斜拉橋索力優(yōu)化與調(diào)整

1、 1同濟大學橋梁工程系肖汝誠 2二.三.一. 工程背景工程背景 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 內(nèi)力調(diào)整施工方案的實施內(nèi)力調(diào)整施工方案的實施四.五.既有預應力混凝土斜拉橋內(nèi)力調(diào)整的理論基礎既有預應力混凝土斜拉橋內(nèi)力調(diào)整的理論基礎 觀測方法的評價與調(diào)索后結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)評估觀測方法的評價與調(diào)索后結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)評估 3預應力混凝土斜拉橋內(nèi)力調(diào)整的現(xiàn)狀和工程實例 委內(nèi)瑞拉馬拉開波（Maracaibo）橋 英國的Wye橋 4預應力混凝土斜拉橋內(nèi)力調(diào)整的現(xiàn)狀和工程實例 上海新五橋 廣州海印橋 5預應力混凝土斜拉橋內(nèi)力調(diào)整的現(xiàn)狀和工程實例已有的調(diào)整理論過于復雜，不易操作。當前該領域還需解決的問題：采用的模型與實際結(jié)構不符

2、，造成的誤差；缺乏對結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)的一整套評估方法，以及是否進行內(nèi)力調(diào)整的決策系統(tǒng)； 6背景工程橋梁上虞市人民大橋 7上虞市人民大橋結(jié)構簡圖 新區(qū)（西）14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14背景工程橋梁 8靜載試驗中，箱梁內(nèi)裂縫有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。檢測后發(fā)現(xiàn)人民大橋主要存在的問題：結(jié)構形態(tài)與設計存在較大偏差；與設計相比，拉索有卸載現(xiàn)象，而且卸載量不平衡；背景工程橋梁 9工作內(nèi)容確定既有橋梁內(nèi)力調(diào)整的合理目標內(nèi)力狀態(tài)；對結(jié)構檢測數(shù)據(jù)進行整理分析，識別既有橋梁的結(jié)構參數(shù)；評估當前結(jié)構內(nèi)力，以確定是否對結(jié)構內(nèi)力進

3、行調(diào)整；從理論上解決從當前結(jié)構的內(nèi)力狀態(tài)到調(diào)整的目標內(nèi) 力狀態(tài)的具體實用調(diào)整方法；解決內(nèi)力調(diào)整施工中的具體問題 ；對內(nèi)力調(diào)整后的結(jié)構狀態(tài)進一步評估。 10預應力混凝土斜拉橋結(jié)構參數(shù)的識別 參數(shù)永存預應力結(jié)構恒載支座反力斜拉索索力 11預應力混凝土斜拉橋結(jié)構參數(shù)的識別 參數(shù)識別中遵循：盡可能真實地模擬當時的施工情況（包括施工方案、節(jié)段重量、施工中拉索索力、定位標高、橋面線形等）模擬從施工到運營至今橋梁發(fā)生的收縮徐變情況 12結(jié)構當前受力狀態(tài)的確定與評估-125-100-75-50-250255075100125-202468101214 上緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主

4、力組 合最 大應力-125-100-75-50-250255075100125-10-8-6-4-20246810121416182022 下緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力-2000-1000010002000300040005000-10010203040506070塔高（m）塔內(nèi)彎矩（tm） 13合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 1、已有的斜拉索索力優(yōu)化方法：指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化法 斜拉索索力的無約束優(yōu)化法 斜拉索索力的有約束優(yōu)化法 2、針對既有混凝土斜拉橋索力優(yōu)化方法針對橋梁設計目標：通過調(diào)索使主梁上若干點標高滿足設計要求控制條件：實際內(nèi)力逼進設計內(nèi)力

5、解決思路：建立設計內(nèi)力和調(diào)索后實際內(nèi)力差值的余能表達式，以差值最小作控制條件求滿足達到指定標高時索力增量，與原索力疊加得優(yōu)化后的拉索索力 14合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 確定目標狀態(tài)的原則：使主梁、主塔內(nèi)應力較小，且比較均勻應力峰值應得到控制：控制正應力和主應力，滿足規(guī)范要求以當前實測索力變化較小為原則，盡量減小當前索力調(diào)整的工作量，避免對結(jié)構產(chǎn)生過大的擾動,并達到結(jié)構內(nèi)力合理為目標邊墩支座反力得到控制調(diào)整后結(jié)構內(nèi)力滿足承載能力的要求 橋面線形得到改善 為防止裂縫進一步開展，限制裂縫處應力 15合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 靈敏度分析：找到不同拉索對主梁內(nèi)應力影響程度選定如上圖的幾個關鍵點進行研究。同時

6、了解索力變化對支座反力的影響 16合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 靈敏度分析結(jié)果：1234567891011121314-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.0對1號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.3-0.2-0.10.0對2號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.3-0.2-0.10.00.10.2對3號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量12345678910111213140.00.10.20.3對5號點上緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.10.00.

