（市政工程专业论文）英山河大桥施工控制.pdf

英山河大桥施工控制 摘要 本文主要从施工的角度，介绍了英山河大桥( 六跨刚构一连续组合梁桥) 施工控制的目的和意义，简述了刚构一连续组合梁桥施工控制的基本理论。并 以欧拉压杆稳定理论为基础，利用空间有限元的方法对薄壁高墩在施工过程中 的稳定进行分析，提出在施工过程中应对薄壁高墩施工及“t ”构施工进行严 密监控，所提出的稳定计算方法及分析结果为该类桥稳定控制提供了可靠的依 据。通过不同合拢温度对刚构一连续组合梁桥结构受力的比较，分析得出刚构 一连续组合梁桥的连续刚构体系在年温差荷载作用下将产生较大的内力，并指 出合拢温度对于刚构一连续组合梁桥的影响主要是对桥墩、桩等有关控制截面 最不利组合内力的影响，在一般情况下选择低温合拢对结构受力是有利的；结 合该桥高温合拢的实际情况，提出了刚构一连续组合梁桥在高温合拢情况下采 取预施加反顶力的旄工对策，并通过结构分析与工程实践证明了采用该措施的 有效性。 关键词：刚构一连续组合梁桥；施工控制；稳定控制；年温差荷载；合拢 c o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fy i n g s h a n h eb r i d g e a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f r o mc o n s t r u c t i o na s p e c tt h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ep u r p o s e ， s i g n i f i c a n c e a n db a s i ct h e o r yo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e b r i d g ew i t hr i g i df r a m e - c o n t i n u o u sc o m p o s i t eb e a mb r i d g eo fy i n g s h a n h eb r i d g e a n de u l e rt ot h et h e o r yo fe l a s t i c i t y ，u s eo fs p a c ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df o r t h i n - w a l l e dh i g hp i e rc o n s t r u c t i o np r o c e s si nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sm a d ei nt h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s s h o u l dt h i n h i g hp i e r c o n s t r u c t i o na n d ”t “f r a m e c o n s t r u c t i o no fc l o s ec o n t r o lb yt h es t a b i l i t yc a l c u l a t i o nm e t h o da n dr e s u l t so f s u c hb r i d g es t a b i l i t yc o n t r o lp r o v i d e sar e l i a b l eb a s i s a n a l y s i so ft h e d i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec l o s u r eo f t h eb r i d g es t i 3 3 c t u r ef o r c e s ，a n dt h a tc l o s u r et e m p e r a t u r ef o r p r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g ew i t hr i g i df r a m e - c o n t i n u o u sc o m p o s i t eb e a mb r i d g e t h em a j o ri m p a c to ft h ep i e ra n dp i l i n gi nt h ec o n t r o l s e c t i o no ft h em o s t n n f a v o r a b l ec o m b i n a t i o no fi n t e r n a lf o r c e s 。