灰色系统理论在大跨结合梁斜拉桥合龙误差分析中的应用

 王进军  张凯

 （1．中交二航局六公司  武汉430014；2．天津市市政工程设计研究院  天津300000）

摘要  河口黄河大桥为兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重难点控制工程，主桥采用主跨360 m的结合梁斜拉桥。为解决大桥钢梁合龙状态在气温变化时较为敏感的问题，文中采用灰色系统理论对在低温状态下合龙时的误差进行了分析，同时考虑温度效应及系统误差，计算出合龙口顶板间隙应缩减10 mm，采用索力适当调整保证无应力长度不变的自然低温合龙方案，代替传统顶推强制合龙方案。大桥的顺利合龙证明了该理论及方案的可行性。

关键词  斜拉桥结合梁灰色系统理论合龙

1项目背景

河口黄河大桥是兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的重难点控制工程，主桥采用主跨360 m的结合梁斜拉桥（见图1），结合梁钢梁采用纵横工字梁形成的井格梁（见图2），桥塔高99 m，是甘肃省最大跨度斜拉桥，也是国内在建8。以上地震区最大跨度斜拉桥，本桥于2014年12月26日顺利合龙。

 斜拉桥钢梁合龙是施工过程的关键技术问题，温度、施工误差、不均衡荷载等因素都会对合龙口状态造成较大的影响，特别是钢结合梁对气温十分敏感。在经过多次方案研讨及理论分析后，根据河口黄河大桥实际合龙条件，充分考虑结合梁斜拉桥的结构受力特点，采用灰色系统理论对合龙时的误差进行了分析，确定采用索力适当调整，保证无应力长度不变的自然低温合龙方案。

2合龙方案及温度影响分析

为确定一个稳定可靠的合龙温度，现场对合龙口进行了24 h的连续观测，钢梁合龙口间隙随时间的变化曲线见图3。

 由图可见，12:00～17:00点合龙口间隙变化幅度较小，钢梁温度为-6～-2℃，温度较为平稳，宜将-5 0C作为实际合龙温度。本桥的设计基准温度为15℃，若选择在-5℃合龙，就造成了20 aC的整体温差效应，作为高次超静定结构，会对结构产生较大的次内力。

根据有限元分析结果，15。C和-5℃2种状态下桥面板应力随桥长的变化曲线见图4，挠度随桥长的变化曲线见图5。

 由图4、图5可见，若结合梁在低于设计合龙温度20。C的情况下自然合龙，在最不利组合下，桥面板拉应力增加0.6 MPa，钢梁应力增加12MPa，位移增加1.8 cm。斜拉桥特点是索力可调整，如果将索力调整为设定合龙温度下的索力，上述影响将有所减少，但由于主梁长度的变化，按照无应力状态理论，桥梁状态仍不能达到原设计的理想状态。因此，需考虑在低温条件下对主梁长度进行修正，保证主梁无应力状态不变的合龙的方案。

3灰色系统理论及误差分析

 灰色系统理论是以灰色模型GM(1，1)为主体，以系统分析、建模、预测、控制、评估为纲的技术体系。这种控制方法具有实时性好、适应性强的特点，同时方法简单，精确度高。灰色预测控制系统已经成功运用在斜拉桥、连续刚构桥、悬索桥的施工控制中，并取得较好的效果。

3.1灰色生成

设原始序列

 采用灰色预测的方法对主梁容重、梁、塔抗弯刚度、拼接板螺栓孔位等结构参数进行识别与预测，表明灰色理论预测立模标高在斜拉桥施工监控中效果良好，结构参数满足施工监控的要求。分析出弹性压缩和螺栓孔间隙造成实地半跨梁长较理论值短18 mm，须在合龙段进行修正。

4合龙误差调整

河口黄河大桥跨中设4m长的钢梁合龙段，合龙口钢梁构造见图6。

 北侧合龙口按设计间隙及螺栓孔位提前安装，南侧合龙口需要考虑误差、温度效应进行调整。

 根据河口黄河大桥实际合龙条件，充分考虑结合梁斜拉桥的结构受力特点，采用灰色系统理论对结构参数进行了识别，了解了合龙时结构的真实状态，分析出弹性压缩和螺栓孔间隙造成实地半跨梁长较理论值短18 mm。由表1可见，考虑温度效应及系统误差后，合龙口顶板间隙需要缩减10 mm。由于调整值较少，采用传统强制合龙方案费工费时，可考虑将索力适当调整，满足在低温自然温度下合龙，以保证主梁无应力长度不变，合龙后再对索力进行调整。

 通过对河口黄河大桥的温度效应分析，考虑几何非线性效应及斜拉索轴向弹性约束效应，体系转化对主梁造成的挠度影响是可接受的，二次调索可保证结构成桥状态基本不变，证明考虑将索力适当调整，满足在低温自然温度下合龙思路是可行的，在不采取梁体顶推的情况下可进行合龙。该方案有效节省了工期，河口黄河大桥最终选择在2014年12月26日凌晨3点顺利合龙。

5结论

 采用灰色系统理论对合龙时误差进行分析，采用索力适当调整保证无应力长度不变的自然低温合龙方案，代替了传统顶推合强制合龙方案，解决了河口黄河大桥低温合龙的技术难题。大桥合龙后需要通过索力调整对全桥受力状态进行最后一次优化，要求对合龙后的主梁线形、塔偏、索力及结合梁应力等进行高精度通测，依据测量的实际状态对斜拉索索力进行二次优化，确保桥梁建成后实际受力状态与设计的目标状态一致。河口黄河大桥的顺利合龙，为兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道的全线通车赢得了宝贵的时间。