7、10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1對1號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8對2號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.6對3號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3對4號點下緣影響量(MPa)拉索索號 影響量1234567891011121314-40-35-30-25-

8、20-15-10-50對邊跨支座反力影響量(t)拉索索號 影響量 17合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 limSSlimGQSSS恒載作用下主梁響應的可行域：恒載作用下主梁正應力的可行域：minmax,minmaxGQminmaxQGQminmax,QQQminminmaxmaxQGQGQSSS 18合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 恒載作用下主梁響應(正應力)的可行域：-100-5005010002468101214161820應力(MPa) 恒載作用下應力上界 恒載作用下應力下界-100-5005010002468101214161820應力(MPa) 恒載作用下應力上界 恒載作用下應力下界-100-5005

9、0100-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5活載應力(MPa) 可變荷載作用下最大應力 可變荷載作用下最小應力-100-50050100-8-6-4-202468活載應力(MPa) 可變荷載作用下最大應力 可變荷載作用下最小應力 19合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 恒載作用下主梁響應(正應力)的可行域：-100-50050100-4-202468101214161820應力(MPa) 恒載作用下應力上界 恒載作用下應力下界 恒載作用下應力-100-50050100-4-202468101214161820應力(MPa) 恒載作

10、用下應力上界 恒載作用下應力下界 恒載作用下應力 20合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 確定結(jié)構合理內(nèi)力狀態(tài)及所對應的拉索索力：E14E13E12E11E10E9E8E7E6E5E4E3E2E1W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10 W11 W12 W13 W1405001000拉索索力拉索索號 目標索力 設計索力 實測索力-125-100-75-50-250255075100125-202468101214 上緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力-125-100-75-50-250255075100125-202468101214 下緣應力(MPa) 主 力組

11、 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力 21合理目標內(nèi)力狀態(tài)的確定 確定結(jié)構合理內(nèi)力狀態(tài)及所對應的橋面標高：-100-50050100-0.20-0.16-0.12-0.08-0.040.000.040.08 調(diào) 整 后 位 移 變 化 實 測 標 高 差 調(diào) 整 后 標 高 差位 移 （m） 22實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分析 問題的理論解決：斜拉橋是高次超靜定結(jié)構，要達到相同的調(diào)整目標，施工中的拉索索力與調(diào)整順序有關！現(xiàn)有的調(diào)整理論過于繁復，而且也有不合理的地方。解決方法拉索的目標索力確定，那么拉索長度改變量是一定的，索力增量也是一定的，與調(diào)整順序無關。 23實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分

12、析 調(diào)索施工方案的限制條件：1 施工方案盡可能簡單易行，通過一次調(diào)索就可達到目標，且調(diào)索順序要便于施工；2 由于受到現(xiàn)場施工條件的制約，不適合大噸位千斤頂工作，因此每步調(diào)索值要限制在千斤頂最大張拉噸位內(nèi)以上要求若不滿足，須更改施工方案（如張拉順序等），或改變目標索力值，然后重新計算，直到滿足要求為止。 24實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分析 不同拉索調(diào)整方案的比較：方案A：從長索依次調(diào)整到短索方案B：從短索依次調(diào)整到長索其他調(diào)整方案：增加工作量 增加調(diào)索施工中拉索的索力 25實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分析 不同拉索調(diào)整方案的比較：調(diào)整的結(jié)果方案A：偏差0.54方案B：偏差0.58調(diào)整中索力方案A：最大30

13、8噸方案B：最大380噸千斤頂最大張拉300噸左右兩者都有可行性 26實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分析 驗算并確定索力調(diào)整方案：（1）調(diào)索結(jié)束后計算索力與目標索力的比較 最大相差5.37t，占該索總力的百分比不足0.6 （2）索力調(diào)整過程中結(jié)構內(nèi)力的驗算 -125-100-75-50-250255075100125-20246810121416上緣應力(MPa) 主 力組 合最 大應力 主 力組 合最 小應力 恒載變 化最 大應力 恒載變 化最 小應力-125-100-75-50-250255075100125-10-505101520下緣應力(MPa) 主 力組 合最 大應力 主 力組 合最 小應

14、力 恒載變 化最 大應力 恒載變 化最 小應力主梁內(nèi)應力 27實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分析 驗算并確定索力調(diào)整方案：（2）索力調(diào)整過程中結(jié)構內(nèi)力的驗算 編號1234567891011121314西462512.6540.8518.8537.9533.3534.8570.5540.7533.6559.9554.1532.9390.8東461.9521.5555.5549.9588.1601.6617.9662.9632.6620.9639.5622585.2444.5主塔內(nèi)應力 索內(nèi)應力 28實現(xiàn)合理目標內(nèi)力的施工分析 小結(jié)：識別了當前橋梁的結(jié)構參數(shù)，并建立相應的計算模型計算當前結(jié)構的內(nèi)力狀態(tài)，找

