斜拉橋換索施工監(jiān)測與控制淺析

1、    斜拉橋換索施工監(jiān)測與控制淺析    路明 路雙 吳俊梅摘要：斜拉橋的一個(gè)重要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)與施工高度耦合。為保證橋梁的正常交通通行能力，需定期對斜拉索進(jìn)行更換。如何通過施工中索力和標(biāo)高的調(diào)整來獲得預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)力狀態(tài)和幾何線形，是斜拉橋施工監(jiān)測與控制中最為關(guān)心的問題。由于換索與建新橋在施工中側(cè)重點(diǎn)不盡相同，兩者的施工監(jiān)控內(nèi)容也不完全相同。關(guān)鍵詞：換索；施工；斜拉橋；監(jiān)控1 引言斜拉橋在使用過程中，由于拉索銹蝕、疲勞損傷等原因，需定期對斜拉索進(jìn)行檢測與更換。尤其是大跨度斜拉橋，換索工作是精細(xì)而龐大的系統(tǒng)工程。隨著我國橋梁檢測與維修加固4技術(shù)的發(fā)展，斜拉橋

2、換索施工工藝已日趨成熟，在不同類型的橋梁施工監(jiān)控中，斜拉橋的施工監(jiān)控確有獨(dú)到之處。2 施工控制方法的選擇目前，大型橋梁的施工監(jiān)測控制方法有卡爾曼（kalman）濾波法2、灰色系統(tǒng)理論法、最小二乘法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。其中，卡爾曼（kalman）濾波法2多以位移作為狀態(tài)變量；灰色系統(tǒng)理論法通過灰建模實(shí)現(xiàn)灰預(yù)測，多用于梁橋的施工監(jiān)控中；最小二乘法在纜索承重橋的施工控制中，主要用于設(shè)計(jì)參數(shù)的辨識與修正；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過bp算法，達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)的估計(jì)。斜拉橋換索施工監(jiān)控主要采用自適應(yīng)控制法。3 監(jiān)控方法與要求（1）監(jiān)控方法8自適應(yīng)控制法是一個(gè)邊施工、邊反饋、邊調(diào)節(jié)、邊適應(yīng)的主動控制方法。該方法的使用貫

3、穿于斜拉橋換索工作始終。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，它通過系統(tǒng)識別或參數(shù)估計(jì)模塊，把誤差輸入到參數(shù)辨識算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型參數(shù)。計(jì)算模型經(jīng)過參數(shù)修正后，重新計(jì)算各施工階段理想狀態(tài)，根據(jù)此目標(biāo)按反饋控制思路進(jìn)行施工控制。計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)磨合一段時(shí)間后，自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律，并對已有誤差進(jìn)行調(diào)整。（2）線形方面線形控制原則上以不改變原橋線形為準(zhǔn)，以原橋設(shè)計(jì)線形為參照，實(shí)施過程中通過量測的主梁標(biāo)高與橋塔變形反映線形情況。（3）受力方面塔、梁、索是斜拉橋的主要有機(jī)組成部分。其中塔主要為受壓構(gòu)件。主梁的受力較為復(fù)雜，剪力對主梁的影響與彎矩、軸力產(chǎn)生的影響相比，彎矩、軸力影響居主導(dǎo)。在換索施工過程中，塔、梁

4、在受力上有相似之處，其中索力的調(diào)整與變化是對全橋最為敏感的影響因素。塔、梁在施工過程中受力應(yīng)滿足混凝土強(qiáng)度范圍以內(nèi)，索的拉力要兼顧塔、梁受力要求與全橋安全需要。4 監(jiān)控主要工作內(nèi)容（1）換索前的監(jiān)測7在全橋換索施工前，對全橋斜拉索索力與主梁標(biāo)高進(jìn)行測定，為新索索力的確定提供現(xiàn)場參考。（2）理論值的計(jì)算與初步確定在設(shè)計(jì)參數(shù)收集完備的基礎(chǔ)上，利用有限元程序進(jìn)行建模計(jì)算，考慮幾何非線性1的影響，通過前進(jìn)分析與倒退分析得到參數(shù)識別、修正前的理論值。其中，斜拉索調(diào)索是理論計(jì)算的重點(diǎn)。(3) 梁、塔內(nèi)力觀測以某雙塔三跨雙索面斜拉橋?yàn)槔?，在主、邊跨跨中，主、邊?/4，塔梁相交的塔根部，共選取9個(gè)應(yīng)力觀測截

5、面，在梁體內(nèi)部利用表貼式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測量。對于梁體應(yīng)力大而且集中的部位，有必要利用anasy軟件進(jìn)行局部分析計(jì)算。（4）線形觀測線形觀測包括主梁線形觀測與橋塔線形觀測。其中，主梁線形的觀測通過主梁梁頂標(biāo)高實(shí)現(xiàn)。在橋臺處選取不動點(diǎn)，作為主梁標(biāo)高觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)。凡是有斜拉索錨固的梁段，都應(yīng)選取主梁標(biāo)高的觀測斷面，且在每個(gè)斷面的橫橋向利用鋼筋頭在梁段上表面設(shè)置左、中、右三個(gè)觀測點(diǎn)。利用精密水準(zhǔn)儀在已知不動點(diǎn)水準(zhǔn)高程基礎(chǔ)上，對鋼筋頭處的水準(zhǔn)高程進(jìn)行測量，并與設(shè)計(jì)高程進(jìn)行復(fù)核。由于每個(gè)觀測斷面上設(shè)置有左、中、右三個(gè)觀測點(diǎn)，不但實(shí)現(xiàn)了縱橋向線形的觀測，也可以通過左、右兩個(gè)觀測點(diǎn)高程差得知主梁是否發(fā)生橫向扭轉(zhuǎn)與

