CN110362953A - 一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法 - Google Patents

一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，属于桥梁工程施工控制领域。在主拱肋节段安装前，提供多种供选温度下的理论索力和预抬高值，方便现场监测人员根据实际条件选用，并迅速作出调整，从而高效、便捷地指导现场施工控制；同时，采用交互式控制方法，将现场实测的环境温度、已安装节段的扣索索力等数据反馈到有限元计算模型中，结合实际施工过程对有限元计算模型进行调整与完善，从而对后续节段的线形控制参数作出更加准确地预估，提高钢管拱桥主拱肋安装线形控制的精度。解决已有方法在优化计算过程中，缺乏对实际环境温度变化和施工过程的反馈，不能反映实际施工过程与优化计算过程之间交互影响的问题。

Description

一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法
技术领域
本发明涉及钢管拱桥的施工领域，具体涉及一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法。
技术背景
斜拉扣挂悬臂拼装法是钢管拱桥主拱肋的主要施工方法。采用该方法架设时，将主拱肋分为若干个节段，在工厂或预拼场制作完成后，吊运至桥位处，从拱脚向跨中逐段安装就位，并与已安装节段对接，用扣索斜拉固定，直至跨中合龙。
对于钢管拱桥，主拱肋的成桥线形对桥梁结构的受力状态起决定性影响。由于主拱肋合龙后线形调整非常困难，因此，主拱肋安装过程中的线形控制非常重要，其中，扣索索力和拱肋控制节点的预抬高值是主拱肋安装线形控制的两个重要指标。目前，扣索索力的优化计算主要有力矩平衡法、零位移法、零弯矩法、定长扣索法、弹性-刚性支承法和影响矩阵法等方法，这些方法在工程实践中应用时，扣索索力和拱肋预抬高值是基于理想合龙温度计算得到的，现场也按理想状态对应的指标进行控制，索力优化计算过程和现场施工过程相对独立。
实际上，某节段对应的扣索张拉完成后，受到环境温度、湿度变化和后续节段施工的影响，扣索索力和已安装节段的高程是动态变化的。特别是对于施工周期长、桥位处季节性温差大的钢管拱桥，主拱肋节段安装时的温度变化大，不同的环境温度条件，应该对应不同的施工控制参数；不同的施工过程，也会对后续节段的施工控制参数产生影响。已有方法在优化计算过程中，缺乏对实际环境温度变化和施工过程的反馈，不能反映实际施工过程与优化计算过程之间的交互影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服已有方法的不足，提供一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，既方便现场监测人员根据实际环境温度条件选用线形控制参数，又能在有限元计算模型中充分考虑已安装节段施工时的实际环境温度和线形控制参数的影响，提高在复杂多变的环境下，钢管拱桥主拱肋安装线形控制的精度。
为解决以上所述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，其特征在于，针对采用斜拉扣挂悬臂拼装法施工的钢管拱桥，在主拱肋节段拼装的线形控制过程中，考虑实际环境温度变化和施工过程的影响，包含以下步骤：
步骤一、建立钢管拱桥的有限元计算模型，以设计合龙温度T0作为基准温度进行索力优化计算，得到基准温度T0下各束扣索的初始索力F0、理论索力Ft和主拱肋各个控制节点的理论预抬高值dT；
步骤二、根据桥位的地理条件，预估主拱肋第1节段吊装时的环境温度Tp1，在有限元计算模型中施加初始索力F0，计算在Tp1附近m种供选温度条件下，主拱肋第1束扣索的供选索力Fpm和第1个控制节点的供选预抬高值dpm；
步骤三、吊装主拱肋第1节段时，根据吊装施工时的实际环境温度Ta1，从供选索力Fpm和供选预抬高值dpm中选择最接近温度下的控制参数，进行扣索张拉的线性调整，直到满足控制精度要求，并记录实际的扣索索力Fa1和预抬高值da1；
步骤四、将步骤三种所得到的主拱肋前一节段吊装完成时的实际环境温度Ta1和扣索索力Fa1反馈到有限元计算模型中，重新进行正装计算，得到主拱肋下一节段的预估温度Tp2附件m种供选温度下对应的供选索力和供选预抬高值；
步骤五、重复执行步骤三至步骤四，直至所有主拱肋节段拼装完毕。
