（市政工程专业论文）大跨度PC连续刚构桥施工控制技术研究.pdf

大跨度p c 连续刚构桥施工控制技术研究摘要预应力混凝土连续刚构桥以强度高、线形明快、施工简便快捷、跨越能力强的优势在大跨度桥梁中得到了广泛的应用。但在其施工与运营过程中，桥梁结构会受到多种因素的影响，如混凝土收缩徐变、设计参数与实际数值的差异、施工误差、测量误差、温度变化等等，给桥梁结构带来非常复杂的内力和位移变化。而且，在预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工过程中，已建成梁段的线形在后期施工中是不可调整的。因此，为了保证大桥的顺利合龙及成桥线形、应力状态等满足设计要求，必须在桥梁施工过程中进行动态的施工控制工作。本文结合工程实际，在悬臂浇注预应力混凝土连续刚构桥的桩基模拟、设计参数敏感性分析、灰色理论的应用、温差立模、不平衡重控制、合龙顶推力等几个方面进行了重点研究。通过m i d a s c i v i l 计算模型的分析对比得知墩身与桩基柔度比大小是连续刚构桥桩基模拟与否的决定因素；用参数识别法调整系统误差，用灰色理论预测施工误差、测量误差等随机误差具有较高的实用价值；采用相对坐标立模法成功地解决了立模时间与施工进度的矛盾；不平衡浇注控制和合龙顶推力的分析研究对提高施控制水平，保证成桥质量具有重要的意义。本文的研究工作有助于连续刚构桥施工监控工作，具有一定的应用价值。关键词：连续刚构桥：施工控制；参数识别；灰色理论；桩基模拟；合龙顶推r e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo nl o n g - - s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a mb r i d g eeea b s t r a c tt h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ei sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sh i g hs t r e n g t h ，l i g h t f u ll i n et y p e ，c o n v e n i e n ta n df a s tc o n s t r u c t i o n ，l o n g - s p a na b i l i t y i nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o na n dw o r k i n g ，t h eb r i d g es t r u c t u r ei si n f l u e n c e db yv a r i o u sf a c t o r s ，s u c ha ss h r i n k a g e ，c r e e p ，t e m p e r a t u r ec h a n g eo fc o n c r e t e ，d e s i g np a r a m e t e ra n da c t u a ld i f f e r e n c e ，c o n s t r u c t i o ne r r o r ，s u r v e ye r r o r ，a n ds oo n a l lt h ef a c t o r sm u s tr e s u l ti nv e r yc o m p l i c a t e dc h a n g eo ft h ei n t e r n a lf o r c e sa n dd i s p l a c e m e n t si nt h eb r i d g e a n dd u r i n gt h ec a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o no ft h ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ，t h eb e a ma x i ss h a p eo ff o r m e db l o c k sc a n tb er e g u l a t e dd u r i n gt h es u b s e q u e n tc o n s t r u c t i o n s t oe n s u r et h es u c c e s s f u lc l o s u r eo ft h eb r i d g e ，a n dm a k es u r et h a tt h ea x i ss h a p ea n dt h ei n t e r n a lf o r c eo ft h eb r i d g ea c c o r dw i t ht h ed e s i g nr e q u e s t ，d y n a m i cc o n s t r u c t i o nc o n t r o li so fg r e a ti m p o r t a n c ed u r i n gt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o