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施工经验 | 斜拉桥斜拉索单根张拉施工控制技术

2018-12-18 14:15
原作者: 朱尚清 来自: 检师学社 收藏 分享 邀请

随着我国桥梁建设的发展,桥梁也逐渐向大跨、轻型的方向发展,斜拉桥正是适应了这一发展趋势而得到了迅速的发展。国内现代斜拉桥的发展已有几十年的时间,但现有已经建成的斜拉桥绝大多数是采用的平行钢丝斜拉索体系, ...

随着我国桥梁建设的发展,桥梁也逐渐向大跨、轻型的方向发展,斜拉桥正是适应了这一发展趋势而得到了迅速的发展。国内现代斜拉桥的发展已有几十年的时间,但现有已经建成的斜拉桥绝大多数是采用的平行钢丝斜拉索体系,采用平行钢绞线斜拉索体系的斜拉桥出现只有几年的时间。但平行钢绞线体系的发展势头相当迅猛,最近国内一些新建的斜拉桥中被广泛应用。平行钢绞线拉索挂索施工的方法通常有两种,一种是斜拉索采用整体张拉的施工方法,另一种则是采用单根张拉成索的施工方法。斜拉索的整体张拉则需要大吨位和大行程的千斤顶,张拉施工的速度较慢。而斜拉索单根张拉的施工方法具有设备轻便,安装速度较快等优点,因此在最近兴建的斜拉桥中被广泛的采用。

1斜拉索单根张拉的施工方法
 
1.1  单根张拉的机理
对于斜拉索而言,斜拉索单根索力离散性(均匀性)是平行钢绞线拉索施工控制的关键,直接关系到斜拉桥施工、运营过程中的质量和寿命[1]。平行钢绞线拉索的单根张拉也是基于这一控制目标而进行拉索的施工控制的。单根张拉时,由于结构的变形,其它钢绞线所持的应力状态会受到影响,影响的程度与梁、索塔的变形程度有关,另外还与锚孔、夹片的加工精度等因素有关。在斜拉索的结构模式中,将第一根拉索张拉至预定的数值将会使得主塔及桥面上已连接的拉索处于一种新的状态。在第二根钢绞线张拉后,由于千斤顶的施加作用而引起结构的进一步变形以及拉索强度的增加,结果地一根钢绞线上的应力将会减小。单根张拉时,根据单根张拉索对已张拉的钢绞线拉索应力的不同影响,先单根张拉的平行钢绞线拉索进行不同程度的超张拉,最终实现整索索力的等值张拉。所谓等值张拉,它是基于锚具相对于梁、塔来说,可以看作一个点,梁、塔受力变形对锚具内各根钢绞线的影响是相等的这一前提。其实现等值张拉的关键是通过安装一种测量设备测试钢绞线上的拉力,以保证在写出最后一根钢绞线上的千斤顶后每根钢绞线的拉力相等。

1. 2  两种平行钢绞线拉索单根张拉的方法
目前国内平行钢绞线拉索单根张拉施工的方法有两种,一种是OVM公司利用传感器来测试索力,张拉时每根钢绞线的控制力按当时传感器的变化值进行控制;另一种是VSL公司利用其对单根张拉的拉索索力逐渐减小的一种非线性关系的经验数据开发的一种特殊的制图软件来实现对拉索等值张拉的控制。
利用传感器控制的单根拉索施工的方法:张拉前先估算单根张拉过程中拉力的损失值,设最后一根平行钢绞线拉索的拉力为平均值时第一根的张拉系数,并将其换算成张拉力、控制油压的变化规律。张拉力与控制油压的换算关系可利用千斤顶的校验方程来计算,校验方程为
     
      
                        