i nn o r m a lc i r c u m s t a n c e sc l o s u r er i g h t c h o i c eh y p o t h e r m i af o r c es t r u c t u r ei sf a v o r a b l e ；t h eb r i d g ec l o s u r ew i t ht h ea c t u a l h i g ht e m p e r a t u r e ，p r e s t r e s s e d c o n c r e t eb r i d g ew i t h r i g i d f l a m e c o n t i n u o u s c o m p o s i t e b e a m b r i d g ec l o s u r e o ft h e h i g ht e m p e r a t u r e e x p e c t e d t ot a k e a n t i i m p o s e dm a x i m u mo fc o u n t e r m e a s u r e s ，a n dt h r o u g hs t r u c t u r a la n a l y s i sa n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c ep r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e a s u r e s k e y w o r d s ：r i g i df r a m e c o n t i n u o u sc o m p o s i t eb e a mb r i d g e ，c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ， s t a b i l i t yc o n t r o l ，t h et e m p e r a t u r el o a d ，c l o s eu p 表格清单 表5 12 号墩4 、5 号块纵向预应力张拉记录表2 9 表5 2 分级加载相关数据计算表3 1 表5 3 薄壁空心墩自身稳定分析结果37 表5 4 最大悬臂状态时结构的稳定分析结果38 表6 一l 不同合拢温度正常使用极限状态主梁最不利截面应力4 1 表6 22 号墩2 5 合拢墩底年温差荷载变化表4 2 表6 33 号墩2 5 合拢墩底年温差荷载变化表4 2 表6 44 号墩2 5 合拢墩底年温差荷载变化表4 2 表6 5 不同合拢温度正常使用极限状态最不利组合桩顶截面剪力和弯矩 表44 表6 62 5 正常合拢与反顶合拢正常使用极限状态最不利组合桩顶截面受力 对比45 图1 一i 图2 一l 图2 2 图3 一l 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 插图清单 连续梁桥不同结构体系的基本图式3 自适应控制原理图11 英山河大桥旋工控制流程图12 英山河大桥总体布置图l5 上部结构施工顺序图l6 桥跨立面图及结构计算离散17 结构计算图l9 前进分析程序系统流程图2 l 倒退分析程序系统流程图2 2 平弦无平衡重挂篮立面示意图31 挂篮预压变形图32 测点布置图33 墩自身侧向失稳变形图36 薄壁墩侧向失稳变形图36 失稳模态图38 2 5 合拢年温差荷载作用主梁控制截面轴力变化图4 1 25 合拢年温差荷载作用主梁控制截面弯矩变化图4 1 l5 、2 5 合拢年温差荷载作用2 号墩墩底剪力图4 3 i5 、2 5 合拢年温差荷载作用2 号墩墩底弯矩图4 3 施加反顶力示意图4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 盒起王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位敝储擗必彳签字魄砖m 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金肥王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权佥胆些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：矽彩车多月，口日 学位论文作者毕业后去向： 工十1 姚；彳；鲈 c 弘扔灼 通讯地址： 导师签名： 特醐1 钆局棚 电话： 邮编； 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师合肥工业大学土建学院王国体教授表示 最诚挚的感谢! 感谢导师在学业上和生活上给予我的极大关怀和帮助! 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了 王国体老师的悉心指导，无论课程学习、论文选题，还是收集资料、论文成稿， 都倾注了王国体老师的心血。王国体老师深厚的学术修养、严谨求实的治学态 度和豁达乐观的生活态度，是我学习的楷模。他那广博的学识、严谨的治学作 风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益。此外王国体老 师还教导我要虚心请教，甘于吃苦，甘于吃亏、不断求进。这使我得以顺利完 成小论文的发表和我的硕士学位论文。在此，再次向他表示最诚挚的感谢! 向评阅论文的各位专家、教授表示衷心地感谢! 