n o nt h eb a s i so fp r a c t i c a lp r o j e c t ，t h i st h e s i sc a r r i e do ns o m ek e yr e s e a r c h e so nt h ep cc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ss i m u l a t i o no ff o u n d a t i o n ，d e s i g n i n gp a r a m e t e r ss e n s i t i v i t y ，a p p l i c a t i o n so fg r a yt h e o r y ，t e m p l a t ea d ju s t m e n to fd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r e ，c o n t r o lo fu n b a l a n c e dw e i g h t ，j a c k i n gf o r c eo fc l o s u r ea n ds oo n b ya n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n gm o d e l so fm i d a s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h es p e c i f i cv a l u eo fp i e ra n df o u n d a t i o n sf l e x i l i t yi st h ed o m i n a t i o nf a c t o ro nf o u n d a t i o ns i m u l a t i o n w ec a na d j u s ts y s t e m a t i ce r r o rb yp a r a m e t r i ca n df o r e c a s tr a n d o me r r o ri n c l u d i n gc o n s t r u t i o ne r r o ra n ds u r v e ye r r o rb yg r a y t h e r o y t h i sm e t h o di sp r o v e do fp r a c t i c a lv a l u e t h em e t h o do fr e l a t i v ec o o r d i n a t e sa d j u s t m e n to ft e m p l a t es u c c e s s f u l l yr e s o l v e sc o n f l i c t so nt e m p l a t ea d j u s t m e n tt i m ea n dc o n s t r u c t i o ns c h e d u l e c o n t r o lo fu n b a l a n c e dw e i g h ta n dr e s e a r c ho fc l o s u r ej a c k i n gf o r c ec a nh e l pt oe n h a n c et h el e v e lo fc o n s t r u c t i o nc o n t r o la n de n s u r et h eq u l i t yo fb r i d g e t h e s er e s e a r c h e ss e r v et h en e e d so fc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o la n dh a v ec e r t a i na p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ；g r a yt h e o r y插图清单图1 1 中带铰的t 构纵剖面示意图2图1 2 跨中带挂梁的t 型刚构示意图2图1 3 挪威阿夫特桥4图1 _ 4 广东洛溪大桥4图1 5 偏心荷载作用下箱型截面受力分解图5图2 1 自适应控制系统构成1 3图4 1 灰色预测计算流程图3 9图5 1 墩身截面尺寸图4 3图5 2 主墩基础平面布置图4 3图5 3 有限元模型一4 5图5 - 4 有限元模型二4 5图5 5 两种计算模型的施工阶段预拱度4 5图5 6 相对坐标法示意图4 7图5 7 桥墩柔度计算简图4 9图5 8 矩形空心墩截面4 9图5 - 9 下部结构整体抗推刚度求解简图5 0图5 1 0 顺桥向墩顶截面尺寸图5 4图5 1 1 半个t 构箱梁块段尺寸5 4表格清单表1 1 世界大跨度预应力混凝土梁桥3表1 2 梁桥的跨中下挠9表3 1 预应力损失参数规范表一2 1表3 2 容重波动1 0 结构挠度对照表2 5表3 3 弹性模量波动1 0 结构挠度对照表2 7表3 4 摩阻系数波动1 0 结构挠度对照表2 9表3 5 偏差系数波动1 0 结构挠度对照表3 l表3 6 参数敏感性修正系数表。