沌口长江公路大桥主桥施工控制技术

作者：郑建新田唯翁方文

单位：中交第二航务工程局有限公司

摘要：沌口长江公路大桥主桥为主跨760m双塔双索面纵向半漂浮体系钢箱梁斜拉桥。该桥施工控制采取全过程自适应控制理念, 由理论分析得到关键构件无应力参数, 并进行高精度制造控制, 主梁匹配过程中, 由梁段间无应力夹角控制匹配梁段在局部坐标系下相对关系, 采用“一次到位”施工及控制流程优化节段循环施工工艺, 利用三维激光扫描仪进行合龙口的连续观测, 有效缩短了施工工期并节省了测试工作量, 保证了线形平顺性, 实现了结构最终控制的目标状态, 取得了良好的控制效果。

关键词：桥梁工程斜拉桥钢箱梁自适应控制优化施工技术

作者简介：郑建新, 硕士, 工程师, E-mail:173240029@qq.com;
基金：中国交建科技项目:宽幅大跨度长江大桥建设技术研究 (2012-ZJKJ-16);

1 工程概况

沌口长江公路大桥跨江主桥为跨径布置 (100+275+760+275+100) m双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥。钻石形索塔高233.7m。PK钢箱梁含风嘴总宽46m, 梁高4.0m, 共127个节段, 标准节段长12m, 标准横梁间距3.0m, 全桥共设置240根 1 860MPa平行钢丝斜拉索。主桥桥型布置如图1所示。

图1 沌口长江公路大桥主桥桥型布置 (单位:m)

Fig.1 Overall layout of main bridge of Zhuankou Yangtze Bridge (unit:m)

2 施工控制思路

2.1 控制的目标状态

施工控制的目的是通过控制手段保证实际结构在施工过程中的受力和变形始终处于可控、安全及合理范围内, 且成桥后, 结构线形、内力大小和分布与设计目标相吻合。

对于大跨度斜拉桥, 设计阶段一般明确了设计线形和成桥目标索力。沌口长江公路大桥成桥目标索力为设计成桥索力, 成桥目标线形为:

H_c=H_z+H_q+H_s (1)

式中:H_c为成桥目标线形;H_z为控制点在设计图中的标高值;H_q为一半活载效应的反拱值;H_s为使用阶段徐变效应的反拱值。

2.2 控制思路

沌口长江公路大桥主桥结构及施工具有以下特点:①上部结构钢箱梁除塔区及墩顶节段采用支架施工外, 其余采用全悬臂吊装, 悬臂长, 影响线形及内力控制的因素较多;②南、北塔及边、中跨桥面吊机等临时荷载不对称, 增加了控制难度;③结构跨度大, 几何非线性效应明显。

针对沌口长江公路大桥结构及施工特点, 施工控制采取全过程自适应控制理念, 即通过对结构构件制造和安装等关键环节的全过程高精度控制, 从而实现结构最终控制的目标状态。具体思路为:①以几何控制为指导原则;②制造阶段, 严格按照主梁及斜拉索等构件的无应力构形进行结构构件的制造;③架设阶段, 根据施工全过程仿真分析得到主要结构参数误差因素, 确定初始架设参数, 加强监测, 并依靠索力等主动调节悬臂架设线形, 消除架设过程中累积误差, 最终满足无应力合龙要求。

3 施工控制关键技术

建立该桥的空间有限元分析模型, 对结构的施工过程、构件制造、匹配、张拉措施等进行全面分析, 以实现控制的目标状态。

3.1 构件制造参数确定

构件制造参数包括梁段无应力制造尺寸和斜拉索无应力制造长度。

梁段无应力制造尺寸由顶、底板及中性轴处长度构成, 取决于制造线形、梁段空间长度与水平长度L₀的差值 (倾斜修正) 、梁段在轴向力作用下产生的弹性压缩量 (压缩修正) 等相关参数。梁段制造尺寸如图2所示, 其向塔侧为匹配端。图中L_c为梁段中性轴处制造长度, L_t为顶板制造长度, L_b为底板制造长度, α为相邻梁段间夹角。

图2 梁段制造尺寸

Fig.2 Manufacture dimensions of girder block

根据无应力状态理论, 梁段无应力制造线形为:

$Η_{m} = Η_{c} - Η_{v} (2)$

式中:H_m为制造线形;H_c为成桥目标线形;H_v为按切线位移法获得的成桥竖向累积位移。可按一次成桥计算得到主梁的制造线形, 具体步骤为:①以设计线形和成桥索力建立一次成桥模型;②进行活载和徐变效应的计算;③获得成桥目标线形, 以该线形修正一次成桥模型中主梁节点坐标;④将成桥目标线形叠加, 按该线形一次成桥计算的累积位移, 即得到梁段无应力制造线形。沌口长江公路大桥主桥主梁无应力制造线形如图3所示, 图中横坐标0位于中跨跨中。

