钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程中的线形控制研究.pdf

公路交通技术 2 0 1 0年 6月 第 3期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t J u n 2 0 1 0 N o 3 钢管混凝土拱桥拱肋 吊装过程中的线形控制研究 渠 昱 ( 昆明理工大学 ，昆 明6 5 0 0 0 0 ) 摘要：钢管混凝土拱桥的拱肋吊装过程中的线性控制是 当前研究的热点问题。以西南某钢管混凝土拱桥为依托， 通过定长法控制扣索索力，优化扣索索力，从而对钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程中线性的控制方法进行研究。希望 能为钢管混凝土拱桥的施工和控制提供参考。 关键词 ：钢 管混凝土拱桥 ；拱肋 ；线性 ；控制 文章 编号：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 6 9 0 5 中图分类号 ：U 4 4 8 2 2 文献标识码 ：A St u d y o n L i n e a r Co n t r o l d u r i n g Ho i s t i n g o f Ri b s o f St e e I Tu b e Co n c r e t e Ar c h Br id g e s Q U Y u Ab s t r ac t ：Li n e a r c o n t r o l d u rin g l i fti n g o f r i b s o f s t e e l t ub e c o n c r e t e a r c h b rid g e s i s a ho t p r o b l e m i n c u r r e n t r e s e a r c he s Th i s pa pe r ， ba s e d o n s o me s t e e l tube c o nc r e t e a r c h brid ge i n s o u t h we s t， c o n t r o l s a nd o p t i mi z e s c a b l e f o r c e vi a t he fix e d l e n g t h m e t ho d S O a s t o s tu d y t he l i ne a r c o nt r ol me t ho d s d ur i ng l i fti ng o f r i b s of s t e e l tube c o nc r e t e a r c h b rid g e s I t i s e x pe c t e d t h a t t he r e s e a r c h m a d e b y t h i s pa pe r i s c a pa bl e o f p r o v i d i n g a r e f e r e n c e f o r c o n s t r u c t i o n a n d c o n t r o l o f s t e e l tub e c o n c r e t e a r c h b rid g e s Ke y wo r d s ： s t e e 1 tub e c o n c r e t e a r c h b ri d g e ； a r c h r i b ； l i n e a r ； c o n t r o l 钢管混凝土只有在受压时才能充分体现出其优 越 的技术经济 l生能 ，合理的拱轴线可以使拱肋在成 桥处于受压状态 ，充分发挥钢混凝土组合结构 的特 性。大跨度拱桥的设计拱轴线一般是设计人员精心 设计确定的，而施工难免有误差 ，特别是采用无支 架施工方法 ，如何在施工过程中保证最终拱轴线与 设计拱轴线吻合( 即线性控制 ) 十分重要。用缆索吊 装法施工钢管混凝土拱桥的线形控制包括标高 ( 平 面 内) 控制和轴线 ( 平面外 ) 控制。轴线控制主要采 用横 向的侧向缆风索进行调整 ，一般用手动葫芦收 放侧缆风进行人工调整即可。