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預應力連續剛構橋梁懸臂施工控制論文
關鍵詞：橋梁 連續剛構 懸臂施工 施工控制
摘要：橋梁施工監控主要是施工過程的安全控制以及線形與內力狀態控制，本文主要是研究預應力砼剛構橋懸臂施工控制方案，為同類橋梁的施工控制提供可行依據。
1.工程概況
梅山大橋的主橋為預應力砼連續剛構橋，其跨徑為130+75+130，主梁為單箱單室型斷面，主橋箱梁頂板寬13.55m，底板寬5.5m，根部梁高7.5m，高跨比1/17.3；跨中梁高3.3m，高跨比為1/39.4，梁底變化曲線為1.7次拋物線；箱內頂板厚度標準段為28cm，根部加厚到50cm；腹板厚度從根部到跨中按85cm、70cm、55cm直線線性變化；底板厚度根部是110cm，跨中32cm，變化規律同梁底變化曲線。主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預應力混凝土結構。雙薄臂橋墩，采用掛籃進行分節段懸臂施工，墩梁分別采用40#、55#高強砼。設計荷載為公路－Ⅰ。連續剛構在兩個墩上按照“Ｔ構”用掛籃分段對稱懸臂澆筑，合攏段吊架現澆，邊跨現澆段采用落地架現澆方式。全橋按對稱懸臂澆筑→邊跨合攏→中跨合攏順序進行施工。
2.施工控制的目的
對于分階段施工懸臂澆筑施工的混凝土連續剛構橋來說，施工控制就是根據施工監測所得的結構參數真實值進行施工階段計算，確定出每個懸澆節段的立模標高，并在施工過程中根據施工監測成果對誤差進行分析、預測和對下一立模標高進行調整，以此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩懸臂端標高的相對偏差不大于規定值以及結構內力狀態符合設計要求。
3.施工控制的方法
3.1建立控制計算模型
該橋采用橋梁專用有限元軟件Midas/Civil建立連續剛構橋的整體計算模型，包括橋梁上部結構和下部結構(雙薄壁墩)。應用Midas/Civil軟件模擬施工過程中各梁段混凝土澆筑、預應力張拉、掛籃移動等因素，進行施工階段應力、變形的計算和驗算。梅山大橋連續剛構主橋共劃分為86個單元，其余單元為雙薄壁單元為16個，所有的單元均采用梁單元/變截面梁單元模擬。整個結構在墩底固結，兩端約束為沿橋軸向的滾動支座，墩梁剛性連接。梅山大橋采用懸臂澆筑施工，施工過程包括0#塊支架施工，掛籃懸臂施工，邊墩現澆段施工，合龍段施工。每一個施工節段包括混凝土澆筑，張拉預應力鋼束，前移掛籃三種工況，其中掛籃以集中力和力矩形式加載在每個施工節段節點其間考慮混凝土濕重對下一施工階段的影響，二期恒載以均布荷載施加整橋，嚴格與實際施工階段相對應。計算模型如圖3—1所示。
3.2自適應控制理論
對于預應力混凝土連續剛構橋梁，施工中每個工況的受力狀態達不到設計所確定的理想目標的重要原因是計算模型中計算參數的取值問題，主要是混凝土彈性模量、材料的容重、徐變系數和永存預應力等與施工中實際情況有一定的差距以及環境溫度、臨時荷載的影響。要得到比較準確的控制調整措施，必須先根據施工中實測到的結構反應來修正計算模型中的這些參數值，以使計算模型在與實際結構磨合一段時間后，自動適應結構的物理力學規律，當計算模型與實際結構相吻合后，再用計算模型來指導以后的施工，這就是自適應控制的基本原理。在閉環反饋控制基礎上，再加上一個系統辯識過程，整個控制系統就成為自適應控制系統。圖3-2為控制原理圖。
當結構測量到的受力狀態與模型計算結果不相符時，通過將誤差輸入到參數辯識算法中去調節計算模型的參數，使模型的輸出結果與實際測量到的結果一致，得到了修正的計算模型參數后，重新計算各施工階段的理想狀態。這樣，經過幾個工況的反復辯識后，計算模型就基本上與實際結構相一致了，在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。
橋梁的施工控制是一個預告-施工-量測-識別-修正-預告的循環過程。施工控制的要求首先是確保施工中結構的安全，其次是保證結構的內力合理和外型美觀。為了達到上述目的，施工過程中必須對橋梁結構內力(如主梁應力)和主梁標高進行雙控。采用懸臂澆筑的連續剛構橋在施工過程中是靜定結構，只要嚴格按橋梁施工規范進行操作，內力狀態一般能夠得到保證，主要問題是施工中及長期徐變撓度的控制。由于連續剛構橋在施工過程中及合攏時不具備斜拉橋的索力調整能力，一旦發生線形誤差，將永遠存在于結構中，因此，及時發現誤差原因，盡量減小誤差發生的可能性是連續剛構施工控制的關鍵。所以，對于連續剛構施工控制系統除了要求具備常規的結構分析計算手段外，具有在施工現場消除設計與實際不一致的自適應能力就成為關鍵，只有這樣才能及時提供控制標高和控制內力的修正值。
3.3橋梁立模標高的確定
