考虑几何非线性的斜拉桥自适应施工监控方法研究

陈黎明，龙勇彪

(1.湖南省溆怀高速公路建设开发有限公司，湖南怀化418000;2.湖南交通国际经济工程合作公司，湖南长沙410011)

0 引言

在过去的40多年里，随着计算理论与技术的不断发展，施工方法的不断改进以及新材料的大胆采用，斜拉桥的建设取得了迅猛发展。并且斜拉桥的建设过程中，结构的跨径呈现出不断扩大的趋势。在20世纪90年代的10 a里，斜拉桥的跨度从490 m增加到了890 m，2008年苏通大桥跨度达1 088 m。已有学者大胆预测将来可望修建主跨1 200 m的斜拉桥［1］。随着斜拉桥跨径的不断加大，无论对计算理论还是施工方法都提出了更高的要求。

一方面，在计算理论上，由于跨径的不断加大，单孔主缆长度不断加大，斜拉索的长度不断加长，桥塔不断增高，斜拉桥结构呈现出了新的力学特点，即:在结构计算中要考虑到结构存在的几何非线性。而在建设的过程主要呈现了如下问题:桥梁结构体系及桥位所处的环境较为复杂、施工过程中结构刚度较低、结构在施工过程中的安全性问题较突出、影响成桥状态实现的因素更为复杂等鲜明特点。由于大跨度斜拉桥结构体系在计算理论和施工方法上存在着上述特性，从而使得斜拉桥的施工控制难度增大。

另一方面，斜拉桥的几何非线性主要存在于斜拉索的垂度效应、索塔与主梁之间的梁塔效应以及主缆在受力过程中的大位移效应等几个方面。针对上述问题，国外学者研究表明斜拉索垂度效应可用弹性模量的等效来考虑、梁柱之间的相互作用效应可用稳定函数计算、结构大位移的影响则可用拖动坐标法来处理，并用增量-迭代方法求解非线性方程［2］。然而，随着斜拉桥跨度的不断加大(拉索不断加长)，该结构在施工过程表现出较强几何非线性，且该特性对斜拉桥施工过程的精度控制有较大的影响。因此，有必要建立更为精细的斜拉桥计算理论来保证斜拉桥施工过程有较高的精度，保证全桥能顺利合龙。

基于上述两方面的考虑，在对大跨度斜拉桥自适应施工控制理论与方法进行系统研究的基础上，考虑到结构几何非线性对斜拉桥结构的施工控制精确有较大影响，本文提出考虑几何非线性的大跨度斜拉桥自适应施工控制理论方法，并将该方法运用于某大跨度斜拉桥的施工控制过程中。这种单元形式。施工中，大跨度斜拉桥的斜拉索处于较低应力水平，且结构位移大，有必要引入高精度的悬链线单元对斜拉桥进行施工过程分析。

基于上述考虑，本文在非线性问题上提出如下两种做法:①几何非线性分析基于CR列式全量法;②采用悬链线索单元模拟斜拉索应用于斜拉桥施工过程计算。

2考虑几何非线性因素的自适应施

构施工过程中的参数识别，从而判断结构态，进而通过调整斜拉索索力来调整结构线形，同时运用灰色控制理论［7］对后续施要给出的斜拉索初始张力和立模标高进行测。特别指出，本文的自适应控制方法是提到的处理非线性问题两种特定方法，并理论:稳定性理论，时变理论，最优控制理论理论、误差传播理论等。该系统的基本实过程中。

图1 斜拉桥自适应施工控制实施流程

3 工程背景及误差调整实施效果

3.1 工程背景

布置及构造:主桥为(52+105+320+105+48)m的双塔混凝土斜拉桥，采用半漂浮体系，主梁采用(纵向及横向)预应力混凝土结构。主梁采用梁板断面，顶面设有双向2%横坡。主梁边缘梁高2.5 m，中心梁高2.73 m，桥宽26.9 m。标准梁段长8.0 m，横隔板间距为8.0 m，标准梁段的顶板厚32 cm，索塔两侧梁段顶板加厚到40 cm;标准梁段边肋宽2.0 m，索塔两侧梁段加宽至4.1 m，涪陵侧梁端加厚至3.2 m，丰都侧梁端加厚至4.1 m，主跨跨中设2.0 m现浇梁段作为合龙段。标准横隔板的腹板厚40 cm，索塔处，辅助墩处横隔板厚2.0 m，过渡墩处横隔板厚2.5 m。

斜拉索:斜拉索采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索，根据索力的不同，采用PES7-109，PES7-121，PES7-127，PES7-139，PES7-151，PES7-163，PES7-187，PES7-199，PES7-211，PES7-223，PES7-241等11种规格，全桥共152根斜拉索。标准索距8 m，最长索约182.4 m，单根最大重量为13.283 t。