采用千斤顶斜拉扣挂 悬拼架设技术 吊装钢管拱时 ，标高控制是通过收放 扣索实现的 ，即张拉扣索或放松扣索使其 由扣点至 张拉处 的长度缩短或加长 ，从而使拱段控制点的标 高有所升 降。因此扣索力与拱段预抬高量 紧密相 关，线形控制计算就是确定扣索力大小和拱段预抬 高量。目 前许多文献介绍了钢管混凝土拱肋线性控 制方法 ，每种方法各有千秋 。本文以西南某钢管混 凝土拱桥为依托 ，通过定长法控制扣索索力 ，优化 扣索索力 ，从而对钢管混凝 土拱桥拱肋 吊装过程 中 线性控制方法进行研究 ，希望能为钢管混凝土拱桥 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 1 2 6 作者简介 ：渠昱 ( 1 9 7 5 一) ，男 ，重庆 市人，硕士，工程师 的施工和控制提供参考。 1 工程概 况 西南某钢管混凝土拱桥( 图 1 ) 为钢管混凝土桁 架式 中承式拱桥 ，净跨 1 9 0 IT I ，净矢高 4 2 2 2 2 m， 净矢跨 比 1 4 5 ，主拱拱轴线为悬链线 ，拱轴系数 m=1 3 4 7 。拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构 ，断 面 由 4 8 5 0 m m钢管组成 ，内灌早强 、缓凝 、微 膨胀 C 5 0混凝土 。断面高 4 0 m，宽 2 1 m，钢管 厚 1 4 mm。水平 向由 4 0 2 mm1 1 m n l 无缝 钢管 横向连接 2根主钢管 。腹杆全部采用 4 O 2 m n a 1 1 m m无缝钢管 。2道拱肋之间设有 7道横撑 以保 证拱肋横 向稳定。其 中拱顶设 1 道钢管桁架 “ 米” 图 1 西南某钢管混凝土拱桥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 公路交通技术 2 0 1 0生 字型横撑 ，桥面至拱顶之 间共设 4道 钢管桁架 K 字撑，桥面与拱肋相交处共设 2 道钢桥道横梁。 2 控 制 方法 施工控制总原则是 ：在保证结构安全情况下 ， 使结构线形符合设计要求。 钢管混凝土拱桥施工 控制方法从控制思路上分为 3种 ：开环控制 、反馈 控制和 自适应控制。3种方法中以 自适应控制为最 佳 ，因此该桥采用 自适应控制方法 。自适应控制通 过对施工过程中识别 出来 的参数实际值不断地修正 计算模型中的相应参数，使计算模型与实际模型相 吻合。 自适应控制系统中必须具备一个有效 的参数 识别系统。这些参数主要为拱段 自重 、结构刚度 、 索力测试换算参数 、混凝土收缩徐变参数 、温度 、 施工临时荷载等。在主拱 的前几个拱段施工 中，结 构刚度较大 ，变形较小 ，因此在控制初期参数误差 对主拱标高的影 响较小 ，这对于 自适应控制方法的 应用非常有利。经过几个拱段的施工后 ，计算参数 已得到修正 ，为后续变形较大拱段的施工控制创造 了良好的条件 。 3 拱肋线性控制方案 钢管拱桥的拱肋施工采用缆索吊装法，在主拱 圈分节段成形至合龙的过程 中，主拱圈会因扣索索 力的不同组合而承受不 同的轴力 、剪力和弯矩 。若 要主拱在各个施工状态至成拱的过程中均不承受弯 矩 ，则通过在这一过程的任一施工状态下 ，使任意 节段的两端均无相对位移来实现。为此 ，先设定一 目标成拱线形 ，在施工过程 中 ，通 过调 整扣索索 力， 使主拱的施工实际线形与预先设定的目标线形 保持一致 ，这样就能保证主拱在施工过程中不承受 弯矩。在计算初期，因目标成拱线形未知，暂时先 取为设计线形，待计算完成后 ， 把累积位移的绝对 值作为预拱 与设计线形相加 ，即作 为成拱 目标线 形 ，然后再计算 1 遍，进行少量的索力调整。另 外，实际计算过程中，要使实际线形与目 标线形完 全一致是很困难的，因此 ，只要 2条线形的偏差在 许可范围内，就认为主拱线性是合理拱轴线性 ，拱 肋各点基本不承受弯矩。在拱肋安装过程中，控制 目 标是使拱肋安装线性与目标线性的偏差控制在许 可范围内，按照上述 目标进行索力调整。 4 优化索力计算法 前进法和倒退法是桥梁控制计算的常用方法。 由于拱肋在吊装阶段混凝土不产生收缩徐变 ，用前 进法计算时其与时问就没有关系， 计算将会变得简 化。 笔者的做法是 ：用优化计算的方法得 出索力分 布 ，然后该索力状态的原始索长为初始状态进行倒 退分析 ，使计算过程相对简化。该法巧妙地避开了 混凝土的收缩徐变。 