最后感谢始终给予我鼓励和盼望我进步的家人! 王宝华 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 刚构一连续组合梁桥发展概况 美国混凝土学会( a c i ) 对预应力混凝土作了如下定义：预应力混凝土是根据需 要，人为地引入某数值与分布的内应力，用以部分或全部抵消外荷载应力的一种 加筋混凝土，应用预先加给混凝土的应力，抵消作用在混凝土结构上的荷载，使混 凝土承受更大拉力，成为能和钢材相匹比的材料。在预应力技术产生之前，简支梁、 悬臂梁与连续粱这三种梁式结构体系，早为人们所采用。受技术、施工等条件的限 制，其跨径没有质的突破n 】。 2 0 世纪4 0 年代末，预应力技术的出现翻开了桥梁建设的新篇章，预应力技术的 应用，极大地改善和加强了混凝土结构。1 9 5 3 年在德国建成了世界上第一座自架设 体系的预应力混凝士t 型刚构桥一沃尔姆斯大桥，是跨度为1 0 1 6 5 m + i 1 4 2 m + i 0 4 2 m 的带铰t 型刚构。1 。由于施工中采用了悬臂施工的新工艺，其最大优点是旃工时可不 设支架，对于跨越深水、深谷、大河的大跨度桥梁，施工十分有利，可大大缩短工 期和降低造价，使得t 型刚构桥这种桥型的结构性能和施工特点达到高度的协调统 一。t 型刚构桥不仅发挥了预应力混凝土结构的受力特点，更使得悬臂施工技术在预 应力混凝土梁式桥中的应用得到了新的推广与创新，目前t 型刚构桥最大跨径达到了 2 4 0 m 。预应力混凝土t 型刚构桥从结构形式上来说主要分为两种：跨中设铰和跨中设 挂梁。铰的作用是用以传递剪力和保证梁的自由伸缩，但由于铰的设置，这类结构 使造价提高，构造变得复杂，也给施工带来不便。从结构受力看，在混凝土的差异 徐变和日照温差影响下，铰内会经常产生剪力，梁内也会因此引起相应的附加内力， 结构受力不利。从使用性能看，由于铰的设置，使路面在铰接处断开，当预拱度设 置稍有不妥的时候，桥上纵坡会因此里折线变形，对外观与使用均带来不利影响， 甚至造成结构物不能继续使用；为了避免铰接t 构的许多缺点，后期修建的t 型刚构 采用跨中带挂梁的形式，以梁换铰后，恒载弯矩降低，并大大缓和了由于预拱度设 置不当带来的桥上纵坡折线形变化，但是带挂梁的t 型刚构的缺点是需要增加一套架 梁设备饼。 进入八十年代以后，随着高速公路交通的迅速发展，要求行车平顺舒适，连续 梁桥得到了迅速的发展。连续梁桥除两端以外无其他伸缩缝，有利于行车，但施工 中需要梁墩临时固接和进行体系转换，同时需设置大吨位的盆式橡胶支座，增加了 费用及养护工作量，并且支座的承载力限制了其跨径的发展。于是预应力混凝土连 续刚构桥应运而生，近年来得到较快的发展。这种结构体系综合了t 型刚构和连续梁 两种体系优点、并摒弃了两者缺点。连续刚构桥的桥墩与梁体固接，不需要象连续 梁一样设置大吨位支座，节省了大型支座的昂贵费用，减少墩及基础的工程量，并 改善了结构在水平荷载作用下的受力性能。同时因为梁体连续，避免了t 型刚构桥的 伸缩缝多、行车不舒适的缺点；并采用柔性薄壁墩作为主墩，利用柔性薄壁墩的柔 性来适应因各种外力所引起的纵向位移，同时也减小了墩身与基础所承受的弯矩“1 。 但是，由于墩梁固接，随着连续联长的增大，对温度变化与混凝土收缩、徐变及施 工误差等因素比较敏感，在温度、混凝土收缩徐交等荷载的作用下，墩顶和主梁将 产生很大的顺桥向水平和转角位移，墩顶弯矩也随之增加，并产生不可忽视的附加 弯矩，而且对施工工艺的要求较高。因此，多跨一联的连续刚构桥难以突破联长的 限制吲。 刚构一连续组合梁桥的出现突破了多跨一联的连续刚构桥难以突破联长的限 制，刚构连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构桥的结合体，通常是在一联连续梁 的中部数孔采用墩顶固接的刚构，边部数孔设置支座的连续梁结构。刚构一连续组 合梁桥兼顾了连续梁桥和连续刚构桥两者的优点而扬弃了各自的缺点，在结构受力、 使用性能等方面都具有一定的优越性。刚构一连续组合梁桥典型实例有瑞士的比艾 施纳( b i a s c h i n a ) 桥，该桥为六跨一联变截面刚构一连续组合梁桥，跨径为 5 8 + 8 5 + 1 4 0 + 1 6 0 + 1 4 0 m + 6 2 m ，该桥建于深河谷，桥墩高差甚大，中间两个高墩( 约 l o o m ) 采用墩梁固接，其余各墩较低，相对主墩刚度要大，则在墩顶设置滑动 支座嘲。此外，我国山东东明黄河公路大桥是我国首次建造的预应力混凝土刚 构一连续组合梁桥，主桥为九跨一联，中部4 个墩采用墩梁固接，两侧其余各 墩在墩项设置双排支座，开创了刚构一连续组合梁桥结构体系在我国桥梁建设 中应用的先例”m ，。 由于刚构一连续组合梁桥具有其独特的结构优势，是一种较为先进的预应力混 凝土桥型，近年来这种桥型受到了各国桥梁工作者青睐。我国大跨径混凝土连续 刚构组合梁桥发展较晚，在结构分析、设计施工等方面还需不断地完善和发展”1 。因 此，对连续一刚构组合体系梁桥进行科学合理的分析研究，建立和完善相应的结构 分析系统，有着重要的意义。 i 2 刚构一连续组合梁桥的特点 连续梁桥在结构体系上主要分有：连续梁桥、连续刚构桥及刚构一连续组 合梁桥等，图l 一1 为其基本图式。