6、翹曲，以便在換索施工中及時(shí)調(diào)整與糾正。橋塔線形觀測是利用全站儀在橋址水準(zhǔn)網(wǎng)上對兩岸橋塔實(shí)施階段性聯(lián)測。尤其對于端錨索的更換，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)塔偏與塔根部應(yīng)力監(jiān)測。在階段施工中可通過索力微調(diào)，局部預(yù)壓做到塔柱變形不累計(jì)，并在竣工后將橋塔變形控制在容許范圍內(nèi)。5 索力監(jiān)測大跨度斜拉橋換索施工，現(xiàn)場索力量測1方法主要有三種：（1）壓力傳感器法此方法是預(yù)先在斜拉索錨下安裝壓力傳感器，通過儀表示數(shù)獲知索力。由于該方法抗干擾能力強(qiáng)，不但能夠在施工中運(yùn)用，而且在竣工后還可以長期使用。（2）壓力表測量法通常利用液壓千斤頂對斜拉索張拉，在得知力缸液壓值后，利用液壓值與張拉力之間的關(guān)系，就可換算出張拉力。該方法是施工過

7、程中實(shí)用性最強(qiáng)的索力量測與控制方法。（3）振動頻率法根據(jù)弦振動理論，柔性鉸接索的索力與振動頻率之間存在對應(yīng)關(guān)系，見式5-1；考慮索的抗彎剛度，見式5-2；（式5-1）（式5-2）式中: 斜拉索索力；單位長度斜拉索重力；索的計(jì)算長度；振動階數(shù)；重力加速度；索的第n階自振頻率；索的抗彎剛度；振動頻率法一般選取偶數(shù)階頻率進(jìn)行索力的計(jì)算，用于消除索的垂度效應(yīng)引起的誤差。6 換索順序以雙塔三跨雙索面某漂浮體系斜拉橋?yàn)槔?，在施工過程中，起初以兩橋塔軸線為中心，對塔梁相交區(qū)的拉索進(jìn)行更換，待該區(qū)域拉索能夠出力穩(wěn)定后，換索施工又從兩塔塔頂向塔根部按順序進(jìn)行。具體在實(shí)施過程中的順序?yàn)椋?1)拆換全橋次短的斜拉索

8、；(2)拆換全橋最短的斜拉索；(3)拆換除（1）、（2）索外，最短斜拉索；(4)拆換全橋最長的斜拉索；(5)剩余斜拉索按照由長到短順序拆換；此順序充分利用對稱性，考慮了主梁安全與受力的需要，有利于塔柱不平衡力的抵消與橋塔線形控制，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)與難度。7 施工保證措施對關(guān)鍵部位受力應(yīng)考慮疲勞損傷與強(qiáng)度折減，適度提高施工過程中的安全系數(shù)。利用有限元軟件進(jìn)行施工過程模型分析，在閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，增加參數(shù)估計(jì)算法分支，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并對系統(tǒng)的輸入進(jìn)行修正，對以后的施工工況進(jìn)行反饋控制。施工過程中盡量減少引起橋梁局部或整體振動的非自然因素干擾。8 竣工后養(yǎng)護(hù)建議為保障橋梁的正常使用壽命與設(shè)計(jì)年限，

9、應(yīng)從以下方面加強(qiáng)大橋的管養(yǎng)維護(hù)工作：（1）定期對斜拉索冷鑄鐓頭錨進(jìn)行防水、防滲檢查，抹油處理；（2）每兩年對大橋主梁線形與主塔線形進(jìn)行觀測；（3）斜拉索5年大檢一次；（4）細(xì)部外觀檢測方面，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，隨時(shí)進(jìn)行維護(hù)。9 結(jié)束語斜拉橋換索施工監(jiān)控，最敏感的因素是索力。通過索力調(diào)整來實(shí)現(xiàn)主梁線形改變，理論上可行。但由于混凝土主梁剛度較大，線形調(diào)整需要很大的索力變動幅值才能實(shí)現(xiàn)，這對于索力和主梁應(yīng)力均是不允許的。寧波的招寶山大橋在建設(shè)中，由于索力控制不合理，就導(dǎo)致主梁局部壓潰6的現(xiàn)象。如何改進(jìn)換索的設(shè)計(jì)思路與方法5，實(shí)現(xiàn)在施工中就接近設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，做到索力兼顧線形，索力兼顧塔、梁受力，除了保證施工精度與質(zhì)量外，換索施工中對索力優(yōu)化3也提出了很高的要求。這些也是今后施工監(jiān)測與控制工作不斷進(jìn)取的方向。參考文獻(xiàn):1唐繼舜,代璞.斜拉橋換索施工監(jiān)控技術(shù)探討j.橋梁建設(shè),2005,(1):65-68.2張全勝,于海營.卡爾曼濾波法在斜拉橋換索中的應(yīng)用j.中外公路,2009(12):153-1563周鑫.斜拉橋換索前的索力調(diào)整j.北方交通,2009(2):96-994李宏江,李萬恒.天津永和大橋維修與加固j.世界橋梁,2009(1):53-56.5蔣偉平,李亞東.斜拉橋換索設(shè)計(jì)方法探討j.結(jié)構(gòu)工程師 2010,(2):57-6