3.2 理论计算建模及仿真计算工况

全桥施工控制理论计算建模把该桥离散为平面杆系结构，主梁离散为172个梁单元，全桥离散为394个单元，310个节点，挂篮也离散为结构单元参与整体受力，计算简图如图2所示。

图2 某斜拉桥施工控制计算简图

全桥仿真理论计算工况为23大工况，若干个小工况。具体施工计算工况流程如下:①依次施工下部结构(桩基承台、辅助墩、过渡墩以及下索塔)、上索塔、主梁0号块以及1号块，并上挂篮;②上2号梁段(不计自重)，当前斜拉索安装并进行第1次张拉;③2号梁段施工一半，当前斜拉索进行第2次张拉，将2号梁段施工完毕;④张拉预应力，并对当前斜拉索进行第3次张拉;⑤挂篮前移至当前梁段，按照步骤②～④施工3～18号梁段(上13号梁段前应先施加向上的千斤顶顶力，后安装辅助墩支座并去除千斤顶顶力;上14号梁段前应进行索力的调整);⑥边跨挂篮拆除，中跨挂篮前移、用水箱压重并进行临时锁定;⑦中跨合龙并撤除水箱压重，张拉预应力，拆除临时固结以及中跨挂篮;⑧上二期恒载，考虑后期(10 a)收缩徐变。

施工过程中，由于各种因素(材料的弹性模量、混凝土收缩徐变、结构自重、施工荷载、温度影响、结构分析模型误差及测量误差等)的随机影响，结构的初始理论设计值难以做到与实际测量值完全一致，两者之间会存在偏差。应及时通过对结构施工过程中的关键参数的调整来有效的调整偏差，以保证设计成桥的内力和线形状态的实现。

根据该桥主桥结构和施工方法的特点，施工监控中以自适应施工控制思路作为指导思想。监控工作内容主要包括各梁段立模标高、主梁施工时梁端定位标高、各施工阶段下主梁及主塔轴线偏位和变形情况、斜拉索力及其变化值、各施工阶段下各控制截面的应力应变、主墩沉降值及水平位移值、成桥状态下控制截面应力等数据的采集和控制分析。通过对这些参数监控和误差识别来判断结构的状态并指导后阶段施工，从而实现施工过程的自适应控制。

3.3 理论控制数据计算

本桥采用桥梁设计与计算控制分析系统进行一系列理论控制数据的计算，该计算系统的编制考虑了上文提到的针对几何非线性的两种处理方法。所做的计算主要包括以下几个方面:

1)各施工梁段的安装索力和立模标高;

2)各个施工梁段的状态变量值(包括分成张拉索力);

3)挂篮前移后、混凝土浇筑完成后及最后一次张拉后斜拉索索力、主梁测点标高值及塔顶的偏位值;

4)斜拉索最后一次张拉后主梁和塔上施工中的控制截面应力和应变值;

下面是成桥状态下的全桥索力(见图3)、标高、主梁弯矩(见图4)及控制截面应力值(见图5)、塔顶偏位(见图6)及主塔控制截面应力应变值(见图7、图8)。

图3 成桥状态下全桥索力

图4 成桥状态下主梁计算弯矩

图5 成桥状态下主梁控制截面应力

图6 各施工阶段主塔偏位累计值

图7 成桥状态下tower1控制截面应力

图8 成桥状态下tower2控制截面应力

4 结论

1)本文首先对考虑几何非线性因素的斜拉桥计算方法进行了详述，并提出了将自适应的施工控制技术运用于斜拉桥施工控制的思路。

2)运用自行编制的斜拉桥有限元计算程序并在程序中考虑大跨度斜拉桥存在的几何非线性因素对某斜拉桥的施工过程及成桥状态进行理论计算。

3)将理论计算数据得到的斜拉桥各施工状态的索力及主梁的立模标高运用于施工监控中，得到的成桥状态内力与线形与设计成桥状态吻合。

4)理论计算和施工实践表明考虑几何非线性因素的斜拉桥自适应控制方法运用于大跨径斜拉桥施工控制能保证合理成桥状态的实现。

［1］Virlogeux M.Recent evolution of cable-stayed bridges［J］.Engineering Structures，1999，21:737-755.

［2］FLEMING JF.Nonlinear Static Analysis of Cable-stayed Bridge Structures［J］.Computers＆Structures，1979，10(1):621-635.

［3］李传习，夏桂云，刘光栋，等.大跨度桥梁结构计算理论［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］李传习.混合梁悬索桥非线性精细计算理论及其应用［D］:长沙:湖南大学，2006.

［5］秦顺全，等.桥梁施工控制-无应力状态法理论与实践［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［6］赵文武，强士中，沈锐利.预应力混凝土斜拉桥自适应施工控制分析［J］.工程力学，2006(2):78-83.

［7］颜东煌.斜拉桥合理设计状态确定与施工控制［D］.长沙:湖南大学，2001.