刚构一连续组合梁桥是连续梁桥与连续刚构 桥的结合体，兼顾了两者的诸多优点，如桥面连续、减少了大吨位支座、整体 性好等，可增大联长又突破了矮墩的限制。刚构一连续组合梁桥主要是多联( 3 跨以上) ，即一般有2 个以上主墩采用墩梁固接“1 。这种类型的桥梁也可称为具 有墩梁固接的连续梁桥，桥墩中墩梁固接的部分多在大跨、高墩上采用，它利 用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的纵 向位移，即把高墩视做一种摆动的支承体系，边跨较矮的桥墩，相对的刚度较 大，不能起到摆动作用时，需在桥墩 2 桥型三刚构连续组合粱桥 图i i 连续梁桥不同结构体系的基本图式 顶部设置支座，以适应纵向位移，但整个结构必须是几何不变体系。刚构一连 续组合梁桥的主要优点在于可以减少大型桥梁支座和养护上的麻烦，减少桥墩 及基础工程的材料用量，另一优点是抗震性能好，水平地震力可均摊到各墩来 承受，而连续梁则需设置制动墩承受或采用价格较昂贵的专用抗震支座哺1 。刚 构一连续组合梁桥主要特点为： ( 1 ) 作为刚构一连续组合梁桥在构造上一般要有两个以上主墩采用墩梁 固接，要求主墩有一定柔度而形成摆动支承体系，因此常在大跨、高墩结构中 采用。 ( 2 ) 墩梁固接有利于悬臂施工，同时也免除更换支座，在结构上常选用 变截面主梁。 ( 3 ) 在受力方面，上部结构仍为连续梁特点，但必须计入由于桥墩受力 及混凝土收缩、徐变、温度变化引起的弹塑性变形对上部结构内力的影响。桥 墩需有一定柔度，所受弯矩有所减少，而在墩梁结合处仍有刚架受力性质。 ( 4 ) 边跨桥墩较矮，相对刚度较大时，为适应上部结构位移的需要，墩 梁应做成铰接或设置支座。 ( 5 ) 伸缩缝的位置设置在连续结构的两端，要求两端的位移量不应相差 太大1 。 ( 6 ) 为保证结构的水平稳定性，桥台处通常需设置控制水平位移的挡块 i s 1 3 刚构一连续组合梁桥在旌工过程中应注意的问题 与连续梁桥和连续刚构桥相比，剐构一连续组合梁桥有其自身的力学特 点，在施工过程中应注意以下几点： 1 悬臂浇筑时墩身稳定性 桥墩中墩梁固接的部分多在大跨、高墩上，采用悬臂浇筑施工的刚构一连 续组合梁桥，由于其墩身剐度较小，墩身较柔，允许较大的变位，特别是在不 对称施工荷载、不平衡力矩作用下墩身承受较大弯矩，墩梁固接处弯矩更大， 结构的变形大，施工稳定性差。为了加强稳定性，根据我国悬臂施工的经验， 有以下几种方法：桥不高，水不深且易搭设临时支架时选用支架固接，此法的 不平衡力矩完全依靠梁的自重来保持稳定；利用临时立柱，将预应力筋下端锚 固在基础承台，上端在箱梁底板内张拉并锚固，立柱在施工中始终受压，以维 持施工中的稳定；在桥高水深，采用三角撑架敷设墩身上部临时支承梁，并使 用沙筒作施工完后体系转换的卸架设备，待完成体系转换后再拆除。 2 刚构一连续组合梁桥浇筑合拢段旌工 刚构一连续组合梁桥悬臂浇筑合拢段施工是悬浇施工中的关键。箱梁悬臂 施工过程中，连续梁体系主梁与桥墩之间设有盆式橡胶支座，支座不能承受不 平衡力矩，墩梁之间需要采取临时固接措施，以承受墩两侧产生的不平衡力矩。 而刚构体系主梁与墩身是永久固接，不存在设置临时固接，但对年温差影响比 较敏感，合拢温度及合拢方案的选择，对桥梁结构影响较大。若存在多跨连续 梁体系，应先合拢连续梁体系，解除临时固接后，再与刚构体系合拢。 1 4 预应力混凝土刚构一连续组合梁桥施工控制的重要性及其状况 1 4 1 预应力混凝土刚构一连续组合梁桥施工控制重要性 对大跨度预应力混凝土剐构连续组合梁桥来说，自架设体系旌工方法的采用， 必然给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移变化，一些新的问题也随之而来( 主梁截 面的应力控制、合拢前悬臂端标高的偏差、梁轴线的横向偏移以及合拢后的桥面线 形等) 。为了解决好这些问题、保证桥梁施工质量和桥梁施工安全，施工中对其进行 工程控制是其必然要开展的工作，具有重要的意义。 1 施工监控是大跨径预应力混凝土刚构一连续桥施工质量的保证。 对刚构一连续桥而言，在施工过程中要经历多次体系转换，结构单元数量、荷 载逐步变化，是一种复杂的超静定结构。在悬臂施工过程中，其主梁的竖向挠度和 截面应力变化幅值大。加上悬臂旖工法使各节段之间相互影响，而这种影响又存在 着差异，不具有明显的规律性。随着混凝土浇筑( 或块件拼装) 过程变化，桥梁实际 状态与设计理想状态的误差必然导致主梁各节段的内力值和位移值与设计值偏离， 为了保证工程质量，就需要有一个科学合理的施工控制系统，来综合考虑各种影响 4 因素，严格监控整个施工过程中结构的变形、应力情况，达到指导施工的目的，以 确保桥梁的成桥线形及结构受力状态符合设计要求。 2 施工监控是大跨径预应力混凝土刚构一连续桥施工安全的保证。 当施工程序确定以后，旌工过程中每一阶段的结构内力和变形都是可以预计的， 而且通过旌工监测手段可以得到施工过程中每一阶段的实际结构内力和变形，从而 可以跟踪和掌握整个施工的进程和发展情况。当发现施工过程中监测所得到的实测 值与理论计算的预计值相差甚大的情况时，必然事出有因，此时就应立即提醒旌工、 设计人员进行检查、分析误差原因而不应再继续施工，否则将可能导致事故发生。 