进一步的，所述步骤一中的基准温度T0指结构温度为零时的温度。
进一步的，所述步骤2和步骤4中的m选值为m＝5，以Tpi为中位数，供选的温度为Tpi-10℃、Tpi-5℃、Tpi、Tpi+5℃、Tpi+10℃，其中i为主拱肋的节段数。
进一步的，所述步骤3中，当实际环境温度Tai与供选温度有差异时，线形控制参数采用线性插值确定。
作为优选，本发明的有限元计算模型可采用考虑设计预拱度的模型。
有益效果：针对施工周期长、桥位处季节性温差大的钢管拱桥，主拱肋节段安装时，在事先不知道实际环境温度的情况下，提供多种供选温度下的线形控制参数，方便现场监测人员根据实际条件选用，并迅速作出调整，从而高效、便捷地指导现场施工控制；同时，采用交互式控制方法，将现场实测的环境温度、已安装节段的扣索索力等数据反馈到有限元计算模型中，结合实际施工状态对有限元计算模型进行调整与完善，并重新进行优化计算，从而对后续节段的线形控制参数作出更加准确地预估，提高钢管拱桥主拱肋安装线形控制的精度。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例的立面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
钢管拱桥的拱轴线一般采用悬链线，本实施例中，为便于建立有限元计算模型并进行验证，设某拱肋的拱轴线为圆弧，主拱肋计算跨径为220m，矢高为44m，圆弧半径为R＝159.5m，拱肋采用箱形断面，横截面尺寸为：高×宽×腹板厚×顶底板厚＝2200×1600×24×28mm。1/2拱肋分为7个节段吊装，合龙段位于对称中心右侧，合龙段长度为1.0m，斜拉扣索的扣点位于节段分界线以左1.0m，1/2拱肋及斜拉扣索布置如图2所示。主拱肋采用Q345qD钢材，斜拉扣索采用φs15.2钢绞线，其中第1～3束扣索为4根，第4～5束扣索为6根，第6～7束扣索为8根。
设本实施例桥位处多年平均气温约15℃，季节性温差和昼夜温差都较大，设计取合龙温度为15℃，最高环境温度按40℃计，最低环境温度按-5℃计。由于钢管拱桥自身的受力特点，主拱肋一旦合龙，就很难再进行线形调整，因此，目前普遍采用的是主拱肋节段安装时扣索一次张拉到位的线形控制方法。由于主拱肋节段安装时的环境温度变化大，且与基准温度存在较大差异，扣索索力和主拱肋的空间坐标都处于动态变化之中，给现场施工控制带来不利影响。为提高在复杂多变的环境条件下，钢管拱桥主拱肋安装线形控制的精度，高效、便捷地指导现场施工控制，本发明提供一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，包含以下步骤：
步骤1)建立钢管拱桥的有限元计算模型，作为优选，有限元计算模型可采用考虑设计预拱度的理论成桥线形，理论成桥线形＝设计线形+设计预拱度。一般情况下，主拱肋在工厂或预拼场制作时，已经考虑预拱度，因此，要保证钢管拱桥成桥时恰好为理论成桥线形，则在主拱肋节段安装过程中所采用的线形控制参数，需满足成桥时主拱肋各个控制节点的变形恰好得到补偿。
本实施例基于ANSYS建立有限元计算模型，主拱肋采用梁单元模拟，斜拉扣索采用杆单元模拟。在主拱肋节段安装施工前，以设计合龙温度T0作为基准温度，进行索力优化计算。基准温度T0是指结构温度应力恰为零时的温度，即钢管拱桥主拱肋合龙锁定时的温度，本实施例中，基准温度为T0＝15℃。扣索索力优化计算的方法有多种，本实施例采用影响矩阵法，得到基准温度T0下各束扣索的初始索力F0、理论索力FT和主拱肋各个控制节点的理论预抬高值dT，见表1。表中初始索力F0为有限元计算模型中扣索单元以初应变形式施加的索力；理论索力FT为按照施工阶段计算完成后各束扣索对应的索力；理论预抬高值dT为主拱肋合龙后、拆除扣索瞬间，主拱肋各控制节点竖向位移增量的补偿值，负号表示预下沉。
步骤2)钢管拱桥主拱肋节段安装时，实际的环境温度与设计基准温度T0可能有差异，受到主拱肋结构和斜拉扣索热胀冷缩变形的影响，扣索索力和主拱肋空间坐标也随环境温度的变化而变化。在基准温度T0下，扣索的理论索力为FT；当实际环境温度不同于T0时，扣索的理论索力必须设置一个补偿值，使得环境温度回归至T0时，扣索索力也恰好回归至FT。
