京滬高速鐵路矮塔斜拉橋拉索施工中的索力控制

1、京滬高速鐵路矮塔斜拉橋拉索施工中的索力控制摘要:研究日的在矮塔斜拉橋施工過程中，拉索的索力控制至關(guān)重 要。為保證京滬高速鐵路工程天津樞紐津滬聯(lián)絡(luò)線斜拉橋索力張拉施 工的順利進(jìn)行，本文采用了修正的索力計(jì)算公式、影響矩陣法兩種理 論計(jì)算方法指導(dǎo)斜拉索的初張拉、終張拉。研究結(jié)論實(shí)踐證明，理論 計(jì)算方法科學(xué)、合理，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差控制在5%以內(nèi)，且 滿足索力控制要求，對(duì)類似結(jié)構(gòu)的施工及過程控制有著較大的借鑒作 用。關(guān)鍵詞:矮塔斜拉橋拉索索力控制1工程概況京滬高速鐵路工程天津樞紐津滬聯(lián)絡(luò)線特大橋采用三塔雙索面 預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋(見圖1),計(jì)算跨度(64.6+115+115+64.6)m主

2、梁寬度14.4m。中塔采用墩塔梁固結(jié)形式,邊塔采用塔梁固結(jié)、塔墩分 離、橋墩上設(shè)置支座的形式。索塔橫向間距13.4m,采用鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)，實(shí)心截面，梁頂面以上高度為14.0m,高跨比約為1/8.1,塔柱橫向?qū)?度均為2.0m,豎向從塔頂3.0m變寬為梁頂面3.71m,塔柱橫向不設(shè)橫 聯(lián)。主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁邊梁采用連續(xù)梁形式。 斜拉索為橫向雙索面體系,立面采用半扇形布置，每個(gè)索塔設(shè)7對(duì)斜拉 索，拉索規(guī)格為31-75抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，允許疲勞應(yīng)力幅 為250MPa，外部采用熱擠壓PE護(hù)套，在塔端通過鞍座錨固于塔身，兩側(cè)對(duì)稱錨固于梁體，梁上索距4.0m，塔上索距70

3、cm。拉索索力的大小，不僅直接關(guān)系到拉索的受力，同時(shí)還會(huì)影響主 梁、橋塔的受力，故在施工階段及全橋合攏后，準(zhǔn)確測(cè)定拉索的索力并 將其調(diào)整到設(shè)計(jì)允許誤差以內(nèi)，對(duì)保證施工安全及橋梁的受力是非常 重要的;同時(shí)施工過程中的索力控制和量測(cè)，也為日后橋梁的養(yǎng)護(hù)維修 工作提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求斜拉橋拉索張拉分兩次進(jìn)行：初 張拉力為2000kN;全橋合攏后，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)索，至3200kN。2斜拉橋拉索初張拉施工及控制為保證拉索初張拉施工的順利進(jìn)行，使用頻率法進(jìn)行索力測(cè)試，該 法是目前測(cè)量斜拉橋索力的應(yīng)用最廣泛的一種間接測(cè)量方法,通過環(huán) 境振動(dòng)或者人工激勵(lì)使拉索發(fā)生振動(dòng)，傳感器記錄下時(shí)程數(shù)據(jù),并由此

4、 識(shí)別出索的振動(dòng)頻率。然后由索力與固有頻率之間的特定關(guān)系確定索 的拉力。頻率法測(cè)索力分3步進(jìn)行:(1)在環(huán)境激勵(lì)下利用加速度傳感器拾 取斜拉索的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，然后通過頻域分析獲取斜拉索的頻譜圖，據(jù) 此識(shí)別出斜拉索的各階振動(dòng)固有頻率;(2)通過理論分析(解析法與有 限元法)與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定,獲取斜拉索索力與振動(dòng)固有頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān) 系;(3)把實(shí)測(cè)頻率代入上述關(guān)系中,得到實(shí)測(cè)索力?？梢?，頻率法測(cè)索力 是一種間接方法，頻率法的精度取決于高靈敏度拾振技術(shù)以及準(zhǔn)確的 索力、頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系,索力測(cè)試采用JMM-268型雙通道動(dòng)測(cè)儀。采用頻率法測(cè)索力，做了主要三方面假設(shè)。兩端約束為鉸接，實(shí)際工程中由于索兩端錨固于