这方面实例太多，例如跨径5 4 8 6 4m 的加拿大魁北克桥就是因为在施工中两次发生 事故而闻名于世的。该桥采用悬臂拼装法施工，当南侧锚锭桁架快架完时，突然崩 塌坠落，原因是悬出的桁架太长( 悬臂长1 7 6 s m ) ，因此，靠近中间墩处的下弦杆受 压力过大，致使下弦杆腹板失稳而引起全桁架严重破坏。尽管造成事故的原因是设 计问题，但若当时采用了旌工控制手段，在内力较大的杆件中布置监控测点，当发 现异常现象时，及时停工检查，就可避免崩塌事故。由此可知，为避免突发事故的 出现，按时安全地建成一座桥，施工控制是有力的保证n ”。也可以这样说，桥梁施 工控制系统就是桥梁建设的安全系统。为确保桥梁施工的安全，桥梁施工控制必不 可少，尤其对造价昂贵的大跨度桥梁更为重要。 3 施工监控是大跨径预应力混凝土刚构一连续桥运营中的安全和耐久性 的综合监测系统。 随着交通事业的发展，荷载等级、交通流量、行车速度等必然提高，还有 一些不可预测的自然破坏力也将会危及桥梁的安全，这就对桥梁提出了越来越 高的要求。若在建设桥梁时进行了施工控制，并预留长期观测点，将会给桥梁 创造终身安全监测的条件，从而给桥梁营运阶段的养护工作提供科学的、可靠 的数据，给桥梁安全使用提供可靠保证。这说明在桥梁的营运阶段仍然急需要 一套长期有效的监测系统，使桥梁养护部门能根据该桥的实际使用情况进行有 效的更换和维护，而不是目前只靠外观检查等简单手段，得到粗略的依据进行 不切要害的养护。要彻底改变目前我国桥梁养护部门的现状，科学地、较为主 动地预报桥梁各部位营运情况，必须在桥梁施工中进行施工控制系统的建立， 并使其能长期对桥梁营运阶段进行监测，这样才能确保这些耗资巨大、与国计 民生密切相关的大桥的安全耐久“”。 由此可见，对大跨径预应力混凝土刚构一连续桥进行工程施工控制是现代 桥梁建设的必然趋势。 1 4 2 国外施工控制情况 随着桥梁结构不断地向大跨径、轻型化的方向发展，其施工难度也在不断地提 高。这是由于大跨径桥梁结构的建设多采用逐阶段、分期分批，以自架设方式进行 ， 的，每一阶段的施工情况对最终成桥状态都有影响，特别是随着跨径的增大和结构 的轻型化，这种影响也越来越大，甚至大到严重影响成桥线形、内力、应力分布的 程度。 国外在桥梁施工控制技术方面的研究和应用起步较早，众多发达国家己将施工 控制纳入常规施工管理工作中，控制方法己从人工测量、分析与预报，发展到自动 监控、分析预报、调整的计算机自动控制，并己形成了较完善的桥梁施工控制系统。 早在6 0 年代就从斜拉桥索力调整控制开始，开展了桥梁施工控制技术的研究。现在 在大跨径斜拉桥、连续梁桥、连续刚构桥、刚构一连续组合梁桥、悬索桥、拱桥的 建设中，大都采用了施工控制技术。其中，以斜拉桥的施工控制应用最多早在8 0 年 代初，日本在修建月夜野预应力连续梁桥时，就建立了施工控制所需的应力、挠度 等参数的监测系统，并用微机进行了实时控制处理；在修建c h i c h b y 斜拉桥时，建立 了索力调整的计算机辅助施工监测系统，其施工控制技术的发展是相当迅速的。加 拿大在修建安纳西斯桥时，施工监控技术在整个工程中所起的作用也是不容忽视的 i 1 1 1 4 3 国内施工控制情况 国内在桥梁施工控制技术方面的研究和应用较晚，开始主要集中在对斜拉桥的 研究上。与国外相比，差距主要表现在对桥梁施工控制的理论与实践研究还不够、 监测手段落后、对影响施工控制的因素研究不透、预铡和判断精度不高还未较好地 建立起一套完善的施工控制技术系统和组织管理系统。国内近十几年来也提出了许 多建立在现代工程控制理论基础上的桥梁施工控制方法，并在实桥的施工控制应用 中得以成功运用。虽然取得了一定的成绩，但今后桥梁施工控制的研究工作主要是 还要更深入研究桥梁施工控制理论，研制更加合理、实用的控制软件以及更加方便、 精确的监测设备，建立完善的桥梁施工控制技术系统和组织管理系统。 早在8 0 年代修建上海柳港大桥时，就首次成功地应用了卡尔曼滤波原理进行斜 拉索索力调整，在跨中主梁合拢时，两悬臂端挠度偏差调整到了理想的误差范围以 内，使设计时的理想数值在施工中得以准确实现。此后，钟万锶等提出了斜拉索不 变形预张力的概念，以斜拉索不变形预张力作为控制变量，建立整个张拉控制过程 的模型，进行斜拉索张拉的控制。此外，郭文复根据最优化原理提出：使斜拉桥指定 截面的内力及指定节点处的位移与理想值的最大相对偏差的绝对值最小，以此作为 目标函数的调索方法。还有肖汝诚等人利用广义影响矩阵的概念，将斜拉桥优化的 目标函数统一用索力变量与广义影响矩阵表示，推导出了斜拉索力优化的影响矩阵 法，为斜拉索的索力控制提供了新的方法。虽然施工控制的应用最先起于斜拉桥， 但近年来，预应力施工技术的进步使混凝土梁桥向着大跨度方向发展，也使施工控 制技术在大跨度预应力混凝土桥梁中的应用上引起了桥梁专家的重视。尤其对于新 型的连续刚构桥、刚构一连续梁桥，随着预应力施工技术、悬臂施工技术的成熟， 6 加上施工控制技术的紧密配合，为预应力混凝土连续刚构桥、刚构一连续桥的大跨 度化提供了良好的条件，但另一方面，也对施工控制技术提出了更高的要求n ”。 