斜拉橋施工控制方案

2021-09-21 14:44:54 字數 4118 閱讀 6332

目前,懸索橋已經步入千公尺級特大跨徑橋梁行列。迄今為止,世界上最大跨徑的懸索橋為日本明石海峽大橋,建成於2023年,主跨1991m。而世界排名前十位的大跨徑懸索橋,我國佔了5座,分別為西堠門大橋,主跨1650m,建成於2023年;潤揚長江大橋,主跨1490m,建成於2023年;江陰長江大橋,主跨1395m,建成於2023年;香港青馬大橋,主跨1377m,建成於2023年;以及正在建設的南京長江四橋,主跨1418m,預計2023年底建成通車。

這充分體現了隨著國民經濟的快速發展,我國的橋梁建設事業也以前所未有的速度向前發展。從上世紀九十年代起,我國進入了大規模修建橋梁的時期,我國橋梁工作者的辛勤努力工作,使得我們同發達國家的差距逐步縮小,我們正經歷從橋梁大國到橋梁強國的轉變。

在懸索橋的施工過程中進行主纜垂度、加勁梁標高、索塔傾斜度、索鞍位移等的施工監測與控制,使結構各施工階段的實際狀態最大限度地接近設計理想狀態,確保成橋後的內力狀態和幾何線型符合設計要求,是懸索橋成功施工的關鍵技術之一。

近年來,懸索橋在我國得到迅速地發展,已經和正在修建的特大跨徑懸索橋十餘座。由於懸索橋在成橋狀態主纜線形未知,在施工過程中主纜和吊索一般不能像斜拉橋那樣重複張拉,成橋時要使其線形和受力滿足設計要求就有一定難度,再加上實際施工中選材特性的離散性、施工質量的隨機性,以及施工條件的不斷變化,對全橋的受力和變形的控制難度更大了。為了保證懸索橋在施工過程中的安全,並使成橋時結構線形和受力狀態最大限度地逼近設計狀態,建立懸索橋體系的施工控制體系就顯得十分重要[1,2]。

與其他橋梁相比,懸索橋在施工過程中的結構幾何形狀較難控制和管理,容易產生各種施工誤差[3,4]。其原因有以下幾點。

1)懸索橋是由剛度相差很大的構件(索、吊桿、梁)組成的高次超靜定結構,與其他形式的橋相比,具有顯著可撓的特點。在整個施工過程中,懸索橋結構的幾何形狀變化較大。

2)懸索橋結構幾何形狀對溫度變化非常敏感,溫度變化將引起懸索橋結構幾何形狀的較大改變。

3)施工各階段中消除誤差比較困難。在懸索橋的施工過程中,主纜一旦施工完畢,無法調整其長度,而且吊桿的長度也無法像斜拉橋施工中對斜拉索的重複張拉那樣進行調整,僅可通過墊片微幅調整。

4)其他一些隨機因素的影響。由於懸索橋施工方法和過程的特殊性,在施工階段,懸索橋結構容易出現結構的不穩定和結構構件應力的超限。施工控制時必須密切監控以下3個方面:

首先,懸索橋在施工階段時,加勁梁之間先上緣臨時鉸接、下緣張開,等到加勁梁全部吊裝完畢,再將臨時鉸接變為剛接。在吊樑的某些階段,顫振失穩的臨界風速可能大大低於成橋狀態的臨界風速。尤其在本橋施工控制中應該對這種臨界風速密切關注。

其次,懸索橋的吊樑與鞍座頂推不同時進行,在吊梁時,塔頂鞍座與塔頂在水平方向臨時約束,隨著吊樑的進行,塔頂與鞍座一起發生位移,塔根承受一定的彎矩,可能使得塔根應力超限。為了避免該問題,吊樑到一定程度,就要釋放塔根的彎矩一次。具體的作法是用千斤頂調整塔頂鞍座與塔頂之間的相互位置,使塔頂回到原來沒有水平位移時的狀態。

最後,實際施工中,為了減少在惡劣氣候條件下現場焊接的工作量,總是期望能一次安裝較長的節段(為了增加加勁梁結構的抗風穩定性,常把幾個加勁梁先焊成一剛性相連段,即這幾塊加勁梁段的施工是一邊吊裝一邊剛接成乙個較長的節段)。但如果一次安裝的節段長度太大,則節段最外側的吊索可能超載、加勁梁的彎曲應力產生超限。

1.1.2 大跨度懸索橋施工控制的計算理論、方法和實施步驟

懸索橋的計算理論經歷了彈性理論,撓度理論以及目前的有限位移理論。在彈性理論中,假定荷載使結構構件變形的影響可以忽略不計,主纜的幾何形狀僅由滿跨均布的恆載決定,其線形為二次拋物線。在撓度理論中,忽略吊桿的傾斜與伸長,纜索節點的水平位移,加勁梁剪下變形等因素的非線性影響,把懸索橋的全部吊桿近似看成一種連續的「膜」,這樣懸索橋的受力分析就成為一種僅受分布荷載的索的分析。

在有限位移理論中,根據假定的單元變形與節點位移之間、單元內力與外力之間關係的不同,又可分為線性化有限位移理論、非線性化有限位移理論以及大位移理論[5,6]。

用有限元方法計算懸索橋的原理為:事先假定主纜、吊索等構件的無應力尺寸及鞍座等的預偏量,通過模擬施工過程,分期施加荷載,逐步形成和轉換體系,得到成橋狀態的有關結構幾何形狀引數,並與設計成橋狀態幾何形狀控制引數進行比較,在不滿足精度要求的條件下,修改假定值,重複上述計算直至滿足精度要求為止。其計算的流程一般為:

首先進行施工全過程大迴圈迭代,確定主纜,吊桿等部件的下料長度和空纜在自重作用下的初始位置;其次進行施工過程正向計算,計算出在施工階段控制點標高、位移量、內力和應力結構狀態。

懸索橋施工控制應包括以下4個主要方面:(1)形成乙個精確的理想狀態;(2)配備一套完善的實時跟蹤分析系統;(3)設立一套精確的量測系統;(4)建立誤差分析與反饋控制系統。

其中,第一部分是施工控制的基礎,建立理想狀態時,任何可能的誤差都將導致成橋時結構受力或線形不可恢復的改變。第二部分是解析實際施工中結構所處狀態的關鍵,與第三部分分配也可以得到並累計誤差資訊,提供給第四部分分析,由此提出控制或糾偏方案。第

三、四部分除管理目標與斜拉橋(或其它橋型)施工控制不同外,分析理論與實現手段是一致的。

1.1.3 大跨度懸索橋施工控制的內容

懸索橋的施工控制分析要考慮的因素很多。一般說來要考慮結構的實際截面尺寸和材料特性、施工中的結構實際受力體系、施工中的結構實際溫度場、施工中結構承受施工荷載的變化以及主纜初始位置、索鞍位置調整、主梁吊裝和固結次序的影響等。總之要密切聯絡索橋的實際狀態。

懸索橋的施工控制與現在國內已趨成熟的斜拉橋施工控制有所不同。懸索橋在施工過程中一旦主纜安裝就位,主纜內力、撓度完全取決於結構體系(索鞍主梁連線情況)結構自重施工荷載和溫度的變化,不能象斜拉橋那樣進行後期索力和標高調整,因此,主纜無應力下料長度,主纜在自重作用下的初始安裝位置(索鞍初始預偏量主纜初始垂度和線型)成為懸索橋施工控制技術的關鍵。另外,由於吊桿與主梁主纜的連線方式與斜拉橋的拉索連線方式不同,主梁節段由跨纜起重機起吊到預定位置安裝吊桿。

吊桿本身一般不另外配置千斤頂調整其內力,跨纜起重機移開後再要大幅度調整吊桿內力和長度是不現實的.因此不能指望由吊桿來大幅度調整主纜和橋面標高。可見吊桿無應力下料長度和主梁初始安裝位置也是懸索橋施工控制技術的重點。懸索橋在施工過程當中要隨時觀測主纜垂度橋面標高和塔頂水平位移,計算並預告下一樑段的安裝標高以及索鞍在塔頂上推移的時間和推移量。

以確保施工安全和成橋後交付使用時橋面標高主纜垂度索鞍位置各構件內力狀態符合或最接近設計要求。由上述得到懸索橋施工控制體系分析軟體主要包括兩大部分。其一是倒退迴圈分析,通過多次大迴圈的倒退和前進分析確定主纜備料長度和空纜在自重作用下的初始位置(包括垂度和曲線座標);其二是實時跟蹤分析,根據實際觀測結果分析識別結構實際引數並計算各施工階段控制點標高、位移量、內力和應力的理論值。

懸索橋施工過程中需要進行主纜垂度、加勁梁標高、索塔傾斜度、索鞍位移等的施工監測與控制,使結構各施工階段的實際狀態最大限度地接近設計理想狀態。

其中,施工控制第一階段為主纜的安裝過程。其主要任務是保證主纜在自重作用下的初始安裝位置達到設計理想狀態。而主纜的安裝過程時先進行基準索股的安裝,再以基準索股作為參照來進行其餘索股的安裝,因此,基準索股的安裝是施工控制的第一階段裡的關鍵任務。

在基準索股第一次安裝後,連續觀測其線形變化,對觀測資料採用灰色理論[7]、卡爾曼濾波法等理論**其發展變化,**出以後時段基準索股的線形,把它與設計理論狀態進行比較後,對其線形進行適當調整。這一過程反覆進行多次,直到基準索股的線形達到設計理想狀態,然後進行其餘索股架設安裝;主纜成形後,進行加勁梁的安裝。

施工控制第二階段即為加勁梁安裝階段,該階段須隨時觀測主纜線形、橋面標高和塔頂位移,計算並**下一時段的主纜線形、橋面標高、塔頂水平位移及主索鞍頂推階段和頂推量,以確保施工安全和成橋時橋面標高、主纜垂度、索鞍位置、各構件內力大小最大限度地接近設計理想狀態。

因此,施工前計算的重點應放在提高主纜、吊索、加勁梁段的無應力尺寸或長度及鞍座、索夾等預偏量的計算精度上;施工中控制的重點應放在消除懸索橋主塔、主纜的施工誤差對加勁粱架設、合龍、線形控制的影響上。

2.1工程概況

***長江公路大橋位於安徽省東部,起自巢湖市和縣姥橋鎮省道206,接規劃中的***至合肥高速公路,跨江後進入***市,終點止於***市當塗縣牛路口(皖蘇界),與規劃中的***至溧水公路(江蘇段)相接,路線全長約36.14公里。其中跨江主體工程長11公里,南岸接線長19.

49公里,北岸接線長5.65公里,專案總投資約70.8億元。

***長江公路大橋左汊懸索橋兩跨主纜跨度為1080m,矢跨比為1/9,背纜跨度為360m,中、邊塔頂處主纜jd高程均為+178.3m,主纜理論散索點高程均為+30.0m,兩根主纜橫橋向中心間距為35m。

吊索設定於兩個主跨,標準間距16m,加勁梁為流線型扁平鋼箱梁結構,全寬38.5m(含風嘴),結構布置圖見圖1。

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