其中: y-控制油压,单位为Mpa
     x-千斤顶的张拉力,单位为KN
     α、β-均为千斤顶的校验系数

利用该种方法施工时,考虑到地一根钢绞线受斜拉索HDPE套管等因素的影响,应力传感器通常安装在第二根钢绞线上。

VSL公司对于单根钢绞线张拉施工是通过线性数控测量设备、数控油表及压力传感器等设备来实现对索力的控制的。由于在钢绞线的张拉过程中,每根钢绞线的张拉力不同。张拉前为了计算每根钢绞线千斤顶所需的拉力,在每各施工步骤中应知道由于在拉索方向施工荷载施加于整个体系中而在桥面及塔上锚具产生的变形量。并根据桥面及主塔的变形量计算在张拉过程中每根钢绞线的应力损失值,从而确定整根拉索中每根拉索张拉所需的理论值。并将理论值输入到数控测量设备中,张拉时张拉控制油表数控测量设备控制其张拉力。在所有钢绞线安装之后,应在钢绞线进行提升测试以核实已张拉钢绞线所承受的拉力。如在测量的钢绞线上有预应力损失,应将所有钢绞线张拉至所检验钢绞线张拉的平均值,这应才能保证整根拉索拉力的离散性满足要求。

2影响拉索拉力的因素分析 

由于斜拉桥是一种柔性结构,索着跨径的不断增加其荷载和变形的几何非线性行为越来越明显,因此在斜拉索的张拉过程中必须考虑其非线性因素的影响[2]。影响斜拉桥的非线性因素有:

(1)  斜拉索的垂度影响
由于斜拉索在施工阶段所受的拉力比成桥阶段小,特别是在采用单根张拉时单根钢绞线受拉索垂度影响而引起的非线性较明显,通常采用(Ernst)修正斜拉索原始弹性模量的方法,来考虑斜拉索垂度引起的非线性影响,即

式中:E0-不考虑斜拉索垂度影响的弹性模量;
   γ-斜拉索单位体积重力;
   σ0-斜拉索应力;
   l-斜拉索的水平投影长度。
(1)  梁柱效应
斜拉桥主梁和主塔都是压弯构件,其截面弯矩和轴力之间会产生耦合效应,通常采用引入稳定函数、修改刚度矩阵的方法来处理梁柱效应。由位移和应变关系利用最小势能原理建立单元切线刚度矩阵,求解非线性方程组。
(2)  大变形效应
由于斜拉桥是一种柔性结构,在拉索施工过程中主梁和主塔会发生显著的变形,应用有限元分析时,斜拉索各单元的节点坐标、长度、夹角等几何特性也会产生的变化,此时单元刚度矩阵为结构变形的函数,平衡方程{F}=[K]{δ}不再是线性关系,弹性小变形中的叠加原理不再适用。通常采用有限位移原理,根据变形后的几何位置来建立平衡方程,采用完全的拉格朗日法(T.L)或更改的拉格朗日法(U.L),结合迭代法、增量法或混合法等求解非线性方程组。


3两种单根张拉施工方法对非线性影响因素的控制
 
两种单根张拉斜拉索的施工法采用不同的方法分别对施工过程进行控制以克服由于非线性因素的影响,最终实现成索时整根拉索中每根钢绞线中的拉力相等的目标。

3.1 OVM施工法的施工控制
OVM施工法采用应力传感器的测力装置来实现对拉索拉力的控制。由于在斜拉索单根初始张拉时其拉力受拉索及拉索套管垂度的影响最大,因此每束拉索的前两根张拉力相同,并在第二根钢绞线上安放应力传感器。张拉过程中以第二根钢绞线的应力变化值作为控制一次单根张拉的依据,张拉完毕后为消除由于非线性因素的影响,最后再补充张拉第一根钢绞线,张拉力与最后一根张拉的钢绞线的拉力相等。开始张拉时,拉索索力受拉索垂度的影响较大,随着钢绞线张拉根数的增附加,其影响逐渐减小。然而随着整索索力的逐渐增加,主梁和主塔的变形也进一步的增加,拉索索力受梁柱效应和大变形效应等非线性因素的影响也越来越大。总的说来,在各种非线性因素的影响下单根拉索的控制拉力时逐渐减小的,其控制拉力是通过不断减小张拉油表的读数来实现的,其油表的减小量是根据传感器显示拉力变化的相对值来确定。