以随机系统最优控制理论为指导，采用k a l m a n 滤波原理进行状态识别和参数识 别的施工控制方法，在大跨径预应力混凝土连续刚构桥方面，该种方法已在重庆黄 花园大桥( 主跨2 5 0 米) 等多座大桥的施工建设中获得了成功地运用。该法是在建立现 场量测系统的前提下，通过状态方程，量测方程的建立，定义控制指标，最后通过 求解状态矢量在其测量空间h i l b e r t 意义下的正交投影来实现最优随机控制过程但 卡尔曼滤波法的控制变量与状态变量之间为线性关系模型，与桥梁实际施工效应模 型存在一定的差异，在实用上还是存在一定的局限性。参数识别法是在大桥施工过 程中根据实测主梁的内力和挠度等信息运用最小二乘法识别和修改设计时采用的参 数，如块件重量、有效预加力、弹性模量、徐变系数等，对结构进行实时分析，对 原有设计值进行校核和调整，重新给出标高和预加力的施工控制值。但由于纯粹依 靠参数识别的跟踪分析系统总是滞后于施工，不能预先指导旆工，使得参数识别法 的应用受到限制。人工神经网络是在现代神经生理学和心理学基础上发展起来的一 支十分活跃的交叉学科。从8 0 年代后期开始成功地运用于各个领域。其最大的特点 是自适应，它通过自身的学习机制自动形成所要求的决策区域。它能充分利用状态 信息，对来自不同状态的信息逐一训练得到均衡的收敛的权值，这些权植代表了网 络的某种映射关系，而且网络可连续学习，当环境改变，这种映射关系可以自适应， 以求对对象的进一步逼近。在工程控制领域，b p 神经网络是目前应用最广泛的一种 神经网络模型。在混凝土连续刚构桥的施工控制中，通过施工悬臂现浇节段己产生 的标高偏差数据，来训练b p 神经网络，让自学习后的神经网络能预测后续节段施工 中可能产生的偏差，从而对立模标高进行调整，以达到与设计值尽量一致的目的。 目前己经成功的在连续刚构桥中得到运用“”。 由上述可知，国内桥梁施工控制主要注重桥梁的几何变形控制和应力控制，对 桥梁的稳定性控制不够关注，再加上现行连续刚构桥、刚构一连续组合梁桥的设计 中。主要重于桥梁建成后的稳定计算，对桥梁结构的稳定性验算问题不够重视，导致 了有的桥梁因失稳而丧失承载能力n ”。所以，在桥梁施工控制中稳定控制、安全控 制与几何变形控制和应力控制同等重要，在桥梁施工过程中不仅要严格控制变形 和应力，而且要严格地控制施工各阶段结构构件的局部和整体稳定。确保施工 过程及日后使用阶段的安全性。 目前，对施工过程中可能出现的失稳现象还没有可靠的监测手段，尤其是 随着桥梁跨径的增长，受动荷载或突发情况的影响，还没有快速反应系统，所 以，很难保证桥梁施工安全。为此，应建立一套完整的稳定监控系统。目前主 要通过稳定分析计算( 稳定安全系数) ，并结合结构应力、变形情况来综合许定、 控制其稳定性。 桥梁的稳定安全系数是衡量结构安全的重要指标，但现行规范中尚未详细 7 列出不同材料的不同结构在不同工况下的最小稳定系数。对此，有待今后完善 ( 1 2 】。 1 5 课题来源及本文的研究内容 本文依托中铁四局一公司承建的六潜高速公路岳潜段第三合同段英山河 大桥施工项目。通过对国内外现有大跨径预应力混凝土连续刚构桥的施工控制 方法的比较，结合英山河大桥工程实践，利用自适应控制理论对大桥进行施工 监控。本文的研究内容主要集中在：自适应理论的基本原理，系统模型的选取， 单薄壁高墩稳定控制理论计算，非设计温度下的刚构一连续组合梁桥合拢技 术。 8 第二章刚构一连续组合梁桥旖工控制一般方法及其特点 2 1 旌工控制的基本理论 现代控制理论是在古典控制理论的基础上发展起来的，在不断发展的过程 中，形成了很多独立的分支，大体上可归纳为线性系统理论、系统辨识、最优 控制、最优估计、自适应控制、模糊控制、专家系统控制等理论。 通常在桥梁施工中采用较多的控制理论有最优控制理论和自适应控制理 论两种。最优控制理论是在己知系统的状态方程、初始条件及某些约束条件下， 寻求一个最优控制向量，使系统的状态或输出在控制向量下满足某种最佳准则 或使某一指标泛函达到最优值。 根据数学模型的不同，最优控制问题可分为确定性最优控制问题和非确定 性最优控制问题。确定性最优控制问题是指控制对象的运动规律可以用确定的 数学模型来描述，其核心内容是在控制对象性能指标最优的条件下，求系统变 量( 控制变量) 的变化规律，或求控制变量之间的变化规律。找到了这个规律也 就找到了实现最优控制的途径。非确定性的最优控制问题也称为随机最优控 制，这类问题的特点是控制对象的输入与输出中均存在随机噪声干扰，即数学 模型中含有随机变量。在解决这些问题时，需要用概率论与随机过程理论等数 学工具。 自适应控制研究的对象是具有一定程度不确定性的系统。面对客观上存在 各种不确定性，自适应控制系统能在其运行过程中，通过不断地测量系统的输 入、状态、输出或性能参数，逐渐地了解和掌握对象，然后根据所得的过程信 息，按一定的设计方法，做出控制决策去更新控制器的结构、参数或控制作用， 以便在某种意义下使控制效果达到最优或近似最优。一个理想的自适应控制系 统应具有适应环境变化和系统要求的能力，在变化的环境中能逐渐形成所需的 控制策略及控制参数序列，在内部参数失效时有恢复的能力以及良好的稳定性 n 2 】 2 2 刚构一连续组合梁桥施工控制的方法 通常施工控制所采用的最优控制理论及相应的施工控制方法，有其本身的 特点，但应用在悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥、刚构一连续组合梁 施工控制中，有一定的缺陷。