15、到內(nèi)力調(diào)整的“起始內(nèi)力狀態(tài)”； 根據(jù)既有預應力混凝土斜拉橋的自身特點，確定內(nèi)力調(diào)整的“目標內(nèi)力狀態(tài)”； 解決了從“起始內(nèi)力狀態(tài)”到“目標內(nèi)力狀態(tài)”的理論施工方法。 29結(jié)構的檢查與修復 拉索錨具與錨箱減震器 30拉索的更換更換方案換索的測量1、換索卸載后對臨近拉索索力的影響 2、拉索精確張拉階段的索力監(jiān)測 3、換索后對臨近拉索索力進行測量 31拉索的更換理論驗算-125-100-75-50-250255075100125-20246810121416上緣應力(MPa) 換2號索時主梁內(nèi)應力 換4號索時主梁內(nèi)應力 換6號索時主梁內(nèi)應力 主力組合最大應力 主力組合最小應力-125-100-75-5

16、0-250255075100125-10-8-6-4-20246810121416182022下緣應力(MPa) 換2號索時主梁內(nèi)應力 換4號索時主梁內(nèi)應力 換6號索時主梁內(nèi)應力 主力組合最大應力 主力組合最小應力施工階段應力小于最不利組合應力 32調(diào)索施工中的流程換索后全橋結(jié)構參數(shù)測量i=1否觀測數(shù)據(jù)處理提供當前施工階段調(diào)索索號及索力施工機具就位張拉并按要求錨固拉索，同時記錄相關數(shù)據(jù)環(huán)境隨機振動法測當前調(diào)整拉索及相臨拉索索力i=i+1i14是全橋結(jié)構參數(shù)測量END誤差評估滿足要求否是 33調(diào)索施工中的實施細則在調(diào)索施工中采用YZ-300液壓千斤頂，并在張拉調(diào)整工作前對千斤頂油壓表進行了標定，

17、以保證張拉索力達到設計要求在張拉和錨固拉索中，要求相同索號的8個千斤頂同步均衡進行，并且要緩慢分級張拉，以避免主塔單向受力過大或動載對結(jié)構內(nèi)力有不利影響 在施工中要實施三控，即拉索索力，伸長量和橋面標高 張拉機具就位并開始張拉張拉到啟動油壓q并記錄張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的20%張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的40%張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的60%張拉到錨固油壓m與啟動油壓q差的80%張拉到錨固油壓m持荷5min錨固并記錄錨固油壓m采用環(huán)境隨機振動法測量，校核此時拉索索力 南側(cè) 北側(cè) S N 9 8 7 6 5 4 3 2 1 東(老城)西(新區(qū)) 34調(diào)索施工中的實施細則施工過程

18、中加強觀測，若出現(xiàn)異常情況及時停止施工，并由多方單位共同評估找到解決辦法后再進行下一步施工 除上述要求外，在調(diào)整索力的全過程中都嚴格按照相關規(guī)范、規(guī)程施工，以確保施工的順利進行。 35小結(jié)索力調(diào)整的過程也是在基本理論的基礎上不斷摸索，不斷實踐的過程。只有在實踐中發(fā)現(xiàn)、解決問題才能使理論逐步完善從既有預應力混凝土斜拉橋內(nèi)力調(diào)整的施工角度，闡述了其中面臨的主要問題，并著手解決。從中可以看到，按照前面的方法進行調(diào)索，具有可操作性 36索力測量方法的評價 油壓表讀數(shù)法 傳感器讀數(shù)法頻率法 1、拉索抗彎剛度對振動頻率的影響 2、拉索垂度的影響 3、減振器的影響 索力測量方法的綜述橋面標高變化監(jiān)控測量的評

19、價 37觀測數(shù)據(jù)的分析與此時結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)的評估 調(diào)索后索力分析主梁內(nèi)應力分析 -125-100-75-50-250255075100125-2024681012141618 上緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力-125-100-75-50-2502550751001250246810121416 下緣應力(MPa) 主 力組 合最 小應力 恒載應力 主 力組 合最 大應力 38觀測數(shù)據(jù)的分析與此時結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)的評估 主梁標高變化分析 主塔內(nèi)力與邊跨支座反力分析 測點5項目南北南北南北南北南北南北南北南北調(diào)索后實測標高變化11341313731131137

20、351061019213046理論標高變化12346789塔根部177877326816213329主塔彎矩從4740tm降到1990 tm，降幅達到58%邊墩支座承受226t，在其承載能力范圍之內(nèi) 39觀測數(shù)據(jù)的分析與此時結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)的評估 荷載試驗 按各測試斷面控制內(nèi)力最不利位置布載，測量：主梁和主塔結(jié)構撓度和位移；主梁3個斷面和主塔1個斷面的混凝土應變； 拉索的活載索力。TS3S1S2新區(qū)（西）圖3 主橋應變測試斷面 （單位：cm）632031303050125003502350825700825300500120120圖4-1 箱梁應變測點布置圖 （單位：cm）圖4-2 主塔應變測點布置圖 （單位：cm）2350825700825300500120120圖4-1 箱梁應變測點布置圖 （單位：cm）圖4-2 主塔應變測點布置圖 （單位：cm） 40觀測數(shù)據(jù)的分析與此時結(jié)構內(nèi)力狀態(tài)的評估 荷載試驗 加載工況1800S11800S231303050438018001800S1S23130S1S2313030503050塔中心線S335015001500塔中心線S3350350S3塔中心線1800125005970工況3 S3截面負彎矩加載1800工況1 S1截面正彎矩加載工況2 S2截面正彎矩