CN107025342B - 基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法 - Google Patents

基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，包括以下步骤：利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，利用有限元法对模型进行计算，得到各索张拉力导入值；根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析；根据建立的斜拉桥竣工期模型分析确定各拉索的敏度；根据拉索敏度分析结果预确定多种张拉顺序方案以及对应的张拉力大小，通过有限元方法对不同张拉顺序方案进行计算，以选择最优张拉顺序方案；根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工。本发明提出的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，简化了拉索施工过程。

Description

基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，尤其涉及一种基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法。
背景技术
斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型，具有广泛的适应性。
斜拉桥拉索体系为高次超静定结构，目前，对于该结构体系其施工基本采用逐步逼近的方法进行多次张拉，不仅施工效率低，同时还无法对施工过程进行控制，还可能造成结构在某个施工阶段因应力过大而破坏；同时由于施工中结构内力的多次重分布，实际得到的结构内力已非合理成桥状态的内力值。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，旨在简化拉索施工过程。
为实现上述目的，本发明提供一种基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，包括以下步骤：
利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，利用有限元法对模型进行计算，得到各索张拉力导入值；
根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析；
根据建立的斜拉桥竣工期模型分析确定各拉索的敏度；
根据拉索敏度分析结果预确定多种张拉顺序方案以及对应的张拉力大小，通过有限元方法对不同张拉顺序方案进行计算，以选择最优张拉顺序方案；
根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工。
优选地，所述根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析的步骤之前还包括：
对斜拉桥竣工期模型进行桥梁参数验算以确定模型的正确性。
优选地，所述桥梁参数验算包括刚度验算、支承反力验算、钢梁内力和应力验算、斜拉索内力和应力验算、主塔位移、内力和应力验算。
优选地，所述利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，利用有限元法对模型进行计算，得到各索张拉力导入值的步骤具体包括：
利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，并确定桥梁载荷以及约束条件；
在竣工期模型上加载斜拉索张拉设计工况下的载荷以及张拉力设计值，对模型上的荷载进行逐步移除进行计算，以模拟施工阶段拉索张拉的状态，计算得到各索的张拉力导入值。
优选地，所述根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析的步骤具体包括：
利用有限元软件一一计算各个外部因素对应工况下的成桥索力；
当某一工况对成桥索力影响范围超过预设值时，在施工时将其作为监测参数；当某一工况对成桥索力影响范围小于预设值时，将其从不可控外部因素中剔除，以简化后期施工阶段有限元分析工作量。
优选地，所述根据建立的斜拉桥竣工期模型分析确定各拉索的敏度的步骤具体包括：
在斜拉桥竣工期模型上分别计算每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响；
根据每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响结果得出拉索优先级关系。
优选地，所述根据拉索敏度分析结果预确定多种张拉顺序方案以及对应的张拉力大小，通过有限元方法对不同张拉顺序方案进行计算，以选择最优张拉顺序方案的步骤具体包括：