图3 主梁无应力制造线形

Fig.3 Unstressed manufacture linear shape of the main girder

梁段无应力制造线形确定后, 即可由梁段两端控制点坐标计算得到倾斜修正量ΔL₁。

梁段的压缩修正量为:

$Δ L_{2} = F L / E A (3)$

式中:ΔL₂为轴向压缩修正量;F为轴力;L为节段中性轴处长度;E为材料弹性模量;A为截面积。

倾斜修正量ΔL₁和压缩修正量ΔL₂是确保成桥梁上锚点纵坐标处于设计位置的关键。

梁段中性轴处制造长度, L_c=L₀+ΔL₁+ΔL₂。

制造线形确定后, 由控制点坐标求得梁段i-1与水平轴的夹角α₁、梁段i与水平轴的夹角α₂, 梁段匹配角度α=α₂-α₁。L_t, L_b便可确定。

钢箱梁在制造厂内胎架上分轮次制造, 每7个节段为1轮。单元件在胎架上组装焊接前, 按制造线形和制造工艺进行胎架线形验收。同一轮次节段制造完成后, 严格按制造线形进行预拼装并验收后方可进行下一轮次制造。同时, 前端梁段作为匹配段参与下一轮次预拼装。

进行斜拉索无应力制造长度计算时, 塔端锚点坐标同样需考虑压缩和徐变修正。以梁段无应力制造线形、梁段修正量、塔端锚点修正量及成桥索力, 建立一次成桥模型, 得到成桥塔端和梁端锚点坐标, 按悬链线理论计算得到斜拉索无应力长度。斜拉索制造完成后在张拉槽内进行张拉测试, 并做无应力长度标记。

3.2 主梁悬臂安装控制

沌口长江公路大桥主桥悬臂安装控制的重点为梁段的匹配和斜拉索张拉。

3.2.1 梁段匹配技术

理论梁段匹配标高可由无应力制造线形为坐标建立施工阶段计算模型, 采用切线位移法分析, 梁段自重以荷载形式施加, 模拟梁段匹配时先生成无重的梁段单元, 再施加梁段自重。无应力制造线形对应的高程叠加梁段单元生成时的累积位移即为理论安装标高。

实际结构的安装不可避免地受到参数误差及已成梁段误差影响, 而钢箱梁匹配时, 需控制梁段间无应力转角来保证线形平顺性。在制造及安装施工过程中, 每个梁段顶板前端横隔板位置设置控制点, 若相邻3个梁段控制点坐标分别为 (x₁, z₁) , (x₂, z₂) , (x₃, z₃) , 各梁段控制点水准尺读数分别为W₁, W₂, W₃, 相邻梁段控制点间水平距离分别为d₁, d₂, 相邻梁段控制点连线与水平线间夹角分别为γ, β, 相邻梁段控制点连线间夹角为ε, 如图4所示。

图4 梁段匹配

Fig.4 Matching for girder block

${\begin{cases} γ = \arctan (\frac{z_{1} - z_{2}}{d_{1}}) \\ β = \arctan (\frac{z_{3} - z_{2}}{d_{2}}) \end{cases} (4)$

控制悬臂安装过程线形的平顺性, 即控制夹角ε, 使其保持为无应力制造线形中的角度。则:

$\begin{array}{l} γ + β = \frac{W_{2} - W_{1}}{d_{1}} + \frac{W_{2} - W_{3}}{d_{2}} (5) \\ W_{3} = - \frac{d_{2}}{d_{1}} \cdot W_{1} + (1 + \frac{d_{2}}{d_{1}}) \cdot W_{2} - (γ + β) \cdot d_{2} (6) \end{array}$

在梁段匹配过程中, 测得已成梁段i-2, i-1的控制点水准尺读数, 由无应力制造线形确立的梁段各夹角量, 即可获得待匹配梁段在局部坐标系下的水准尺读数值。

3.2.2 “一次到位”张拉控制

目前国内大跨钢箱梁斜拉桥节段安装工艺流程中, 斜拉索仍采用多次张拉, 以控制钢箱梁施工期受力, 标准节段施工周期约5d。沌口长江公路大桥钢箱梁采用全悬臂架设方案, 半跨节段数量达29榀, 按传统工艺流程效率低, 且钢材的允许应力幅较大, 传统工艺不能充分发挥结构特点。