3 4表3 7 最大悬臂状态下1 5 号块段各参数实际敏感性计算表3 4表3 1 预应力损失参数规范表。2 l表3 2 容重波动l o 结构挠度对照表2 5表3 3 弹性模量波动1 0 结构挠度对照表2 7表3 4 摩阻系数波动1 0 结构挠度对照表2 9表3 5 偏差系数波动l o 结构挠度对照表3 l表3 - 6 参数敏感性修正系数表3 4表3 7 最大悬臂状态下1 5 号块段各参数实际敏感性计算表3 4表4 11 5 号节段挂篮变形原始数据表4 0表4 2 残差检验4 1表5 1 墩顶、跨中施工预拱度比较一4 6表5 2 结构控制截面的弯矩比较( 成桥1 0 年) 4 6表5 3 墩身水平位移对比表5 2表5 4 节点位移对照表5 2表5 5 结构控制截面附加次内力比较5 2表5 - 6 箱梁块段重量统计表格5 5表5 7 不平衡重分析结果5 6表5 8 每个块段混凝土浇注的不平衡重限值5 7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，也不包含为获得金8 巴- 工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n , - 志x c * 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。学位论文作者签字墨知纷字日期少，年午胁日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金壁王些太鲎有关保留、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。本人授权金壁王些太兰l 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：签字日粳妒7 。年嘭月日学位论文工作单位通讯地址导师签名：签字日期：龟嗡；| 巾幽猢?邮编：参脚7 致谢本文是在导师胡成副教授悉心指导下完成的。研究生学习期间，胡老师在生活上和学习给予了作者无微不至的关怀和帮助。他丰富的理论知识、实践经验及对作者学习和工作上的不断教诲，使作者受益匪浅。他严谨的科学作风、脚踏实地的处事原则和亦师亦友的育人之道都深深地影响了作者。成文之际，谨向导师致以深切的敬意和衷心的感谢。本文在写作过程中，得到了同门刘三奇、刘勇志二位的大力支持和帮助，我们在学习和实践过程中结下了深厚的情谊，在此，向他们表示诚挚的谢意。此外，工大检测公司的蒋波、耿新雷同志以及张茂龙、沈文升同学在本人的实习期间也给予了支持和帮助，祝远在工地的他们工作顺利。感谢工大检测公司提供的实习机会以及公司领导给予的支持和帮助。感谢三年学习期间指导和帮助过我的所有老师，感谢所有帮助和关心过我的同学和兄弟。最后，诚挚的感谢外婆、父母、大姐和老婆，感谢他们的养育恩、手足情与长相伴。祝他们工作顺利、身体健康、生活幸福。作者：姜天晓2 0 10 年4 月第一章绪论1 1预应力连续刚构桥概述1 1 1预应力连续刚构桥的发展预应力混凝土( p c ) 连续刚构桥最早产生于德国和法国【l 】，随后在欧美以及日本等地区和国家得到了迅速的发展。世界上第一座自架设体系的t 型刚构桥，是德国于19 5 3 年建成的沃尔姆斯( w o r m s ) 大桥，作为跨度主跨1 1 4 2 m 的带铰t 型刚构，它的建设标志着悬臂浇注法在预应力混凝土桥梁施工中的的创造与应用，并使t 型刚构桥型得到了发展，因而在桥梁的发展史上具有里程碑意义。w o r m s 桥在施工中采用的悬臂施工新工艺最大优点是施工时不设支架，对于跨越深谷、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了高度的统一，为混凝土梁桥向大跨度化、施工机械化等方面的发展开辟了新途径。p c t 形刚构桥克服了普通钢筋混凝土t 型刚构桥在结构性能和施工工艺诸方面的弱点，因而被广泛采用。p c 刚构桥的发展大致经历了两个阶段，即早期和现代。早期桥梁主要是五十年代初到六十年代末修建的，代表性桥梁有德国的布伦茨桥，英国的麦德威桥等。现代有代表性的桥梁是日本的滨名大桥、浦户大桥等，它们全部于七十年代以后修建完成。在施工方法上，p c t 型刚构桥多采用悬臂浇筑法施工，后来又发展到悬臂拼装，或部分预制部分现浇。目前，在世界各地p c t 型刚构桥施工中仍采用以上施工方法。早期修建的p c t 型刚构桥，从结构形式看，大多数是带铰的( 图1 1 【2 j ) ，是国# b 5 0 年代初采用的一种桥型，铰的作用是传递剪力和保证梁的自由伸缩。带铰的t 型刚构【3 】，从结构受力图式看比较简单，在静载以及预应力荷载作用下，结构始终保持静定状态，而在活载作用下，结构即呈现超静定状态。从结构受力看，为了抵抗施工中的不平衡弯矩与运营时活载或其它附加力所产生的弯矩，其桥墩的抗弯刚度和抗推刚度都相当大，墩身一般都做的比较粗大。带铰的t形刚构由于受到日照温差、混凝土收缩徐变和基础不均匀沉降等因素的影响，导致剪力铰两侧悬臂的挠度不相同，必然会产生附加次内力，这些挠度和附加次内力难以估计且不易采取措施调整、消除，其次，中间铰结构复杂，此外，在运营中发现，铰处往往因为下挠形成折角，导致车辆跳动从而影响行车的舒适性，且剪力铰也易损坏。