根据拉索优先级关系确定多种张拉顺序方案，并计算出各个张拉顺序方案对应的张拉力大小；
建立各个张拉顺序方案的施工阶段计算模型，计算并比较各张拉顺序方案对桥梁施工过程和成桥阶段结构参数的影响，得到最优张拉顺序方案。
优选地，所述桥梁施工过程和成桥阶段结构参数包括：斜拉索施工过程应力极值、主梁主塔施工过程最大拉压应力值、施工过程主梁竖向位移极值、施工过程桥塔水平偏位极值以及成桥阶段主梁和主塔的位移值。
优选地，所述根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工的步骤具体包括：
将第一根拉索张拉完成后，获取桥塔及主梁各控制截面应力应变监测结果、桥塔和主梁截面温度场实时监测结果、以及斜拉索力的监测结果；
将获取的监测结果带入到有限元模型中，计算得到最终成桥结果，如最终成桥结果与理论结果一致，则不需要对下根拉索的张拉进行调整，如最终成桥结果与理论结果不一致，则需对下一根拉索的张拉进行调整；
对剩余拉索张拉施工结合监测结果进行动态调整以实现所有拉索的张拉。
优选地，所述根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工的步骤之后还包括：
对完成后的拉索进行质量验收。
本发明提出的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，具有以下有益效果：
1、避免了施工中结构内力的多次重分布，提高了结构稳定性；
2、本发明可形成一套敏度分析方法，减小施工阶段有限元分析工作量；
3、本发明大大降低了施工组织难度，形成对于张拉索力预控制；
4、本发明简化了现场施工步骤，将多根拉索一次张拉即可，避免了现有技术中需要多次调整初始张拉力以达到最终成桥结果的繁琐调整过程，大大提高了现场工作效率。
附图说明
图1为本发明基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法的流程示意图；
图2为本发明基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法一具体实施例建立的拉索桥有限元模型的示意图；
图3为本发明基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法一具体实施例中各方案施工阶段主梁拉、压应力极值的对应示意图；
图4为本发明基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法一具体实施例中各方案施工阶段主塔拉、压应力极值的对应示意图；
图5为本发明基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法一具体实施例中各方案施工阶段成桥状态主梁跨中挠度的示意图；
图6为本发明基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法一具体实施例中各方案施工阶段主塔偏位值的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1，一种基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，包括以下步骤：
步骤S10，利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，利用有限元法对模型进行计算，得到各索张拉力导入值；
步骤S20，根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析；
步骤S30，根据建立的斜拉桥竣工期模型分析确定各拉索的敏度；
步骤S40，根据拉索敏度分析结果预确定多种张拉顺序方案以及对应的张拉力大小，通过有限元方法对不同张拉顺序方案进行计算，以选择最优张拉顺序方案；
步骤S50，根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工。
进一步地，步骤S10和S20之间还包括：
步骤S11，对斜拉桥竣工期模型进行桥梁参数验算以确定模型的正确性。
所述桥梁参数验算包括刚度验算、支承反力验算、钢梁内力及应力验算、斜拉索内力及应力验算、主塔位移、内力及应力验算。
进一步地，步骤S10具体包括：
利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，并确定桥梁载荷以及约束条件；
在竣工期模型上加载斜拉索张拉设计工况下的载荷以及张拉力设计值，对模型上的荷载进行逐步移除进行计算，以模拟施工阶段拉索张拉的状态，计算得到各索的张拉力导入值。
步骤S20具体包括：
利用有限元软件和张拉力导入值一一计算各个外部因素对应工况下的成桥索力；