3.2 VSL施工法的施工控制
(1) 张拉力的控制
VSL公司利用其开发的软件,通过输入钢绞线的重量、HDPE管的重量、梁端垫板之间的长度、锚具上的最终压力以及桥面及主塔的张力测得张拉力。每根钢绞线的张拉力在张拉前已输入到数控电脑盒中,在张拉过程中电脑盒会自动显示其张拉力和伸长量。在所有钢绞线安装之后,应在钢绞线上进行提升测试以核实已张拉钢绞线所承受的拉力。如在测量的钢绞线上有任何应力损失,则将所有钢绞线张拉至所检验钢绞线张拉的平均值,这样钢绞线上具有相等的拉力。

如某斜拉桥采用VSL法施工时在每束拉索中抽取有标记的5根钢绞线进行提升测试,通过此种方式可以追溯整个施工过程中拉索上的实际拉力。如在拉索安装至27根钢绞线原始数据360吨分布在每根钢绞线的拉力为13.3吨,提升测试如下:
第1号钢绞线=13.63T
第2号钢绞线=13.42T
第3号钢绞线=13.21T
第4号钢绞线=13.10T
第5号钢绞线=13.34T

提升测试的5根钢绞线的平均张拉力为13.34T,提升系数=360/13.34=26.9865,在以后的施工中,提升相同的钢绞线,记录数值从“提升系数”上即可得出此时的确切值。采用这种单根张拉的方法使最终的成索索力能得到较好的控制,其实际索力与设计索力的误差满足要求。图1为国内某斜拉桥一个桥塔两侧(每侧有23根拉索)斜拉索实测索力与理论索力的对比曲线,从图中可以看出其成索整体索力与理论值误差较小。除南、北侧的4号索索力偏差较大外,其余索的索力误差均在6%以内。

图1 某斜拉桥实测索力与理论索力的曲线图

(2) 延伸量的控制 
由于斜拉索的延伸量要求比较精确,因此在单根张拉时不仅要考虑其张拉力的控制,要对其延伸量进行控制。在单根张拉过程中要求每根钢绞线的张拉至相同的延伸量,这样就保证了单根张拉能够达到群锚千斤顶的张拉效果。VSL法施工对延伸量的控制是根据拉索上的原始拉力及所要求的拉力之间的差别在张拉之后计算出并转换成延伸量。张拉之前,千斤顶的前端抵住锚具,当千斤顶在张拉钢绞线时夹片进入限位装置内,沿着张拉钢绞线的方向放松钢绞线,当千斤顶上的张力释放时,钢绞线与夹片同时回缩4mm夹片即可锚住钢绞线。当千斤顶安放在钢绞线上之后,将计算的钢绞线延伸量输入数控电脑盒即开始张拉。自动计算器将自动张拉钢绞线值输入的数值直至达到此数值将自动停止。在张拉过程中所要求的数值及实际的数值都将显示在电子屏上。

4两种施工方法的对比研究
 
近年来,国内所新建的的斜拉桥大多采用单根张的施工方法,其中采用OVM法和VSL法施工的拉索体系都比较成功。国内采用VSL施工的斜拉桥如青州闽江大桥、夷陵江长江大桥、南京第二长江大桥、厦门同安银湖大桥等[3];采用OVM法施工的斜拉桥如兰州市小西湖黄河大桥、上海南浦大桥、漳州战备大桥等工程。

