斜拉橋索力優(yōu)化與調整

1、 1同濟大學橋梁工程系肖汝誠 2二.三.一. 工程背景工程背景 總結與展望總結與展望 內力調整施工方案的實施內力調整施工方案的實施四.五.既有預應力混凝土斜拉橋內力調整的理論基礎既有預應力混凝土斜拉橋內力調整的理論基礎 觀測方法的評價與調索后結構內力狀態(tài)評估觀測方法的評價與調索后結構內力狀態(tài)評估 3預應力混凝土斜拉橋內力調整的現(xiàn)狀和工程實例 委內瑞拉馬拉開波（Maracaibo）橋 英國的Wye橋 4預應力混凝土斜拉橋內力調整的現(xiàn)狀和工程實例 上海新五橋 廣州海印橋 5預應力混凝土斜拉橋內力調整的現(xiàn)狀和工程實例已有的調整理論過于復雜，不易操作。當前該領域還需解決的問題：采用的模型與實際結構不符

2、，造成的誤差；缺乏對結構內力狀態(tài)的一整套評估方法，以及是否進行內力調整的決策系統(tǒng)； 6背景工程橋梁上虞市人民大橋 7上虞市人民大橋結構簡圖 新區(qū)（西）14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14背景工程橋梁 8靜載試驗中，箱梁內裂縫有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。檢測后發(fā)現(xiàn)人民大橋主要存在的問題：結構形態(tài)與設計存在較大偏差；與設計相比，拉索有卸載現(xiàn)象，而且卸載量不平衡；背景工程橋梁 9工作內容確定既有橋梁內力調整的合理目標內力狀態(tài)；對結構檢測數據進行整理分析，識別既有橋梁的結構參數；評估當前結構內力，以確定是否對結構內力進

3、行調整；從理論上解決從當前結構的內力狀態(tài)到調整的目標內 力狀態(tài)的具體實用調整方法；解決內力調整施工中的具體問題 ；對內力調整后的結構狀態(tài)進一步評估。 10預應力混凝土斜拉橋結構參數的識別 參數永存預應力結構恒載支座反力斜拉索索力 11預應力混凝土斜拉橋結構參數的識別 參數識別中遵循：盡可能真實地模擬當時的施工情況（包括施工方案、節(jié)段重量、施工中拉索索力、定位標高、橋面線形等）模擬從施工到運營至今橋梁發(fā)生的收縮徐變情況 12結構當前受力狀態(tài)的確定與評估-125-100-75-50-250255075100125-202468101214 上緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主

4、力組 合最 大應力-125-100-75-50-250255075100125-10-8-6-4-20246810121416182022 下緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力-2000-1000010002000300040005000-10010203040506070塔高（m）塔內彎矩（tm） 13合理目標內力狀態(tài)的確定 1、已有的斜拉索索力優(yōu)化方法：指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化法 斜拉索索力的無約束優(yōu)化法 斜拉索索力的有約束優(yōu)化法 2、針對既有混凝土斜拉橋索力優(yōu)化方法針對橋梁設計目標：通過調索使主梁上若干點標高滿足設計要求控制條件：實際內力逼進設計內力

5、解決思路：建立設計內力和調索后實際內力差值的余能表達式，以差值最小作控制條件求滿足達到指定標高時索力增量，與原索力疊加得優(yōu)化后的拉索索力 14合理目標內力狀態(tài)的確定 確定目標狀態(tài)的原則：使主梁、主塔內應力較小，且比較均勻應力峰值應得到控制：控制正應力和主應力，滿足規(guī)范要求以當前實測索力變化較小為原則，盡量減小當前索力調整的工作量，避免對結構產生過大的擾動,并達到結構內力合理為目標邊墩支座反力得到控制調整后結構內力滿足承載能力的要求 橋面線形得到改善 為防止裂縫進一步開展，限制裂縫處應力 15合理目標內力狀態(tài)的確定 靈敏度分析：找到不同拉索對主梁內應力影響程度選定如上圖的幾個關鍵點進行研究。同時

6、了解索力變化對支座反力的影響 16合理目標內力狀態(tài)的確定 靈敏度分析結果：1234567891011121314-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.0對1號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.3-0.2-0.10.0對2號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.3-0.2-0.10.00.10.2對3號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量12345678910111213140.00.10.20.3對5號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.10.00.