当某一工况对成桥索力影响范围超过预设值时，在施工时将其作为监测参数；当某一工况对成桥索力影响范围小于预设值时，将其从不可控外部因素中剔除，以简化后期施工阶段有限元分析工作量。
外部因素包括桥台及桥墩沉降和环境温度。外部因素会造成桥梁结构的变形，其引起各拉索上的张力相互调整，从而影响预张力导入时状态监测。通过比较各分析方法，本实施例中，采用局部灵敏度来分析变形对索力的影响，局部灵敏度具有计算效率高的优点，当模型响应函数为线性时可以反映全局灵敏度信息。
对不可控外部因素敏度分析时需确定外部因素工况及相关荷载，针对不同工况对模型进行计算，由此判断该外部因素对成桥索力的影响，针对模型计算出现结构安全的位置，通过局部加载的方式消除结构安全隐患；并据敏度此分析结果确定施工过程中监测点布置位置及测试值评判依据，以便后续与卸载过程中实测值一起评判预应力导入过程及卸载对大桥的影响；最终形成一套外部因素敏度分析方法，剔除敏度较小不可控外部因素，简化后期施工阶段有限元分析工作量。
某一因素对应有多种工况，计算某一工况对应的成桥索力时，需将步骤S20计算出的张拉力导入值带入到模型中，计算成桥索力。然后将计算出的成桥索力与理想状态下的成桥索力进行对比，当其对成桥索力影响大时，将其确定施工过程中监测因素。
步骤S30具体包括：
在斜拉桥竣工期模型上分别计算每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响；
根据每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响结果得出拉索优先级关系。
在竣工期模型上分别计算单根索张力变化对其它拉索的张拉力的影响，通过灵敏度分析确定张拉不同位置和不同数量的拉索对桥梁状态的影响程度，以此确定偏于安全的张拉顺序。在计算每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响时，需将步骤S20计算出的张拉力导入值带入到模型中，然后逐一分析某根拉索变化单位力时对其他拉索的影响。
步骤S40具体包括：
根据拉索优先级关系确定多种张拉顺序方案，并计算出各个张拉顺序方案对应的张拉力大小；
建立各个张拉顺序方案的施工阶段计算模型，计算并比较各张拉顺序方案对桥梁施工过程和成桥阶段结构参数的影响，得到最优张拉顺序方案。
具体地，桥梁施工过程和成桥阶段结构参数包括：斜拉索施工过程应力极值、主梁主塔施工过程最大拉压应力值、施工过程主梁竖向位移极值、施工过程桥塔水平偏位极值以及成桥阶段主梁和主塔的位移值。
通过计算每一个张拉顺序方案对桥梁施工过程和成桥阶段结构参数的影响，然后综合比较得出最优张拉顺序方案。
对于对称的常规斜拉桥在施工时，对称施工主梁、对称张拉斜拉索即可；而对于异形独塔斜拉桥，确定斜拉索的张拉顺序是一个重要的问题。斜拉桥是高次超静定结构，主梁和主塔的内力、应力和变形与斜拉索的索力密切相关，每张拉一根或者多根斜拉索，都会引起主梁和主塔的内力、应力和挠度的变化并发生重分配。在施工过程中，这种重分配使结构的受力状态更加复杂，如果变化幅度较大，可能使处于施工阶段的斜拉桥的受力状态变得更危险。同时，背索的张拉对已张拉斜拉索的内力、主塔偏位和主塔内力影响较大。所以，找出合理的、科学的异形斜拉桥的斜拉索张拉顺序显得极为关键。
由于施工图设计图纸中只给出了斜拉索的设计成桥索力，并没给出斜拉索的施工张拉顺序和初始张拉力等详细情况，因此施工单位在施工时遇到张拉顺序的困难。因此，对于异形独塔斜拉桥拉索，其张拉顺序很关键。
在研究斜拉索的合理张拉顺序时，先分别确定各个方案的初始张拉力(即张拉力导入值)，对于不能确定合理初始张拉力的方案予以舍弃；然后分别建立各个方案的施工阶段计算模型，基于多个建立的计算模型对桥梁施工过程和成桥阶段结构参数进行比较，评价各种方案的优劣程度。
步骤S50具体包括：
将第一根拉索张拉完成后，获取桥塔及主梁各控制截面应力应变监测结果、桥塔和主梁截面温度场实时监测结果、以及斜拉索力的监测结果；
将获取的监测结果带入到有限元模型中，计算得到最终成桥结果，如最终成桥结果与理论结果一致，则不需要对下根拉索的张拉进行调整，如最终成桥结果与理论结果不一致，则需对下一根拉索的张拉进行调整；
对剩余拉索张拉施工结合监测结果进行动态调整以实现所有拉索的张拉。
在施工按照先梁后塔、然后挂索、最后施工桥面系的方式进行。
成品索进场后根据质保单进行严格查验，检查锚具，PE在运输过程中是否有损伤，如有损伤，及时采取修理措施并妥善保管；检验并核对成品索合同内的质量证明文件等是否齐全完整。对需要进行试验和检验的项目要按规定进行试验和检验，确保工程材料的质量和数量满足设计、规范和施工的要求。
拉索施工以步骤S40中计算出的最优张拉顺序方案为施工控制准则，依次进行斜拉索的架设和张拉施工，张拉过程中，测量组对塔柱位移情况、钢主梁监控标高进行同步监控；
张拉操作人员必须与测量人员、设计监控人员保持密切联系，并随时监测桥面标高变化情况和塔柱位移情况。