优化 目标函数可以用式( 1 ) 表示 ，式( 1 ) 也就是 与各个控制点上位移差的平方和。本文所述的索力 优化并不是指要求扣索索力如何，而是要求扣索在 1 次张拉后各控制点的标高在拱肋合龙时位于计算 控制标高上 ，因此 ，优化 目标就是 ：在最大悬臂状 态时 ，调整索力使得拱肋的各个控制点位于合理的 高程上。合理的高程是指拱肋克服了重力和施工临 时荷载等引起的预拱度 ，此时拱肋处在 比较合理的 受力状态 。优化结果是调整扣索的原始长度 ，使得 扣索在 吊装时张拉 1 次到位。扣索索力在吊装过程 中每个阶段都要发生变化 ，扣索长度也会随着阶段 的不同发生变化 ；而扣索保持的基本不变量就是扣 索的原始长度 ，在实际施工 中表现为千斤顶不再进 行张拉 ，也就是要求扣索 1 次张拉。 求解最优化索力的问题，可转化为有约束的极 小值问题。 mi n f ( ) = ( ( ) 一u j ( s ) ) 。 ( 1 ) J 0 ( 】 = 1 ，S 2 ， ， ， 些 ( ) 一u j u J =1 ，2 ，m 。 式中，S 为各组扣索索力向量 ； ( ) 为拱轴线上控 制点的计算位移 ；u j 为控制点上的期望位移 ； ， 分别 为位移误差的上 限和下限 ；k为优化计算叠 代次数； 为扣索的容许拉应力 。 但是 ，这只是作为理论计算的控制标高 ，实际 施工中，索力分布不可能完全和计算 的分布一致。 实际的控制标高应根据实测索力来确定，然后再确 定拱肋的安装精度 。 索力优化计算 目的是拱肋吊装时处于合理的高 程上，索力优化计算模型是最大悬臂合龙时的状 态。桥东西两岸各扣索在不同吊装阶段的受力见表 1 、 2。 5 拱肋标高控制 吊装过程中，拱肋在施工荷载作用下要产生变 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 3期 渠昱：钢管混凝土拱桥拱肋 吊装过程 中的线形控制研 究 7 1 表 1 桥 东岸各扣索在不 同吊装 阶段 下受力k N 表 2 桥西岸各扣索在不同吊装阶段下受力k N 形 ，而控制最终 目标是使拱肋在成桥通车以后 ，拱 肋线性在预定的拱轴线上( 包含一定的预拱度 ) 。因 此要计算出一个合龙前的标高，使得拱肋在合龙后 以及后续荷载( 包括灌注混凝土 、桥 面系以及混凝 土 的收缩徐变 ) 等各种 因素影响下到成桥通 车以后 拱肋线性在预定的拱轴线上 ，也就是要计算拱肋 吊 装过程 中的控制标高 。 拱圈的预拱度设置应考虑拱肋在吊装过程中的 弹性变形挠度、混凝土灌注过程中的变形挠度 、桥 面系变形挠度 、钢管混凝土收缩徐变 以及 1 2活载 挠度。拱肋在悬臂状态 ，空钢管在 自重和扣索索力 以及拱脚反力作用下产生平衡。控制标高是施工过 程中一个重要的施工技术参数 ，其是在最大悬臂状 态时拱肋处于合理受力分布时的高程 。 可以如此推算 ：控制 标高 =制造线 一自重挠 度 +索力反力挠度，即 Y k = Y 一 + 。 ( 2 ) 式中， 为拱肋控制曲线 ； 为制造线，也就是工 厂加工曲线( 包含预拱度) ；Y g 为自重挠度； 为索 力反力挠度 。 控制标高的计算应通过多次叠代计算，特别是 第 1 次在制造线上进行修正时，其差值较大；但是 在以后的叠代中，差值收敛速度较慢 ，其值也不 大。故在计算控制标高时，只需进行 1 次修正就可 以达到工程的精度要求。拱肋合龙后实测控制标高 与设计控制标高的偏差值见表 3 。 从表 3 可以看出，拱肋合龙后， 拱肋各控制点 的实测标高与设计控制标高的差值很小，高差最大 9 mm，线性满足设计 要求 ，施工控制很好 。各项 技术指标均达到了技术合同与相关规范( 包括相应 施工规范 ) 的要求。合龙段拱肋吊装见 图 2 、图 3 。 图 2 拱肋 吊装 图 3 合龙 6结语 本文以定长法控制扣索索力 ，通过优化计算方 法得出索力分布 ，然后 以该索力状态的原始索长为 初始状态进行 倒退 分析 ，使计算过程变得相对 简 化 ，从而控制钢管拱肋线性。拱肋合龙后线性满足 设计要求 ，施工控制很好 ，各项技术指标均达到了 技术合同与相关规范的要求。希望本文能起到抛砖 引玉的作用 ，为钢管混凝土拱桥的施工和控制提供 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 公路交通技术 -。 