7、10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1對1號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8對2號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.6對3號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3對4號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-40-35-30-25-

8、20-15-10-50對邊跨支座反力影響量(t)拉索索號 影響量 17合理目標內力狀態(tài)的確定 limSSlimGQSSS恒載作用下主梁響應的可行域：恒載作用下主梁正應力的可行域：minmax,minmaxGQminmaxQGQminmax,QQQminminmaxmaxQGQGQSSS 18合理目標內力狀態(tài)的確定 恒載作用下主梁響應(正應力)的可行域：-100-5005010002468101214161820應力(MPa) 恒載作用下應力上界 恒載作用下應力下界-100-5005010002468101214161820應力(MPa) 恒載作用下應力上界 恒載作用下應力下界-100-5005

9、0100-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5活載應力(MPa) 可變荷載作用下最大應力 可變荷載作用下最小應力-100-50050100-8-6-4-202468活載應力(MPa) 可變荷載作用下最大應力 可變荷載作用下最小應力 19合理目標內力狀態(tài)的確定 恒載作用下主梁響應(正應力)的可行域：-100-50050100-4-202468101214161820應力(MPa) 恒載作用下應力上界 恒載作用下應力下界 恒載作用下應力-100-50050100-4-202468101214161820應力(MPa) 恒載作

10、用下應力上界 恒載作用下應力下界 恒載作用下應力 20合理目標內力狀態(tài)的確定 確定結構合理內力狀態(tài)及所對應的拉索索力：E14E13E12E11E10E9E8E7E6E5E4E3E2E1W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10 W11 W12 W13 W1405001000拉索索力拉索索號 目標索力 設計索力 實測索力-125-100-75-50-250255075100125-202468101214 上緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力-125-100-75-50-250255075100125-202468101214 下緣應力(MPa) 主 力組

11、 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力 21合理目標內力狀態(tài)的確定 確定結構合理內力狀態(tài)及所對應的橋面標高：-100-50050100-0.20-0.16-0.12-0.08-0.040.000.040.08 調 整 后 位 移 變 化 實 測 標 高 差 調 整 后 標 高 差位 移 （m） 22實現(xiàn)合理目標內力的施工分析 問題的理論解決：斜拉橋是高次超靜定結構，要達到相同的調整目標，施工中的拉索索力與調整順序有關！現(xiàn)有的調整理論過于繁復，而且也有不合理的地方。解決方法拉索的目標索力確定，那么拉索長度改變量是一定的，索力增量也是一定的，與調整順序無關。 23實現(xiàn)合理目標內力的施工分

12、析 調索施工方案的限制條件：1 施工方案盡可能簡單易行，通過一次調索就可達到目標，且調索順序要便于施工；2 由于受到現(xiàn)場施工條件的制約，不適合大噸位千斤頂工作，因此每步調索值要限制在千斤頂最大張拉噸位內以上要求若不滿足，須更改施工方案（如張拉順序等），或改變目標索力值，然后重新計算，直到滿足要求為止。 24實現(xiàn)合理目標內力的施工分析 不同拉索調整方案的比較：方案A：從長索依次調整到短索方案B：從短索依次調整到長索其他調整方案：增加工作量 增加調索施工中拉索的索力 25實現(xiàn)合理目標內力的施工分析 不同拉索調整方案的比較：調整的結果方案A：偏差0.54方案B：偏差0.58調整中索力方案A：最大30

13、8噸方案B：最大380噸千斤頂最大張拉300噸左右兩者都有可行性 26實現(xiàn)合理目標內力的施工分析 驗算并確定索力調整方案：（1）調索結束后計算索力與目標索力的比較 最大相差5.37t，占該索總力的百分比不足0.6 （2）索力調整過程中結構內力的驗算 -125-100-75-50-250255075100125-20246810121416上緣應力(MPa) 主 力組 合最 大應力 主 力組 合最 小應力 恒載變 化最 大應力 恒載變 化最 小應力-125-100-75-50-250255075100125-10-505101520下緣應力(MPa) 主 力組 合最 大應力 主 力組 合最 小應

14、力 恒載變 化最 大應力 恒載變 化最 小應力主梁內應力 27實現(xiàn)合理目標內力的施工分析 驗算并確定索力調整方案：（2）索力調整過程中結構內力的驗算 編號1234567891011121314西462512.6540.8518.8537.9533.3534.8570.5540.7533.6559.9554.1532.9390.8東461.9521.5555.5549.9588.1601.6617.9662.9632.6620.9639.5622585.2444.5主塔內應力 索內應力 28實現(xiàn)合理目標內力的施工分析 小結：識別了當前橋梁的結構參數，并建立相應的計算模型計算當前結構的內力狀態(tài)，找