5、梁和橋塔，邊 界條件介于鉸接與固結(jié)之間，且更接近于固結(jié)；(2)索在自重作用下,會(huì) 產(chǎn)生垂度，而上式忽略了垂度的影響;(3)本橋?yàn)榘崩瓨颍鏖L(zhǎng)較短, 因此需要考慮抗彎剛度對(duì)頻率的影響。動(dòng)測(cè)儀中使用的索力與頻率的關(guān)系式：上式假設(shè)邊界條件為固結(jié)，且考慮了抗彎剛度影響，首先求的參數(shù) A和B,即可得yn,然后根據(jù)已知參數(shù)可得索力T。根據(jù)本橋施工圖及監(jiān)控內(nèi)容，在第612號(hào)塊安裝斜拉索,安裝后 將索力初張拉到2000kN，通過油壓表和單根壓力傳感器來控制張拉力, 保證了張拉控制精度。張拉完成后由監(jiān)控根據(jù)所測(cè)頻率計(jì)算初張拉索 力，校核索力張拉精度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求制定了索力控制目標(biāo):控制每 根斜拉索各股鋼絞線

6、的離散誤差不大于理論值的3%;一對(duì)斜拉索 兩根間的差值不大于整體索力理論值的1%;斜拉索的整體索力誤 差不大于理論值的5%。張拉精度根據(jù)以上所述控制。設(shè)施工控制的張拉力為T0,即由油壓表和單根壓力傳感器確定的 張拉力。從5961號(hào)墩初張拉結(jié)果可知，從表1表3可知，初張拉結(jié) 果誤差均控制在了 5%以內(nèi)。3索力終張拉和二次調(diào)索全橋合攏后,要對(duì)拉索索力進(jìn)行二次調(diào)整，即將全部拉索索力張拉 到3200kN。索力調(diào)整的計(jì)算方法很多，主要有最小二乘法、彎曲能量 最小法、彎矩最小法、影響矩陣法。最小二乘法是使誤差平方和達(dá)到 最小，但需要反復(fù)迭代計(jì)算;彎曲能量最小法是用結(jié)構(gòu)的彎曲余能作為 目標(biāo)函數(shù),彎矩最小法是

7、以彎矩平方和作為目標(biāo)函數(shù)，這兩種方法都要 在計(jì)算中改變結(jié)構(gòu)的模式;影響矩陣法將優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一用索力 變量與廣義影響矩陣表示，可同時(shí)對(duì)多種目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)程序 化計(jì)算非常方便。本文以影響矩陣?yán)碚摓榛A(chǔ),采用約束最優(yōu)方法求 解施調(diào)索力。某截面上,m個(gè)獨(dú)立元素所組成的列向量。這些元素一般由構(gòu)件 中的截面內(nèi)力、應(yīng)力或位移組成。它們?cè)谡{(diào)值過程中接受調(diào)整，以期達(dá)到某種期望狀態(tài)。受調(diào)向量記為:在影響矩陣中，元素可能是內(nèi)力、應(yīng)力、位移等力學(xué)向量中的一 個(gè)，影響矩陣是這些力學(xué)元素混合組成的。從理論上講,只要將單位施 調(diào)向量逐一加到結(jié)構(gòu)上，分別求出相應(yīng)的影響向量，就能形成結(jié)構(gòu)的影 響矩陣。但當(dāng)受調(diào)向量為