在施工过程中某根拉索张拉完成后，根据结构变形及拉索张拉情况结合有限元法对剩余拉索张拉施工进行动态调整，保证结构施工完成后达到设计要求。
在步骤S50之后还包括：
S60，对完成后的拉索进行质量验收。
在进行拉索质量验收时，拉索及其附件制作需满足《公路工程质量检测评定标准》相关规定；安装完成后拉索索力质量验收需满足《公路桥涵施工规范》相关规定。
本发明提出的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，具有以下有益效果：
1、避免了施工中结构内力的多次重分布，提高了结构稳定性；
2、本发明可形成一套敏度分析方法，减小施工阶段有限元分析工作量；
3、本发明大大降低了施工组织难度，形成对于张拉索力预控制；
4、本发明简化了现场施工步骤，将多根拉索一次张拉即可，避免了现有技术中需要多次调整初始张拉力以达到最终成桥结果的繁琐调整过程，大大提高了现场工作效率。
参照图2至图6，以下以某斜拉桥为例具体说明其张拉动态施工控制方法。本斜拉桥为四跨单索面斜拉桥，跨度布置为40+110+30+40m，总长220米，采用塔梁固结体系，110m跨范围共设9根斜拉索，斜拉索中心位于主梁中心线上，纵桥向间距9.0m，主塔背面辅助墩处设2根竖向背索，背索横桥向间距1.0m；主梁断面采用两侧带展翅的单箱三室结构，梁顶面中心位于半径为3800m的圆曲线和2.06％(马池路侧)、2.47％(金山大道侧)的纵坡上，梁体线型通过梁段顶、底板长度的差值来实现。
斜拉索采用中跨中央单索面竖琴形布置，边跨双索面竖线布置。两索面横向间距为1.0m。斜拉索梁端采用锚管直接锚固于联系两分离式钢梁的箱形横梁上，纵向索距9m；在塔上采用钢锚箱锚固，竖向间距4m。全桥斜拉索最长约144m，单根最大重量约4.9t。斜拉索采用直径7mm高强度镀锌平行钢丝拉索，全桥采用ESC7-55、ESC7-109、ESC7-223三种规格。钢丝标准强度fpk＝1670MPa，弹性模量E＝2.0×105MPa，钢丝表面采用锌-5％铝混合稀土合金镀层。其张拉动态施工控制方法具体如下。
(1)建立模型
首先，采用MIDAS CIVIL有限元软件建立桥梁的空间模型，如图2，确定技术参数及约束条件，计算得到各拉索的张拉力导入值。
本斜拉桥包括一期恒载：
钢材容重按78.5kN/m3，根据实际结构，钢箱梁容重提高系数为1.45，取为113kN/m3；主塔容重提高系数为1.3，取为102kN/m3；
二期恒载：
道路铺装：8cm；沥青混凝土铺：32.5m×0.08m×24kN/m3＝62.4kN/m；过桥管线：5.46kN/m；
防撞护栏(含预埋件、立柱、横梁、人行荷载)：43.44kN/m。防撞护栏横向布置图如下：
表1 二期恒载取值(主桥全宽)
(2)模型正确性验算
为保证模型的正确性还需进行刚度验算、支承反力验算、钢梁内力及应力验算、斜拉索内力及应力验算、主塔位移、内力及应力验算。以下仅列出四个表数据以示说明。
表2 成桥恒载作用下支承反力统计表
表3 成桥恒载作用下支承反力统计表
表4 斜拉索成桥索力
表5 恒载荷载作用下塔顶位移统计表
采用MIDAS CIVIL建立的桥梁模型计算出的刚度、支承反力、钢梁内力及应力、斜拉索内力及应力、主塔位移、内力及应力计算结果与设计计算结果较为一致，在合理误差范围内。
(3)不可控外部因素分析
本实施例分析了桥台及桥墩沉降和环境温度这两个因素。具体采用局部灵敏度来分析变形对索力的影响，局部灵敏度具有计算效率高的优点，当模型响应函数为线性时可以反映全局灵敏度信息。
不可控外部因素敏度分析需确定外部因素工况及相关荷载，针对不同工况对模型进行计算，由此判断该外部因素对成桥索力的影响，针对模型计算出现结构安全的位置，通过局部加载的方式消除结构安全隐患；并据此分析结果确定监测点布置位置及测试值评判依据，以便后续与卸载过程中实测值一起评判预应力导入过程及卸载对大桥的影响；最终形成一套外部因素敏度分析方法，剔除敏度较小不可控外部因素，简化后期施工阶段有限元分析工作量。
其中，桥台及桥墩沉降计算工况如下表所示：
表6 桥台及桥墩沉降计算工况
桥台及桥墩沉降计算工况 桥墩及桥台的不均匀沉降计算
1.1 竣工模型，主墩高，其余桥墩低不均匀变形
1.2 竣工模型，主墩低，其余桥墩高不均匀变形
1.3 竣工模型，左墩高，其余桥墩低不均匀变形
1.4 竣工模型，左墩低，其余桥墩高不均匀变形
1.5 竣工模型，桥台高，桥墩低不均匀变形
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》，桥墩及桥台沉降值取10mm。
桥墩及桥台的不均匀沉降计算结果如下表所示：
表7 桥墩及桥台的不均匀沉降计算结果(kN)
根据桥墩及桥台的不均匀沉降计算结果，桥墩及桥台的不均匀沉降工况对于成桥拉索索力影响不明显，故桥台及桥墩沉降敏感因素在后期施工阶段有限元分析中可剔除。其中，环境温度计算工况如下表所示：
表8 环境温度计算工况