15、到內力調整的“起始內力狀態(tài)”； 根據既有預應力混凝土斜拉橋的自身特點，確定內力調整的“目標內力狀態(tài)”； 解決了從“起始內力狀態(tài)”到“目標內力狀態(tài)”的理論施工方法。 29結構的檢查與修復 拉索錨具與錨箱減震器 30拉索的更換更換方案換索的測量1、換索卸載后對臨近拉索索力的影響 2、拉索精確張拉階段的索力監(jiān)測 3、換索后對臨近拉索索力進行測量 31拉索的更換理論驗算-125-100-75-50-250255075100125-20246810121416上緣應力(MPa) 換2號索時主梁內應力 換4號索時主梁內應力 換6號索時主梁內應力 主力組合最大應力 主力組合最小應力-125-100-75-5

16、0-250255075100125-10-8-6-4-20246810121416182022下緣應力(MPa) 換2號索時主梁內應力 換4號索時主梁內應力 換6號索時主梁內應力 主力組合最大應力 主力組合最小應力施工階段應力小于最不利組合應力 32調索施工中的流程換索后全橋結構參數測量i=1否觀測數據處理提供當前施工階段調索索號及索力施工機具就位張拉并按要求錨固拉索，同時記錄相關數據環(huán)境隨機振動法測當前調整拉索及相臨拉索索力i=i+1i14是全橋結構參數測量END誤差評估滿足要求否是 33調索施工中的實施細則在調索施工中采用YZ-300液壓千斤頂，并在張拉調整工作前對千斤頂油壓表進行了標定，

17、以保證張拉索力達到設計要求在張拉和錨固拉索中，要求相同索號的8個千斤頂同步均衡進行，并且要緩慢分級張拉，以避免主塔單向受力過大或動載對結構內力有不利影響 在施工中要實施三控，即拉索索力，伸長量和橋面標高 張拉機具就位并開始張拉張拉到啟動油壓q并記錄張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的20%張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的40%張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的60%張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的80%張拉到錨固油壓m持荷5min錨固并記錄錨固油壓m采用環(huán)境隨機振動法測量，校核此時拉索索力 南側 北側 S N 9 8 7 6 5 4 3 2 1 東(老城)西(新區(qū)) 34調索施工中的實施細則施工過程

18、中加強觀測，若出現(xiàn)異常情況及時停止施工，并由多方單位共同評估找到解決辦法后再進行下一步施工 除上述要求外，在調整索力的全過程中都嚴格按照相關規(guī)范、規(guī)程施工，以確保施工的順利進行。 35小結索力調整的過程也是在基本理論的基礎上不斷摸索，不斷實踐的過程。只有在實踐中發(fā)現(xiàn)、解決問題才能使理論逐步完善從既有預應力混凝土斜拉橋內力調整的施工角度，闡述了其中面臨的主要問題，并著手解決。從中可以看到，按照前面的方法進行調索，具有可操作性 36索力測量方法的評價 油壓表讀數法 傳感器讀數法頻率法 1、拉索抗彎剛度對振動頻率的影響 2、拉索垂度的影響 3、減振器的影響 索力測量方法的綜述橋面標高變化監(jiān)控測量的評

19、價 37觀測數據的分析與此時結構內力狀態(tài)的評估 調索后索力分析主梁內應力分析 -125-100-75-50-250255075100125-2024681012141618 上緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力-125-100-75-50-2502550751001250246810121416 下緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力 38觀測數據的分析與此時結構內力狀態(tài)的評估 主梁標高變化分析 主塔內力與邊跨支座反力分析 測點5項目南北南北南北南北南北南北南北南北調索后實測標高變化11341313731131137

20、351061019213046理論標高變化12346789塔根部177877326816213329主塔彎矩從4740tm降到1990 tm，降幅達到58%邊墩支座承受226t，在其承載能力范圍之內 39觀測數據的分析與此時結構內力狀態(tài)的評估 荷載試驗 按各測試斷面控制內力最不利位置布載，測量：主梁和主塔結構撓度和位移；主梁3個斷面和主塔1個斷面的混凝土應變； 拉索的活載索力。TS3S1S2新區(qū)（西）圖3 主橋應變測試斷面 （單位：cm）632031303050125003502350825700825300500120120圖4-1 箱梁應變測點布置圖 （單位：cm）圖4-2 主塔應變測點布置圖 （單位：cm）2350825700825300500120120圖4-1 箱梁應變測點布置圖 （單位：cm）圖4-2 主塔應變測點布置圖 （單位：cm） 40觀測數據的分析與此時結構內力狀態(tài)的評估 荷載試驗 加載工況1800S11800S231303050438018001800S1S23130S1S2313030503050塔中心線S335015001500塔中心線S3350350S3塔中心線1800125005970工況3 S3截面負彎矩加載1800工況1 S1截面正彎矩加載工況2 S2截面正彎矩