8、內(nèi)力時(shí)，由于內(nèi)力無法直接加在結(jié)構(gòu)上，一般 是通過先將相應(yīng)構(gòu)件從結(jié)構(gòu)中“斷開”，并在斷開處施以一對(duì)大小相等 方向相反的單位力來進(jìn)行計(jì)算的。顯然，這樣做破壞了原有的結(jié)構(gòu)形 式。用有限元方法計(jì)算，則每計(jì)算一個(gè)影響向量，就要形成和分解一次 結(jié)構(gòu)剛度矩陣，是很不經(jīng)濟(jì)的。為了減小形成影響矩陣的計(jì)算量，可先 將內(nèi)力元素的影響向量用相應(yīng)位置和方向上桿件的單位強(qiáng)迫變形影 響向量來代替，這樣就不必將構(gòu)件斷開，而可以在同一力學(xué)模型上進(jìn)行 影響向量的計(jì)算。受調(diào)向量與施調(diào)向量的元素相等，這種調(diào)值計(jì)算稱為等變量的調(diào) 值計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足線性疊加時(shí)，有：津滬聯(lián)絡(luò)線特大橋在全橋合攏后，進(jìn)行索力二次調(diào)整，其二次調(diào)整 值按影響矩陣

9、法進(jìn)行計(jì)算,首先用有限元軟件橋梁博士建立全橋正裝 仿真模型，施工階段完全按實(shí)際模擬，調(diào)索順序按先長(zhǎng)索后短索原則， 先調(diào)59墩再調(diào)60墩最后是61墩的順序進(jìn)彳丁。本橋的受調(diào)向量及施 調(diào)向量均為拉索內(nèi)力，根據(jù)有限元模型可求出索力的影響矩陣，根據(jù)上 節(jié)介紹的影響矩陣法理論,可得施調(diào)索力，如表4所示。成橋后二次調(diào)索過程中調(diào)索組根據(jù)油壓表和單根壓力傳感器來 控制張拉力，每張拉一束由監(jiān)控組測(cè)量張拉后索的頻率,根據(jù)頻率與索 力的關(guān)系，求的張拉后的索力，對(duì)索力進(jìn)行校核，以確保拉索二次調(diào)整 的精確。表5表7中所示索力目標(biāo)值3200kN，基頻為全橋二次調(diào)整 完成后全橋拉索通測(cè)頻率，計(jì)算值即頻率法計(jì)算結(jié)果，誤差為計(jì)

10、算值與 目標(biāo)值之間誤差。從測(cè)試結(jié)果可以看出，本橋索力二次調(diào)整結(jié)果誤差 控制在了 5%以內(nèi)。4結(jié)語矮塔斜拉橋是近20年來剛剛出現(xiàn)的，瑞士、日本、韓國等一些國 家率先修建了多座此種類型的橋梁。矮塔斜拉橋是介于剛構(gòu)連續(xù)梁和 斜拉橋之間的一種新梁型，結(jié)構(gòu)受力由梁和索共同分擔(dān)，結(jié)構(gòu)合理，承 載性能優(yōu)越。一般地，矮塔斜拉橋不作二次調(diào)索，在京滬高速鐵路天津 樞紐津滬聯(lián)絡(luò)線斜拉橋索力張拉施工過程中，為達(dá)到精確控制的目的, 深入研究了斜拉索張拉控制的理論及計(jì)算方法，最終采用了修正的索 力計(jì)算公式和影響矩陣法，成功指導(dǎo)了索力張拉，并得到結(jié)論如下。(1)由于本橋吊桿直徑較大,L/D相對(duì)較小，桿件抗彎剛度的影響不 能忽略，傳統(tǒng)的吊桿索力公式不能適用于本橋吊桿，在本橋的監(jiān)測(cè)中對(duì) 索力計(jì)算公式進(jìn)行了修正。為精確控制，在二次調(diào)索之前,針對(duì)目標(biāo)索力根據(jù)影響矩陣法 確定了各索的索力張拉值。實(shí)踐證明，上述理論計(jì)算方法科學(xué)、合理，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的 誤差控制在5%以內(nèi)，且滿足索力