环境温度计算工况 环境温度影响计算
2.1 温差为-30℃，竣工期模型计算
2.2 温差为-20℃，竣工期模型计算
2.3 温差为-10℃，竣工期模型计算
2.4 温差为10℃，竣工期模型计算
2.5 温差为20℃，竣工期模型计算
2.6 温差为30℃，竣工期模型计算
环境温度影响计算结果如下表所示：
表9 环境温度计算结果(kN)
由环境温度计算结果可知，为保证索力张拉时的均匀性，尽量选择在10-30℃的温度范围内进行斜拉索张拉施工。
(4)拉索敏度分析
各拉索张拉索力每变化单位力，会影响到各拉索最终成桥索力变化，具体计算结果见下表：
表10 成桥阶段某根索变化单位力对其他索力的影响系数表
由计算结果可知，R1、L1拉索对其他拉索的影响较大，施工时应重点关注。
(5)计算并优化各拉索张拉顺序
本拉索桥为异形非对称结构的特点，同时根据拉索敏度分析结果R1、L1拉索对其他拉索的影响较大，按以下两种思路考虑斜拉索的张拉顺序：一是由近塔端逐根向远塔端张拉，背索依次在某一根索的前或者后张拉；二是由远塔端逐根向近塔端张拉，背索依次在某一根索的前或者后张拉。主跨侧一共有9根斜拉索(编号S1—S9)，背索2根(编号为R1、L1，张拉时背索同时张拉)，一共有20种张拉方案。斜拉索布置及编号如图2所示。
由远塔端逐根向近塔端张拉的所有张拉方案如表11所示。
表11 由远塔端向近塔端的张拉方案汇总
由近塔端逐根向远塔端张拉的所有张拉方案如表12所示。
表12 由近塔端向远塔端的张拉方案汇总
计算施工过程斜拉索最小应力。
施工过程中拉索最小应力结果列于表11和表12。
表13 由近塔端向远塔端的张拉方案应力最小值
查看所有方案的斜拉索施工过程应力包络结果，可以看出按由近塔端到远塔端逐根张拉的部分方案：J1、J2、J3、J8、J9、J10，其拉索应力会出现负值或者极小值(应力值被加粗)，这说明按照这些方案张拉，部分斜拉索会随着施工过程的进行出现松弛(张拉力很小或者完全没有张拉力)的情况，这些方案予以排除，对剩下的方案J4、J5、J6、J7进行进一步的考察。
表14 由远塔端向近塔端的张拉方案应力最小值
查看所有方案的斜拉索施工过程应力包络结果，可以看出按由远塔端到近塔端逐根张拉的部分方案：Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10，其拉索应力会出现负值或者极小值(应力值被加粗)，这说明按照这些方案张拉，部分斜拉索会随着施工过程的进行出现松弛(张拉力很小或者完全没有张拉力)的情况，这些方案予以排除，对剩下的方案Y1、Y2、Y3、Y4进行进一步的考察。
根据施工过程斜拉索最小应力分析结果，需对方案J4、J5、J6、J7、Y1、Y2、Y3、Y4进行进一步的考察，对这些方案的主梁、主塔施工过程最大压、拉应力进行分析，得到由主梁、主塔应力得出的方案优劣顺序。
各方案施工阶段主梁拉、压应力极值如图3所示。由图3可知，按各方案进行结构施工阶段计算得到的施工阶段主梁最大压应力值都在121.9MPa附近；得到的最大拉应力值都在119.6MPa附近。该结果说明按照施工过程斜拉索最小应力分析筛选出的张拉方案进行施工阶段分析，主梁施工阶段的应力极值很接近。
上述各方案施工阶段主塔拉、压应力极值如图4所示。由图4可知，按各方案进行结构施工阶段计算得到的施工阶段主塔最大压应力值都在106MPa附近；而最大拉应力则有26.9MPa的差别。
拉应力越小，施工方案越优。根据施工阶段主塔最大拉应力的大小，将方案J4、J5、J6、J7、Y1、Y2、Y3、Y4进行排序。方案的优劣顺序见表13，优劣顺序对应的数字越小代表方案越优。
表15 由主梁主塔应力得出的方案优劣顺序
优劣顺序 1 2 3 4 5
张拉方案 J4、J5、J6、J7 Y4 Y3 Y2 Y1
根据施工过程斜拉索最小应力分析结果，需对方案J4、J5、J6、J7、Y1、Y2、Y3、Y4进行进一步的考察，对这些方案的主梁、主塔施工过程位移进行分析，得到由主梁、主塔施工过程位移得出的方案优劣顺序。各方案施工过程主梁最大位移值如表14所示。
表16 施工过程主梁最大位移值(mm)
从表16可以看出，各方案施工过程主梁最大位移基本相等。
各方案施工过程主塔最大位移值如表17所示。
表17 施工过程主塔最大位移值(mm)
从表17可以看出，施工过程主塔的最大正负位移基本相等。
将正负位移绝对值相加得“位移幅值”，然后按位移幅值大小排序，可以认为，施工过程中主塔位移幅值越小越好。将方案J4、J5、J6、J7、Y1、Y2、Y3、Y4进行排序。方案的优劣顺序见表18，优劣顺序对应的数字越小代表方案越优。
表18 由主梁主塔位移得出的方案优劣顺序
优劣顺序 1 2 3 4 5 6 7 8
张拉方案 Y4 J5 Y3 J6 J4 Y2 J7 Y1
根据施工过程斜拉索最小应力分析结果，需对方案J4、J5、J6、J7、Y1、Y2、Y3、Y4进行进一步的考察，对这些方案的成桥状态主梁、主塔位移进行分析，得到由成桥状态主梁、主塔位移得出的方案优劣顺序。
