间索的张拉过程需确保拉索张拉到能测准的状态(索力不小于250kN),即赋予塔间索初张拉无应力长度,二次调索时调整到成桥状态的无应力长度即可。具体过程为:①初张拉压杆V12、V1;②拆除竖向转体中使用的临时拉索,拆除索鞍、三角架等;③自下而上依次安装并张拉压杆V2～V11;④第2次张拉压杆V12、V1(此时压杆V2～V11呈放松状态);⑤安装压杆V0;⑥通过锚杯外露量控制张紧或放松螺母,调整压杆V2～V11至成桥无应力长度。(2)设置无应力长度索力体系①自内而外安装并张拉斜拉索,对于索力小于250kN的斜拉索,调整其初张拉无应力长度使索力满足测量要求,其他斜拉索直接张拉到设计给定的无应力长度;②通过钢箱梁底设置的砂箱均匀落梁至钢箱梁脱离支架完成体系转换;③对部分斜拉索索力进行微调,使其达到设计无应力长度;④施工桥面及附属设施,最后达到成桥状态。5拉索结构参数优化及索力检测根据优化后的方案对该桥施工过程进行有限元计算,计算结果表明,该桥在竖向转体完成后至成桥状态期间,主梁上缘最大拉应力为63.0MPa,下缘最大拉应力为74.2MPa;拱塔上缘的最大拉应力为84.3MPa,下缘的最大拉应力为88.4MPa。施工过程中结构的安全储备相对较大,因此本文主要介绍索的张拉控制。根据优化后的施工方法对桥梁进行施工及施工控制。塔间索的张拉顺序及张拉索力见表1,调整施工顺序及锚杯拔出量见表2;斜拉索的张拉顺序及张拉索力见表3,斜拉索的索力调整情况见表4。由表1～4可以看出,优化后的拉索方案能确保施工单位在初张拉过程中准确地张拉到监控要求索力,部分斜拉索(L1～L4、R3～R7)初张拉时无应力长度小于成桥状态无应力长度,提高了斜拉索索力,对顺利落梁,提高支架安全性起到了一定的作用。成桥状态塔间索及斜拉索索力分别见表5、表6。从表5中可以看出,成桥状态的塔间索索力实测值与设计值之间的相对误差最大为2.13%;从表6可以看出,成桥状态斜拉索索力实测值与设计值之间的相对误差最大值为0.59%;成桥索力均满足设计要求,且施工控制精度较高。成桥后桥面实测标高与设计标高的差值绝大多数在10mm以内