4.1OVM施工法
OVM施工法采用传感器对钢绞线拉力进行控制,其对传感器和张拉油表的精度有较高的要求。传感器的稳定性能和张拉油表的精度对索力的影响很大,张拉过程中千斤顶的精度对拉索索力的影响也较大。①采用OVM法施工的传感器测试的仅为拉索索力变化的相对值而不是其绝对值,因此传感器标定的线性方程应能准确的描述其相对变化关系,这就要求传感器的标定设备具有较高的精度。②用于张拉单孔千斤顶的精度要求很高,但在标定过程中容易出现较大的偏差,由是偏差异超过千斤顶本身的精度。③钢绞线的单根张拉的施工工艺比较复杂,如果不是训练有素的熟练的工人操作,容易造成质量问题。因此要提高单根张斜拉索的施工质量应从张拉设备的精度和施工队伍的专业水平两个方面考虑。

4.2  VSL施工法
VSL法施工对单根钢绞线张拉施工是通过线性数控测量设备、数控油表及压力传感器等设备来实现对索力的控制的。其斜拉索索力的控制精度取决于在施工控制过程中对拉索索力控制的各参数的准确性以及其控制软件对拉索垂度、梁柱效应和大变形效应等非线性因素影响模拟的精度。对单根张拉索力控制的参数有钢绞线的重量、HDPE管的重量、梁端垫板之间的长度、锚具上的最终压力以及桥面与主塔的张力等参数。这些参数的准确性是测试拉索索力的关键因素,因此在施工中应保证这些参数的准确性。然而在施工现场由于施工中各种因素的影响,各种参数的取值与理论值之间的差异难以避免。由于短索索力对索的长度很敏感,VSL施工法在施工时其误差值相对较大。VSL施工控制软件对拉索索力控制的精度与其积累的数据资料以及对影响索力的各种非线性因素的模拟有关。

5单根张拉施工控制的发展

随着神经网络方法在土木工程中应用的不断发展,斜拉索的单根张拉可以引用神经网络的方法来进行拉索施工张拉力的仿真与控制。斜拉索单根张拉施工控制可采用在土木工程应用比较广泛的前向型BP神经网络来实现。神经网络通过模拟人脑处理机制的网络系统,对非线性系统具有较好的处理功能[4]。神经网络具有在知识获取、并行推理、适应性学习、联想推理、容错能力等方面的优势,因此将其引入斜拉索单根张拉的控制系统中是可行的。

由于斜拉索在单根张拉的过程中,每根拉索张拉后都会使已张拉的拉索的拉力减小,随着拉索张拉根数的增加,其影响愈来愈小,这种影响是非线性的。在拉索控制的神经网络系统中,应建立拉索的张拉力与其引起的效应之间的输入输出关系。由于这种关系比较复杂,其受到斜拉桥中主梁、主塔结构、索塔和索梁的结合形式、拉索中钢绞线的数量以及拉索的长度等因素的影响,因此神经网络系统的建立不可能采用相同的结构形式。控制的BP神经网络可参考相同结构形式已张拉的实测数据来建立,并预测未张拉拉索的控制力。在控制过程中将预测张拉力与实测值进行比较,来调整神经网络的参数,使网络能达到预期的目标。在网络参数中,输入参数可选用某一根拉索的拉力变化值作为输入向量X ,输出参数可选择拉索的张拉力作为输出向量Y。网络的隐含层的个数宜根据系统的复杂程度以及经验值来确定。

两种斜拉索的单根张拉施工工艺比大吨位千斤顶整体张拉的施工工艺较方便,同时能达到群锚锚固的效果,因而在斜拉桥中的应用前景很广阔。但由于我国的现行规范对斜拉索单根张拉没有明确的规定,随着桥梁建设的发展张拉设备精度的提高,斜拉索施工的质量将逐渐规范化。控制系统理论、模糊系统理论、灰色系统理论以及人工智能理论的发展,将为人们对单根张拉钢绞线施工方中非线性因素的模拟提供有效地分析工具,使拉索的施工不断的自动化和智能化,从而不断提高拉索施工的精度。

END



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