上述各方案成桥状态主梁跨中挠度如图5所示。图5可知，各方案得到的成桥阶段主梁跨中挠度基本相等。
各方案成桥状态主塔偏位值如图6所示。由图6可知，成桥阶段主塔最大偏位基本相等，而塔顶偏位有较大差别。
成桥阶段塔顶偏位越小，施工方案越优。将方案J4、J5、J6、J7、Y1、Y2、Y3、Y4进行排序。方案的优劣顺序见表19，优劣顺序对应的数字越小代表方案越优。
表19 由成桥主梁、主塔位移得出的方案优劣顺序
优劣顺序 1 2 3 4 5 6 7 8
张拉方案 J4 Y3 Y1 J5 Y4 J6 Y2 J7
为了更直观地反映前文筛选的几种方案的优劣比较，将前面得到优劣序号相加，得到各种方案的综合排序，综合排序越低代表方案越好。将各方案的比较结果列于下表中，如表20所示：
表20 各方案综合排序
由表20可以看出，方案Y3、Y4、J4、J5的优劣总和排序最小，且这四种方案的排序总和接近，故认为这四种方案为较优方案。
再将由各评价参数得到的排序前四名方案出现的次数做一个统计，如表21所示。
表21 各排序前四名中方案出现的次数统计
张拉方案 Y1 Y2 Y3 Y4 J4 J5 J6 J7
出现次数 1 1 3 1 2 3 2 1
综合表20和表21结果，可以得到方案优劣顺序：
最优的方案为J5、其次为Y3，再次为J4，最后为Y4。
将Y3、Y4、J4、J5这四种方案的张拉顺序和初始张拉力列于表22。
表22 各方案张拉顺序及初始张拉力(kN)
从近塔端开始张拉时，背索越早张拉斜拉索越容易出现极小应力的问题；而从远塔端开始张拉时，背索越晚张拉斜拉索越容易出现应力极小的问题。综合考虑，选择使用J5方案，按此方案进行现场斜拉索张拉施工，成桥后能自动达到设计索力，可避免多次调索的麻烦，缩短施工时间。
(6)进行斜拉桥拉索一次张拉施工和动态调整
根据张拉顺序确定结果，本斜拉桥张拉顺序及初始张拉力如表23所示。
表23 泾河桥张拉顺序及初始张拉力(kN)
本斜拉桥拉索施工以有限元计算施工顺序为施工控制准则，采用由近塔端逐根向远塔端张拉，在拉索S6和拉索S5张拉之间穿插完成背索L1、R1张拉。
首先张拉拉索S9，张拉过程中测量组对塔柱位移情况、钢主梁监控标高等进行同步监控，拉索S9张拉完成后，根据结构变形及拉索张拉情况结合有限元法对剩余拉索张拉施工进行动态调整，保证结构施工完成后达到设计要求。
其次根据S9张拉完成后有限元计算结果完成拉索S8张拉，S8张拉完成后同样根据监控结果进行有限元计算，对剩余拉索张拉施工进行动态调整。
最后，依次完成剩余拉索张拉和动态调整，最终保证结构施工完成后达到设计要求。
拉索张拉监控
6.1监控参数
在斜拉桥施工监控中，对于设计参数误差的识别就是通过量测施工过程中实际结构的行为，分析结构的实际状态与理想状态的偏差，用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的主要设计参数，经过修正设计参数，来达到控制桥梁结构的实际状态与理想状态的偏差的目的。
首先，要确定引起桥梁结构偏差的主要设计参数、荷载参数等；
其次，运用卡尔曼滤波或最小二乘法等理论和方法来识别这些设计参数误差；
最后，要得到设计参数的正确估计值，通过修正设计参数，使桥梁结构的实际状态与理想状态相一致。
斜拉桥施工监控将选取如下参数进行监测：桥塔及主梁各控制截面应力应变监测；桥塔、主梁截面温度场实时监测；斜拉索力的监测。
6.2桥塔及主梁各控制截面应力应变监测
结构的应力-应变测试结果一方面用来评价施工质量，另一方面还可用于桥梁结构的跟踪监测，进一步完善桥梁设计理论。对斜拉桥而言，由于材料的非均匀性和不稳定性，受设计参数的选取(如材料特性、密度、截面特性等参数)、施工状况的确定(施工荷载、应力损失、温度、湿度、时间等参数)和结构分析模型等诸多因素的影响，结构的实际应力与设计应力很难完全吻合，即计算应力不可能反映结构的实际应力状态。因此，在结构的应变实际测试中，通过系统识别、误差分析与处理，使测试应力尽可能地接近于实际，从而较准确地掌握结构的真实应力状态。
6.3传感器选择
从目前国内外适用于现场实物测量的应变的传感器而言，适用于表面测量的有应变片式传感器、钢弦式传感器、压电晶体传感器、光纤传感器等。此外，对于钢筋结构，还可通过测量钢筋的应变来反映应变。基于桥梁结构布点多、工期长、工作量大(测量频繁且须多点同时读数)、现场测试环境差(边施工，边测量)，密封、绝缘要求高，温度变化难于预测，因撞击、振捣损坏传感器的情况不可避免。在整个监测监控期间，为了不影响桥梁现场施工进度，鉴于同类桥梁施工监控的经验，拟选用表面式钢弦应变传感器。目前，工程界普遍认为，钢弦式表面应变传感器量程大、精度高、非线性范围大、零漂、温漂范围微小，对测量精度基本无影响，且自身防护破损的能力好，便于长期观测，是应变测量较理想的传感元件，但是其价格高。