为此, 系统地优化了钢箱梁节段安装工艺流程 (见表1) , 在前期结构安全分析和精确获取结构制造无应力尺寸的基础上, 斜拉索采用一次张拉至成桥目标索长, 同时, 调整当前节段参数识别时机至与下一节段精匹配同时进行。“一次到位”张拉控制流程施工过程主梁应力包络图如图5所示。

表1 节段安装工艺流程优化

Table 1 Process optimization of segment installation

时间	传统工序	优化工序
N	i-1梁段焊接, 斜拉索挂索	i-1梁段焊接, 斜拉索挂索
N+1	白天:斜拉索一次张拉→桥面吊机前移	白天:斜拉索一次张拉至成桥目标索长→桥面吊机前移→i梁段吊装、初匹配
N+1	夜间:斜拉索二次张拉→参数识别	夜间:i-1梁段参数识别→i梁段精匹配
N+2	白天:i梁段吊装、初匹配夜间:精匹配	—

图5 施工过程主梁应力包络图 (单位:MPa)

Fig.5 Stress envelope of girder block in construction stage (unit:MPa)

“一次到位”张拉控制技术在沌口长江公路大桥中应用表明, 施工期钢箱梁应力极值为 -98.0MPa, 斜拉索安全系数≥2.50, 结构受力处于合理范围。采用优化工序, 斜拉索一次到位张拉时以成桥无应力索长进行控制, 不受温度等因素影响, 同时, 相对于传统工序, 减少了斜拉索二次张拉工况, 在满足安全及安装精度的条件下, 减少了安装测试工作量, 节段安装周期为4d/轮次, 明显优于传统工艺5d/轮次, 该项技术为项目累计缩短工期约30d。

3.3 中跨合龙控制

沌口长江公路大桥中跨采用单侧起吊合龙段、单侧顶推辅助合龙, 在合龙段下料前的合龙口形态连续观测过程中, 采用三维激光扫描仪测试技术。

3.3.1 合龙口三维激光扫描仪测试

为确定合龙段基准温度下精确下料长度, 中跨最大悬臂节段施工完成后进行了合龙口间距、标高、转角、温度等36h连续观测。在合龙口顶、底口连续观测过程中, 采用三维激光扫描仪进行测试。

测试前, 在钢箱梁顶、底口设置测点标靶, 同时在合龙口两端顶板设置固定标靶。激光扫描仪在测站处调平后, 建立测量项目及测站号, 对每一测站扫描范围内的测点标靶、固定标靶进行扫描并获得标靶中心坐标值, 继而得到合龙口间距值。三维激光扫描仪测试布置如图6所示。

图6 三维激光扫描仪测试布置

Fig.6 Layout of 3D laser scanner test

采用三维激光扫描仪测试技术提高了测试的自动化和智能化, 极大地减少了人工测试工作量, 获得较好效果。

3.3.2 中跨合龙实施

沌口长江公路大桥主桥中跨合龙段按设计长度预留修正量提前在厂内完成制造, 再根据实测数据计算得到的设计基准温度下合龙段精确制造长度, 于厂内下料后运至现场安装。

合龙纵向顶推装置设置于沌口侧塔区位置, 兼具纵向约束功能, 由钢箱梁阻尼纵向约束底座、纵向约束支撑杆、撑脚、牛腿、顶推千斤顶等部分组成。纵向约束及顶推装置布置如图7所示, 具备纵向最大顶推20cm、最大顶推力5 720kN的顶推能力。

图7 纵向约束及顶推装置布置

Fig.7 Layout of vertical restraints and pushing devices

沌口长江公路大桥于2017年6月5日下午进行了单侧主梁纵向顶推及合龙段吊装, 根据合龙段喂梁时的温度和操作安全需要, 实测最大顶推量约14cm。6月6日凌晨顺利实现中跨合龙, 合龙段轴线5mm, 标高与目标值的偏差为2mm。

4 结语

1) 沌口长江公路大桥主桥采取全过程自适应控制理念, 以几何控制为指导原则, 严格按照主梁及斜拉索等构件的无应力构形进行结构构件制造, 在架设阶段根据分析得到主要结构参数误差因素及架设参数, 依靠索力等主动调节悬臂架设线形, 最终高精度实现全桥合龙。

2) 主梁匹配过程中, 由无应力制造线形确立的梁段间夹角, 控制匹配梁段在局部坐标系下相对关系, 保证了线形的平顺性。

3) 采用优化的“一次到位”施工及控制流程, 简化了节段循环施工工艺, 有效缩短了施工工期。

4) 采用三维激光扫描仪测试技术进行合龙口连续观测, 减少了人工测试工作量, 获得了较好的实施效果。

参考文献

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