在主梁的懸澆過程中，梁段立模標高的確定關系到主梁的線形是否平順、如果在確定立模標高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確控制，則最終橋面線形較為良好，反之控制不力，會出現較大偏差。眾所周知，立模標高并不等于設計橋梁建成后的標高，為使成橋線形與設計線形相符合，總要設一定的預拱度，以抵消施工中產生的各種變形。立模標高公式如下：
式中：—i節段立模標高（節段上某確定位置）
—i節段設計標高
—由各梁段自重在i節段產生的撓度總和
—由張拉各節段預應力在i節段產生的撓度總和
—混凝土收縮、徐變在i節段引起的撓度
—施工臨時荷載i節段引起的撓度
—使用荷載在i節段引起的撓度
—掛藍變形值 其中掛藍變形值是根據掛藍加載試驗，綜合各項測試結果，最后繪出掛藍荷載—撓度曲線，進行內插而得。而五項在前進分析和倒退分析計算中加以考慮輸出結果的預拋高值就是這五項的撓度值的總和。即
3.4橋梁現場施工監測
3.4.1撓度監測
連續剛構橋施工控制的主要目的之一就是控制成橋線形，實時的撓度觀測數據是實現撓度控制保證成橋線形的主要依據。對于采用掛籃懸臂澆筑施工的主橋箱梁施工控制觀測點基本上按照設計方式設置，在每一懸澆節段頂面端部3-5（cm）處預埋五個鋼釬，作為觀測點。這樣不僅可以觀測箱梁的撓度，同時可以觀察箱梁是否發生扭轉變形。在施工過程中，對每一斷面需要進行立模、混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、鋼束張拉前、鋼束張拉后的標高觀測，以便觀察懸臂澆筑梁段的各點撓度及T構的整體線形變化歷程，同時考慮主梁線形對溫度、日照較敏感，測量時間應選在日出之前溫度較恒定的時段內進行，以保證T構懸臂端的合龍精度及最終的全橋線形符合設計標高。
3.4.2應力監測
連續剛構橋梁應力（或應變）監測主要是對施工階段的主梁、橋墩的應力（或應變）進行監測。通過應變跟蹤觀測，隨時知道梅山大橋主梁受力狀況以及各施工階段箱梁關鍵部位應力的變化規律，比較理論值與真實值判定應變是否超限，把握結構的安全狀況和保證施工安全。該項觀測在每一施工階段都要進行，貫穿整個施工過程。梅山大橋結構應變監控的主要內容：對主橋中、邊跨混凝土箱梁主梁、橋墩的關鍵斷面，實行每一節段施工過程中共監測4次，分別是混凝土澆筑前、后，預應力張拉前、后，在主梁合攏及二期恒載施工完畢也應進行應力應變監測。測試時間選擇在日出前溫度較穩定時。
3.4.3溫、濕度場觀測
橋梁結構處于一個變化的溫濕度場中，理論上說由于溫度變化和濕度變化，橋梁的斷面應力和主梁標高每時每刻都在變化，這就給測量結果帶來不確定的因素，要完全解決溫濕度問題，有很大的難度。對主橋各部位溫度的監測，與變形共同分析，必要時還需要對箱梁斷面溫度分布和大氣溫濕度進行監測。
梅山大橋溫濕度監測的主要內容如下：
（1）橋址環境溫度，大氣溫濕度；
（2）主橋混凝土箱梁以及橋墩的內外表面溫度。
溫濕度監測貫穿整個施工過程，針對箱梁關鍵部位布置溫濕度觀測點進行觀測與主梁的線形監測同時進行，一般選擇在日出前完成。溫度梯度監測為晝夜24小時連續觀測，間隔4小時，分別在2：00、6：00、10：00、14：00、18：00、22：00等時刻進行觀測，以了解溫度變化對橋梁結構內力、變形的影響，為施工控制和箱梁應力分析提供依據。
3.4.4鋼絞線管道摩阻損失的測定
在進行預應力鋼絞線和預應力筋張拉時，由于管道摩阻、溫度變化、錨具等原因造成預應力不同程度的損失，預應力張拉質量的監測旨在定量的測定預應力的損失，以確定實際有效的預應力，為結構分析計算提供依據。
測試的基本內容為：
（1）錨圈口摩阻損失測定；
（2）孔道摩阻損失測定，確定實際孔道摩阻系數和偏差系數。
3.4.5砼彈性模量、容重以及收縮徐變的測試
混凝土收縮徐變對主梁內力與撓度均有較大影響，應專門驚醒混凝土7、14、28、90天四個加載齡期的收縮、徐變試驗，得出相應的收縮徐變系數和彈模值。同時，采用箱梁懸臂澆筑混凝土現場取樣，制成試件。先對試件尺寸進行精確測量，分別測定3、7、14、28、60、90天齡期的彈性模量值，通過萬能實驗機進行測定，以得到完整的彈性模量與齡期E—t變化曲線，為主梁預拱度的修正提供依據。混凝土容重的測量也是在現場取樣，采用實驗室的常規方法進行測定。
3.5施工誤差的調整
施工誤差調整應從兩個方面著手解決，一方面是設計參數誤差調整即參數的估計與修正，另一方面進行施工誤差的調整，用Kalman濾波法、灰色理論等方法對以后每個塊件的施工誤差進行調整.兩者缺一不可.參數識別與修正橋梁結構的實際狀態與理想狀態存在一定的誤差（設計參數誤差、施工誤差、測量誤差以及結構分析模型誤差等）因此本橋采用卡爾曼濾波對施工誤差的特性進行分析，然后運用最小二乘法對設計參數進行識別，最后確定施工誤差調節控制方案。
４.結論
利用工程實例對預應力砼剛構橋懸臂施工的特點進行的詳盡的分析，對施工控制方案的制定、實施及其施工控制過程中的影響因素作了全面的分析，使橋梁結構始終處于安全的可控狀態，為施工的順利進行提供了可靠的保證。
參考文獻
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