根据桥塔结构可受到的荷载和温度变化情况，拟选用钢弦式应变计。其温度范围为-10～+50℃，应变范围为-2000～1000με，温度漂移3～4Hz/10℃，零点漂移3～5Hz/3月。若以18个月施工期考虑，累计蠕变使测试应变偏小8με；而温漂视环境温度升高还是降低相应修正(加或减)测试应变约3.0με/10℃。
钢弦应变计的主要参数——钢弦丝自振频率与应变(f，ε)间的对应关系，厂家多用标定表和折线图的形式给出，这样不便于大批量数据的处理。结构应变可近似看作自振频率f的二次函数：
εc＝A·f2+B·f+C (1)
式中：εc——构件应变(με)；
f——弦丝自振频率(Hz)；
A、B、C——待定系数。
分别将各钢弦传感器的标定数据(fi，εci)通过最小二乘原理，确定系数A、B、C，拟合为二次函数为式(1)，得到各自的数学表达式。在应力监测中，将所测量的钢弦频率值代入式(1)，通过专用软件计算即得到结构的应变值，进而可得到结构的名义应力值。
6.4传感器布置方案
实践表明：箱型截面整体性好，结构刚度大，承受正、负弯矩及抗扭能力强，是一种经济合理的截面形式。考虑到施工先后顺序、施工人员、施工时间、应力损失测定等因素，桥塔应力测试断面选择在根部附近，主梁选择在根部及跨中。应力监测的目的，是了解实际应力状态(与施工有关)，应力控制截面不能太少，否则无法了解桥塔的应力状态和损失等情况。
6.5结构应力测量
考虑到应力测试断面的重要性，材料应力测试的离散性、应力滞后性和剪力滞等影响因素，在主梁、桥塔关键控制截面(根部、L/2处截面等)上各布置应力传感器。
主梁纵向应力：全桥初步拟定3个测试截面，每个截面5个测点。可根据仿真计算模型及施工现场的具体情况进行调整。
主塔压应力：桥塔设塔柱底1个测试截面，截面10个测点，可根据仿真计算模型及施工现场的具体情况进行调整。
由于实际施工中受结构自重，支架位置，施工荷载等复杂因素的影响，可能还需要根据结构的实际状况，对某些截面进行适当的调整。
本桥均采用钢结构表面式振弦应力传感器，配套的读数仪在桥塔施工过程中及后续施工节段进行应力监测，直至全桥竣工。
6.6测试应力误差分析
结构的应力是通过应变测量获得的。桥梁结构的实际状况与理论状况总是存在着一定的误差，究其原因，主要由设计参数误差、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等综合因素干扰所致。只有通过理论分析、误差分析等手段，使测试应力结果尽可能地接近于结构实际，才能较准确地掌握结构的真实应力状态。
在斜拉桥施工中，应力测试是监测监控的重要手段之一。事实上，由于材料的特殊性及施工工艺的复杂性，影响应力测试结果的因素太多，尚待深入探索和研究。同时，大跨度梁桥的有限元计算结果也受到诸多因素的影响。因此，测试应力与设计应力的相互比较与印证在大跨度梁桥的施工中尤为重要。
6.7其它测试
在全桥二期恒载完成时，安排进行一次全桥测试，内容是桥面高程、主梁轴线、主塔变位、全桥索力和环境温度。
应力测试方法。应变计采用国产的优质振弦式应变计，振弦式应变计采用相应的专用仪器测试。所有的测试元件都具有可靠的标定数据。
6.8塔顶水平变位测量
测点布置：主塔顶上下游各设1～2个测点，测点位置选在塔顶便于观测的可靠位置处。
测试方法：用全站仪测量
6.9桥塔、主梁截面温度场实时监测
温度对桥梁结构的内力和标高有很大的影响。一般来说，在小范围的环境气温影响下，桥梁沿长度方向的温度变化是较小的，即各截面的温度分布基本相同；但向阳面和背阳面的桥塔表面温度有较大的差异。由于材料的热传导性能较差，日照结构表面与其附近结构内部形成较大的温度梯度，背阳结构表面与其结构附近内部的温度基本一致。
温度测试选用应力及温度二合一传感器，在所有应力测试截面上布置，以测量其内部的温度场分布。
测点时间：在桥塔施工期间，选择有代表性的天气进行24小时连续观测。
温度对结构变形和受力的影响测量：
测量内容：桥塔标高、相关截面的应力应变。
测量时间：与温度场观测同步进行。
6.10斜拉索力的监测
测试方法：使用测索仪测试每根拉索的索力。
拉索应同步分级均衡缓慢加载。分级张拉顺序为：0-0.2σ-0.4σ-0.6σ-0.8σ-1.0σ。
在张拉过程中根据设计要求对拉索的张拉进行控制。张拉的控制方式一般有两种：一种是以索力控制为主、主梁位移变化为辅；另一种以主梁位移控制为主、索力为辅。此阶段张拉施工以索力控制为主、主梁及桥塔位移变化为辅。
张拉操作人员必须与测量人员、设计监控人员保持密切联系，并随时监测桥面标高变化情况和塔拄位移情况。
拉索张拉动态调整
如前所述，本斜拉桥拉索采用由近塔端逐根向远塔端张拉，同时进行拉索张拉监控，监控包括：桥塔及主梁各控制截面应力应变监测；桥塔、主梁截面温度场实时监测；斜拉索力的监测。