在第1节段吊装前，由于无法确定吊装施工时的实际环境气温，故根据桥位地理条件，查询往年温度变化曲线，预估主拱肋第1节段吊装时的环境温度Tp1，本实施例中，设Tp1＝25℃，计算在Tp1附近Tp1-10＝15℃、Tp1-5＝20℃、Tp1＝25℃、Tp1+5＝30℃、Tp1+10＝35℃等5种供选温度条件下，主拱肋第1束扣索的供选索力Fp1和第1个控制节点的供选预抬高值dp1，见表2，并提供给现场监测人员。
表2中的供选索力Fp1是在有限元计算模型中施加如下初始索力计算得到的：
Fc1＝F0(1)+α(Tp1-T0)EA (1)
式中：Fc1为预估温度Tp1下扣索的初始索力；F0(1)为基准温度T0下第1束扣索的初始索力；α为扣索的线膨胀系数；E为扣索的弹性模量；A为扣索的截面面积。
表2中的供选预抬高值dp1为：
dp1＝dT(1)+up1-u0(1) (2)
式中：dp1为预估温度Tp1下第1节段控制节点的理论预抬高值；dT(1)为基准温度T0下第1节段控制节点的理论预抬高值；up1为预估温度Tp1下第1节段控制节点的竖向位移；u0(1)为基准温度T0下第1节段控制节点的竖向位移。
步骤3)现场吊装主拱肋第1节段，测取吊装施工时的实际环境温度Ta1，本实施例中，设Ta1＝26℃，可知Ta1与25℃最为接近，故根据表2采用线性插值得到Ta1＝26℃时的控制索力为Fp1(26℃)＝13.5kN，控制预抬高值为dp1(26℃)＝-3.0mm，根据这些参数进行扣索张拉和线形调整，直至满足控制精度要求，并记录实际的扣索索力Fa1和预抬高值da1，为便于分析，本实施例不考虑控制误差，取实际扣索索力和预抬高值分别为Fa1＝Fp1(26℃)＝13.5kN，da1＝dp1(26℃)＝-3.0mm。
步骤4)由于已施工节段的实际索力会对成桥线形造成影响，故将步骤3记录得到的主拱肋第1节段吊装完成时的实际环境温度Ta1＝26℃和扣索索力Fa1＝13.5kN反馈到有限元计算模型中，重新进行正装计算，得到主拱肋第2节段在预估温度Tp2附近5种供选温度下对应的供选索力Fp2和供选预抬高值dp2，并提供给现场监测人员；本实施例中，设第2节段吊装时的预估温度为Tp2＝30℃，5种供选温度下的供选索力和供选预抬高值见表3。
步骤5)重复执行步骤3至步骤4，直至所有主拱肋节段拼装完毕，进行后续施工。
本实施例中，设第2节段吊装的实际温度Ta2为36℃，第3节段吊装时的预估温度Tp3为30℃，第3节段5种供选温度下的供选索力Fp3和供选预抬高值dp3见表4；设第3节段吊装的实际温度Ta3为30℃，第4节段吊装时的预估温度Tp4为25℃，第4节段5种供选温度下的供选索力Fp4和供选预抬高值dp4见表5；设第4节段吊装的实际温度Ta4为20℃，第5节段吊装时的预估温度Tp5为15℃，第5节段5种供选温度下的供选索力Fp5和供选预抬高值dp5见表6；设第5节段吊装的实际温度Ta5为10℃，第6节段吊装时的预估温度Tp6为5℃，第6节段5种供选温度下的供选索力Fp6和供选预抬高值dp6见表7；设第6节段吊装的实际温度Ta6为0℃，第7节段吊装时的预估温度Tp7为5℃，第7节段5种供选温度下的供选索力Fp7和供选预抬高值dp7见表8；设第7节段吊装的实际温度Ta7为-6℃，从表8中选取-5℃和0℃的数据进行线性插值即可得到相应的线形控制参数。
表1基准温度下的线形控制参数
编号 初始索力F<sub>0</sub>/kN 理论索力F<sub>T</sub>/kN 理论预抬值d<sub>T</sub>/mm
1 22.9 26.8 -4.0
2 34.5 76.8 -7.9
3 90.5 195.0 -2.4
4 156.4 261.7 11.8
5 235.8 326.3 29.0
6 590.4 567.2 43.5
7 502.3 492.5 51.0
表2第1节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 15℃ 20℃ 25℃ 30℃ 35℃
索力F<sub>p1</sub>/kN 26.8 20.8 14.7 8.7 5.8
预抬值d<sub>p1</sub>/mm -4.0 -3.5 -3.1 -2.7 -2.3
表3第2节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 20℃ 25℃ 30℃ 35℃ 40℃
索力F<sub>p2</sub>/kN 73.4 70.0 66.4 62.6 58.5
预抬值d<sub>p2</sub>/mm -8.6 -9.3 -10.0 -10.4 -10.6