最优控制理论应用的前提就是系统具有可控性和 可测性。而在悬臂浇筑标高控制中，若以节点预拱度为状态向量，以预拱度调 整值为控制变量，则己施工节点的状态是不可控的，运用最优控制的算法，只 能控制以后各梁段的标高，计算的结果实际上是根据以前的误差来修正将来的 标高。但问题是这误差是根据不十分准确的计算模型得到的，虽然下一施工 节段这一误差被纠正了，而下一节段施工完后又变为不可控，随着施工的进展， 以后各阶段计算模型的误差仍然会造成该节段的误差，以此类推，控制的结果 只能保证最后合拢段符合设计线形。目前不少有关旃工控制介绍文献都说明其 合拢段标高如何准确，其实这是很容易的，只要在最后几节段施工前对己旌工 的箱梁节段进行统计，并根据统计得出来的误差对预报值稍作调整即可，而桥 梁标高控制成功与否的关键是全桥所有点标高偏离实际曲线多少。 从根本上看，悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥悬臂浇筑立模标高的确定，主 要是一个预拱度( 挠度) 的确定过程，一旦结构构造、浇筑过程及施工机具确定， 各施工阶段的预拱度( 挠度) 随即确定，而且这一预拱度在理论上是唯一的，不 存在多种选择方案，因此也没有最优控制问题。 自适应控制的主要思路是：当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相 符时，通过将误差输入到参数辨识算法中去计算模型的参数，使模型的输出结 果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工 阶段的理想状态。这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就基本上与实 际结构相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。图2 一l 为自适 应施工控制的基本原理图。 由于刚构一连续组合梁桥施工中对线形误差的纠正措施较少，控制误差的 发生就显得尤为重要，自适应控制思路中的参数估计算法，主要目的就是修正 计算模型的误差，使计算模型尽量与实际情况相吻合，从前几节开始就考虑控 制，施工阶段越多，模型越准确。悬臂施工初期计算模型误差较大，但由于结 构刚度比较大，产生的挠度较小，因此误差对结构线形的影响并不大。这样的 控制思路可以保证全桥线型很接近设计曲线，而不仅仅是合拢段接近设计曲线。 2 3 刚构一连续组合梁桥施工控制的特点 在梁式桥施工控制中，连续梁桥、连续刚构桥、刚构一连续组合梁桥与斜拉桥 有相同之处，也有不同之处。 首先，两者的控制目标不完全相同。对于斜拉桥除了要保证主梁线型要达到设 计要求外，还要保证索力与设计值的误差在一定范屡内，从而保证主梁的应力在允 许范围内，这在混凝土斜拉桥中尤为重要。对于混凝土刚构一连续组合梁桥，由于 在悬臂施工过程中是静定结构，合拢过程中如不施加额外的压重，成桥后内力状态 一般不会偏离设计值很多，因此剐构一连续组合梁桥施工控制的主要目标是箱梁的 线型。 其次，两者实施控制的手段不相同。对于斜拉桥，误差出现时有两个措施可以 采取，对己施工梁段上存在的误差，理论上可以通过斜拉索索力调整来完全消除， 对于未施工的梁段可以通过下一阶段的立模标高来消除调索后的残余误差。而对于 混凝土刚构一连续组合梁桥，己施工梁段上出现误差时，除张拉预备预应力束外， 1 0 基本上没有调整的余地，而这一调整量也是非常有限的，因此，一旦出现误差，误 差将永远存在。对未施工梁段可以通过立模标高来调整己施工梁段的残余误差，如 果残余误差较大，则调整需经过几个梁段才能完成。 根据上述分析，刚构一连续组合梁桥施工中标高控制的特点是，己完成梁段的 误差( 包括标高、内力) 无法调整，而未完成梁段的立模标高只与正装模拟计算有关， 与已完成梁段的误差基本无关。因此，在图2 - i 自适应施工控制原理图中的下半环， 即控制量反馈计算，在连续刚构施工控制中基本不起作用。同时，上半环，即参数 估计及对计算模型的修正就显得尤为重要，只有与实际施工过程相吻合的计算模型 计算同的预报标高才是可实现的。 综合刚构一连续组合梁桥的施工控制特点，在施工过程忠拟定了本桥旌工 控制流程图，见图2 2 “”。 图卜2 英山河大桥施工控制流程图 1 2 第三章英山河大桥工程概况 本项研究的依托工程是英山河大桥，该桥是位于六潜高速公路岳潜段第三 合同段岳西县附近。桥梁结构形式为预应力混凝土刚构一连续组合梁桥，桥跨 布置为4 0 m + 4 7 0 m + 4 0 m ，桥梁全长3 6 7 m 。按左右线分离式设计，大桥上部结 构采用单箱单室的截面形式，箱梁底宽6 5 m ，两侧翼板长2 6 5 m ，单幅桥面宽 度为1 2 2 5 m 。设计荷载为汽车一超2 0 ，挂车1 2 0 。总体布置图如图3 - 1 。 单幅桥6 跨，在五个主墩上按“t ”构用挂篮分段对称悬臂浇筑，合拢段 在吊架上现浇，边跨现浇在落地支架上浇筑。