2 01 0血 删迥 嚣 ” 捺 0 n n N g 寸 _【 【 卜 _【 _【 m N 。 10 寸 【 寸 ” _【 _【 o n 0 H 0 l9 n 寸 卜 I 1 【 【 n n _J 0 寸_【 ， 寸 0 _【 _【 【 0 0 0 n 卜 卜 H 0 乏 0 n +n 寸 ) I Z 0Z 卜 卜 0n +n 寸) I Z 哪遥 藤 鄙求 。 n n H 寸 寸 _【 寸 n 寸 寸 n _【 口 Io n 寸_【 n n n 甘 【 n 卜 0 _【 0 0 寸 窆 0 n n + n 毫 寸 寸 寸 _【 寸 _【 n 寸 卜 _【 口 6 n 寸_【 卜 0 n 寸 H n 卜 0 n 卜 寸 ) 客 n 卜 甘 n n + n 富 删丌 J 杂 卜 垛 0 n 寸 寸 _【 n 0 卜 _【 卜 n 0 口 lo 寸_【 _【 0 卜 _【 0 n 0 _【 卜 寸 n 畸 0 寸 寸 卜 【 0 卜 【 卜 寸 0 H 口 0 寸【 _【 0 卜 _【 一 0 _【 卜 0 【 n +n 寸) I 。广 I 0 r I n +n 寸 广 I 删 嚣 口 0 寸_【 n 【 _【 时 寸 0 0 寸_【 0 卜 _【 0 【 寸 H 寸 寸 卜 n +n 寸) I 【 寻 卜 n + n 删 寸 撩 9 0 寸_【 。8 卜 0 0 寸_【 。 0 卜 n I o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +n 寸 ) I 1 0 00 0 +n 寸 ) 1 0 删 露 鄙 n 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凝土拱桥主要病害本质f C 第十七届全国桥梁学术会议 论文集 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 6 1 0 】李文琪， 贺立新对宜宾小南门桥事故的思考【 J 】 中国 公路 ， 2 0 0 2 ( 2 2 ) ： 4 7 4 8 云南新街至河口高速公路技术含量高 2 0 1 0年 5月 1 1日，云南省召开 2 0 0 9年度优质工程奖 、优质项 目经理奖颁奖大会 ，会上对获得 2 0 0 9 年度云南省优质工程的单位和优质项 目经理进行了表彰。其中 “ 云南新街至河口高速公路”获得云南省 优质工程一等奖。该段高速公路是二 ( 连浩特 ) 河( 口) 国道主干线 云南境 内的最后一段。路线起于云南新 街，止于与越南老街隔河相望的边城河口，全长 5 6 k m。这条高速公路技术含量很高，原因是参加建 设的重庆交通科研设计院以其承担的重要科研项 目 新河高速公路不良土路基填筑技术研究 、 新河高速 公路沥青路面全过程质量控制研究 和 新河高速公路碎石土路床填筑技术研究 等成果为新河高速公路建 设提供了可靠的技术支撑 。该 路段 自2 0 0 8年 2月 2 6日建成通 车以来 ，质量优 良，运行情况 良好 ，成为 云南对接东盟的首条高速公路 ，具有极其重要的政治和经济意义 。( 老关 ) 大型江底地下互通式立交枢纽建造与运营核心技术研究 通过 国家 8 6 3计 划项 目验收 2 0 1 0年 4月 2 2日，科技部在北京西苑饭店主持召开了国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3计划 ) 现代交通 技术领域专题课题验收会 ，由重庆交通科研设计 院承担的 8 6 3计划项 目 “ 大型江底地下互通式立交枢纽建 造与运营核心技术研究”通过 国家验收。 该项 目经过 2年多的研究 ，取得了重要的创新成果 ，包括 ： 1 、地下立交隧道设计施工技术 ；2 、隧 道污染空气土壤净化技术。 该项研究成果 已经应用于重庆两江隧道、厦门万石山地下立交 、长沙湘江水 下隧道 、重庆渝 中区地下快速通道等实体工程 。其 中，厦门万石山地下立交 已建成并投入运营 ，长沙湘江 水下隧道也已进入 了施工阶段。该项研究成果对建立城市地下交通网线的布局、缓解城市地面交通 的拥堵 压力、采用净化土壤新材料、实现污染空气净化的新技术等，具有重要的创新意义。 ( 老关) 学兔兔 w w w .x 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