钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程中的线形控制研究.pdf
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1、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
2、;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
3、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
4、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
5、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。
6、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,
7、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
8、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
9、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 、
10、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
11、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
12、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
13、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
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