以拉索S9张拉为例，初始张拉力为1981.76kN。S9张拉完成后，将S9张拉完成后桥塔及主梁各控制截面应力应变监测结果、桥塔、主梁截面温度场实时监测结果、斜拉索力的监测结果，带入到有限元模型中，计算得到最终成桥结果。由结果可以发现张拉S9以后，最终成桥结果与理论结果一致，S9张拉完成后不需对剩余拉索张拉进行调整，按照张拉顺序可继续进行S8张拉。
S8张拉后，对剩余每一根拉索张拉前均进行一次有限元计算以调整表21中的张拉力值，依次完成所有拉索的张拉。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，利用有限元法对模型进行计算，得到各索张拉力导入值；
根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析；
根据建立的斜拉桥竣工期模型分析确定各拉索的敏度；
根据拉索敏度分析结果预确定多种张拉顺序方案以及对应的张拉力大小，通过有限元方法对不同张拉顺序方案进行计算，以选择最优张拉顺序方案；
根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工。
2.如权利要求1所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析的步骤之前还包括：
对斜拉桥竣工期模型进行桥梁参数验算以确定模型的正确性。
3.如权利要求2所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述桥梁参数验算包括刚度验算、支承反力验算、钢梁内力和应力验算、斜拉索内力和应力验算、主塔位移、内力和应力验算。
4.如权利要求1所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，利用有限元法对模型进行计算，得到各索张拉力导入值的步骤具体包括：
利用有限元软件建立斜拉桥竣工期模型，并确定桥梁载荷以及约束条件；
在竣工期模型上加载斜拉索张拉设计工况下的载荷以及张拉力设计值，对模型上的荷载进行逐步移除进行计算，以模拟施工阶段拉索张拉的状态，计算得到各索的张拉力导入值。
5.如权利要求1所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述根据建立的斜拉桥竣工期模型对不可控外部因素进行敏度分析的步骤具体包括：
利用有限元软件一一计算各个外部因素对应工况下的成桥索力；
当某一工况对成桥索力影响范围超过预设值时，在施工时将其作为监测参数；当某一工况对成桥索力影响范围小于预设值时，将其从不可控外部因素中剔除，以简化后期施工阶段有限元分析工作量。
6.如权利要求1所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述根据建立的斜拉桥竣工期模型分析确定各拉索的敏度的步骤具体包括：
在斜拉桥竣工期模型上分别计算每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响；
根据每单根索张力变化时对其它拉索的张力以及桥梁的影响结果得出拉索优先级关系。
7.如权利要求6所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述根据拉索敏度分析结果预确定多种张拉顺序方案以及对应的张拉力大小，通过有限元方法对不同张拉顺序方案进行计算，以选择最优张拉顺序方案的步骤具体包括：
根据拉索优先级关系确定多种张拉顺序方案，并计算出各个张拉顺序方案对应的张拉力大小；
建立各个张拉顺序方案的施工阶段计算模型，计算并比较各张拉顺序方案对桥梁施工过程和成桥阶段结构参数的影响，得到最优张拉顺序方案。
8.如权利要求7所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述桥梁施工过程和成桥阶段结构参数包括：斜拉索施工过程应力极值、主梁主塔施工过程最大拉压应力值、施工过程主梁竖向位移极值、施工过程桥塔水平偏位极值以及成桥阶段主梁和主塔的位移值。
9.如权利要求1所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工的步骤具体包括：
将第一根拉索张拉完成后，获取桥塔及主梁各控制截面应力应变监测结果、桥塔和主梁截面温度场实时监测结果、以及斜拉索力的监测结果；
将获取的监测结果带入到有限元模型中，计算得到最终成桥结果，如最终成桥结果与理论结果一致，则不需要对下根拉索的张拉进行调整，如最终成桥结果与理论结果不一致，则需对下一根拉索的张拉进行调整；
对剩余拉索张拉施工结合监测结果进行动态调整以实现所有拉索的张拉。
10.如权利要求1所述的基于敏度分析的斜拉索一次张拉动态施工控制方法，其特征在于，所述根据计算出的最优张拉顺序方案、各索张拉力大小以及不可控外部因素敏度分析结果进行施工的步骤之后还包括：
对完成后的拉索进行质量验收。
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