全桥按对称悬臂浇筑一边跨合拢 次边跨合拢一中跨合拢的顺序进行施工。主要施工工序如图3 - 2 。 箱梁悬臂施工从根部到合拢段共分为1 1 个节段，桥跨立面分段划分见图 3 3 桥跨立面图及计算离散，节段从2 m 到4 m 不等；箱梁跨中及边跨现浇段梁 高为2 m ，箱梁根部高4 m ，0 号块以外箱梁高度按二次抛物线变化。除0 号块 设两个厚6 0 c m 横隔板及边跨端部设1 2 0 c m 横隔板外，箱梁其他部位均不设横 隔板。连续梁0 号块顶板厚4 5 c m ，地板厚l o o c m ，腹板厚6 0 c m ；连续刚构0 号块顶板4 5 c m ，地板厚7 0 c m ，腹板厚6 0 c m 。其他梁段顶板厚3 0 c m ，1 号块靠 近墩身处地板厚从1 2 0 c m 渐变从6 0 c m ，2 1 l 号块地板厚从6 0 c a 至跨中2 8 c m 按二次抛物线变化。1 6 号块腹板厚度为6 0 c m ，从7 号块开始渐变为4 5 c m 。 箱梁一般构造如图3 3 。箱梁采用c 5 5 混凝土，箱梁顶设6 c m 4 0 号混凝土调 平层、防水层和l o c m 沥青混凝土。箱梁为三向预应力结构，分为纵向预应力 束、桥面板( 横隔板) 横向预应力束和竖向力筋。纵向预应力钢柬设置了顶板 束( t ) 、腹板束( f ) ，中跨底板束( z ) 、边跨底板束( b ) ，合拢段边跨连续束 ( d ) j 合拢段次边跨顶板束( c ) 和合拢段中跨顶板束( c ) 共7 种，均采用 两端张拉。纵向预应力钢束采用美国标准a s t m 4 1 6 2 0 0 22 7 0 级高强低松驰钢 绞线，单根钢绞线直径为1 5 2 m m ，每股面积为1 4 0 m m 2 ，标准强度f ，。= 1 8 6 0 m p a ， 最小破断荷载2 6 0 7 k n ，张拉控制应力为0 。= o 7 5 f 。地板束、腹板束及部分 顶板柬采用每柬1 6 0 1 5 2 钢绞线；合拢段边跨顶板束采用2 2 屯5 1 5 2 ，其余 均采用每束1 9 5 1 5 2 钢绞线。本桥竖向、横向预应力采用采用2 l 3 2 高强精 扎螺纹粗钢筋，标准强度f t = 7 8 5 m p a ，设计张拉吨位为5 4 吨。 本桥连续箱梁( 连续刚构) 采用悬臂挂篮施工，l 、5 号墩为连续梁体系， 2 、3 、4 号墩为连续刚构体系。各单“t ”箱梁除0 、1 号块外分为9 对梁段， 箱梁纵向分段长度为5 3 m + 4 4 m ，0 、1 、l 号块共长6 m ，中、边跨合拢段 长度为2 m 边跨现浇段长度为3 8 m ，图4 - - 1 是桥梁的立面布置图。桥梁最大 重量为9 1 5 吨，挂篮自重设计时计算按5 5 吨考虑，现场实际加工的挂篮4 2 8 t ( 包括施工机具、模板等施工荷载) 。 桥墩均为单薄壁空心墩，其中l 、5 号墩为矮桥墩，最矮的为5 号墩墩高 9 m ，2 、3 、4 号墩为柔性墩，最高的为3 号墩墩高5 2 m ，墩外尺寸为4 x 6 5 m 壁厚0 6 m 。大桥l 、5 号墩为连续箱梁体系，悬臂施工过程中在其墩顶设3 2 c m 高，l o o c m 宽，6 5 0 c m 长的c 5 0 硫磺砂浆混凝土临时支座和4 0 根j l 3 2 精轧螺 纹预应力粗钢筋，将悬臂梁临时锚固于墩顶上。 1 4 匦嘲恬肇增蜷k察订1球_【ic匝 匦世蛋h疆霹姆箍叫n-匿 器薹 士童 瑚相 n萎毒 恐 聿 o 荟5o 嚣 。 譬ll 萼 毒 霹叠相 口誓 嗨 兰萋妻 t 互置童 d 目 一碡- ：群唯 j 雷 眷| 喜蓁塞 蓊 i 碰一鬻霉 i _ _ t 口 粤 群群 i 曩要塞； 二* 一 潞m d 让= o嫱 i 旺= l ” f o l口t e l 臼” o b 。 f q k f e 3 ! l8 ； 99 目”归i f ) m ： 匕= = 啦 i i 旦oo 8 ； 目归t t != = = = 目 i 8 回 回 8 ： 目n吐 m n ；b n匕 n 目 ； 8 oo 8 ； 目“归” w i ； = = 匕 8 ； ； 3 i oo ； 口一归一b ； 亡二 一 二 一 目 ! 。o 归 aj 1 7 轻艇琳母霉姆隧函幢翻韶蜷n匝 第四章英山河大桥施工控制分析 4 1 英山河大桥施工控制的目的和意义 刚构一连续组合梁桥是一种多次超静定结构体系，旌工过程中各种复杂的 因素都有可能引起结构的几何形状及内力状况的改变。尽管在设计时已考虑了 施工中可能出现的情况，但是由于施工过程的复杂性，事先难以精确估计结构 在施工过程中及成桥后的实际状态。通过在施工过程中对桥梁结构进行施工控 制，对关键部位进行实时监测，可以根据监测结果对施工过程中的控制参数进 行相应的调整。并且在己建结构偏离控制目标时及时调整下一阶段的挂篮定位 标高及挂篮中轴线，从而调整箱梁节段标高及轴线偏离位置，保证结构的线型 平顺，并监控实际内力分布，使箱梁始终处于安全受力范围内。 在施工过程中影响桥梁结构线形及内力的因素主要有以下几个方面：混凝 土弹性模量，预应力钢绞线弹性模量，混凝土的容重，浇注箱梁混凝土方量偏 差及单t 两侧重量不平衡，混凝土收缩、徐变，各节段测量时的温度变化，桥 梁施工临时荷载，预应力索力张拉误差及预应力损失