表4第3节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 20℃ 25℃ 30℃ 35℃ 40℃
索力F<sub>p3</sub>/kN 193.8 192.6 191.5 190.1 188.4
预抬值d<sub>p3</sub>/mm -5.1 -7.8 -10.5 -13.0 -15.4
表5第4节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 15℃ 20℃ 25℃ 30℃ 35℃
索力F<sub>p4</sub>/kN 261.7 262.2 262.6 263.1 263.4
预抬值d<sub>p4</sub>/mm 11.8 7.7 3.7 -0.3 -4.3
表6第5节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 5℃ 10℃ 15℃ 20℃ 25℃
索力F<sub>p5</sub>/kN 324.6 325.5 326.4 327.3 328.1
预抬值d<sub>p5</sub>/mm 38.8 33.9 29.0 24.1 19.2
表7第6节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 -5℃ 0℃ 5℃ 10℃ 15℃
索力F<sub>p6</sub>/kN 563.1 564.1 565.2 566.2 567.2
预抬值d<sub>p6</sub>/mm 64.7 59.4 54.1 48.8 43.4
表8第7节段在供选温度下的线形控制参数
控制参数 -5℃ 0℃ 5℃ 10℃ 15℃
索力F<sub>p7</sub>/kN 489.1 490.0 490.8 491.7 492.5
预抬值d<sub>p7</sub>/mm 74.1 68.3 62.5 56.8 51.0
本实施例中，有限元计算模型伴随施工过程的进展而不断完善，实现了优化计算过程与实际施工过程的交互式控制。从以上实施例可以看出，在钢管拱桥主拱肋的悬臂拼装施工阶段，由于在拱脚处设置了临时铰，主拱肋的约束较小，温度变化引起的变形较大，变形与温差基本满足线性关系。不同的温度条件下，对应的线形控制参数不同，且主拱肋越长，预抬高值变化越大，因此，准确控制主拱肋节段安装过程的施工参数，对控制成桥线形具有重要意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、建立钢管拱桥的有限元计算模型，以设计合龙温度T0作为基准温度进行索力优化计算，得到基准温度T0下各束扣索的初始索力F0、理论索力Ft和主拱肋各个控制节点的理论预抬高值dT；
步骤二、根据桥位的地理条件，预估主拱肋第1节段吊装时的环境温度Tp1，在有限元计算模型中施加初始索力F0，计算在Tp1附近m种供选温度条件下，主拱肋第1束扣索的供选索力Fpm和第1个控制节点的供选预抬高值dpm；
步骤三、吊装主拱肋第1节段时，根据吊装施工时的实际环境温度Ta1，从供选索力Fpm和供选预抬高值dpm中选择最接近温度下的控制参数，进行扣索张拉的线性调整，直到满足控制精度要求，并记录实际的扣索索力Fa1和预抬高值da1；
步骤四、将步骤三种所得到的主拱肋前一节段吊装完成时的实际环境温度Ta1和扣索索力Fa1反馈到有限元计算模型中，重新进行正装计算，得到主拱肋下一节段的预估温度Tp2附件m种供选温度下对应的供选索力和供选预抬高值；
步骤五、重复执行步骤三至步骤四，直至所有主拱肋节段拼装完毕。
2.根据权利要求1所述的一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，其特征在于：所述步骤一中的基准温度T0指结构温度为零时的温度。
3.根据权利要求1所述的一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，其特征在于：所述步骤2和步骤4中的m选值为m=5，以Tpi为中位数，供选的温度为Tpi-10℃、Tpi-5℃、Tpi、Tpi+5℃、Tpi+10℃，其中i为主拱肋的节段数。
4.根据权利要求1所述的一种钢管拱桥主拱肋安装线形的交互式控制方法，其特征在于，所述步骤3中，当实际环境温度Tai与供选温度有差异时，线形控制参数采用线性插值确定。
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