图1 - 1 跨中带铰的t 构纵剖面示意图五十年代末，跨中设铰的t 型刚构桥型逐渐减少，跨中带挂梁的p c t 型刚构桥( 图1 2 【2 1 ) 逐渐增多。后者在动静荷载作用下始终保持静定状态，各个t 构单元单独作用，受力明确，不受各种内外因素的影响，而且以梁换铰后，在跨内因有正、负弯矩分布，其总弯矩图面积比带铰的要小一些，从而节省了工程用料。但是伸缩缝的增多、牛腿构造的复杂和易损害，以及施工设备的增多却是无法避免的，这给施工能力和行车的舒适性带来了不小的挑战。因此t 型刚构体系并未得到较大的发展。图卜2 跨中带挂梁的t 型刚构示意图高速交通的快速发展使得桥梁跨度不断增大，早期修建的p c t 型刚构桥，活载挠度明显增加。为克服以上缺点，六十年代末，p c t 型刚构桥在结构形式上发生了一些变化，除了主孔仍在跨中设铰或设挂梁外，边孔大多已布置成连续或部分连续的形式，用以减小主孔跨中下挠值。因此连续梁得到了迅速发展。同时将桥的纵断面布置成弓背式，将纵坡顶点设在主孔中间铰处，这样即使徐变挠度超出预计值也不会影响使用。到了七十年代，预应力混凝土工艺逐渐完善，极大地改善和加强了混凝土结构，为悬臂施工方法的进一步发展奠定了基础。随着人们对刚构体系受力特性认识的不断深入和悬臂施工方法的日渐完善，大中跨径p c 连续刚构方案获得了新的竞争力，逐步在1 2 0 m 3 0 0 m 跨径范围内占据了主导地位。九十年代以来，随着高速公路的迅速发展，对行车的平顺舒适提出了更高的要求，连续梁得到了迅速的发展。悬臂施工时，梁墩临时固结，合拢后再撤除临时固结改设支座，转换体系成为连续梁。连续梁除两端外其余部位无伸缩缝，有利于行车，但大吨位支座所需费用高，养护工作量大，同时需要进行梁墩临时固结和体系转换。连续刚构与连续梁体系相比较在这方面显示了其优越性，连续刚构桥是墩梁固结的连续结构，它综合了连续梁和t 型刚构的受力特点，是连续梁桥与刚构桥的组合结构体系【4 】，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又方便施工，2且具有很大的抗弯刚度和抗扭刚度，能够满足特大跨径桥梁的受力要求。人们用连续梁的优点避免t 型刚构结构的缺陷，同时又利用t 型刚构无支座的优点，对其结构体系不断优化，将传统的粗壮桥墩变柔变薄，使梁部受力性能与连续梁相近，逐步形成了今天墩梁固结、具有柔性墩的连续刚构体系。连续刚构桥由于墩梁固结整体性好，具有较大的纵向和横向刚度，受力性能良好，跨越能力大，能够充分发挥高强材料的作用，易于养护，更适合运用悬臂浇注法进行施工【5 1 。p c 连续刚构桥比p c 连续梁桥和p c t 型刚构桥有更大的跨越能力。近年来，各国修建p c 连续刚构桥很多，随着世界经济发展，p c 连续刚构桥将得到更快发展。1 9 9 8 年，挪威建成了世界第一的s t o l m a 桥，主跨突破3 0 1 米，将p c 连续刚构桥跨径发展到顶点，其姊妹桥为世界第二大连续刚构桥r a f t s u n d e t 桥( 图1 3 ) ，主跨长达2 9 8 米。我国于1 9 8 8 年建成主跨1 8 0 米的广东洛溪大桥( 图1 - 4 ) ，开创了国内修建大跨径p c 连续刚构桥的先例。1 9 9 7 年建成的主跨2 7 0米的虎门大桥副航道桥( 图1 5 ) 为当时p c 连续刚构世界第一。近几年相继建成了泸州长江二桥( 主跨2 5 2 米) 、重庆黄花园大桥( 主跨2 5 0 米) 、黄石长江大桥( 主跨2 4 5 米) 、重庆高家花园桥( 主跨2 4 0 米) 、贵州六广河大桥( 主跨2 4 0 米) ，这些大跨度连续刚构桥为我国的梁桥建设增色不少。表1 1 列举出了世界著名的大跨度预应力混凝土刚构桥，可以看出我国大跨径预应力混凝土连续刚构桥型的建桥技术，已居世界领先水平【6 j 。表1 - 1 世界大跨度预应力混凝土刚构桥建成i序号桥名国家跨径( m )结构型式年代|l ，ls t 。m a 桥挪威 1 9 9 8 l9 4 + 3 0 l + 7 2lp c 连续刚构1 2lr a f t s u n d e t 桥挪威| 1 9 9 8 l8 6 + 2 0 2 + 2 9 8 + 1 2 5lp c 连续刚构1 3la s u n c 渤桥巴拉圭| , 9 7 9 1 l2 7 0i多跨带铰p c t1 4l 虎门大桥副航道桥：中国|【1 9 9 7 t |1 5 0 + 2 7 0 + 1 5 0ip c 连续刚构1 5 ig a t e w a y 桥澳大利亚1 9 8 5 t ；| 1 4 5 + 2 6 0 + 1 4 5lp c 连续刚构i1 6iv a r o d d - 2 桥挪威l9 9 4 l2 6 0lp c 连续梁f 7i 泸州长江二桥中国2 0 0 1tl1 4 5 + 2 5 2 + 5 4 8lp c 连续刚构1 8is c h o t t w i e n 桥奥地利19 8 9 1 |2 5 0lp c 连续刚构1 9id o u t o r 桥葡萄牙1 9 9 1f|2 5 03p c 连续刚构1 0is k y e 桥英国19 9 5 t 2 5 0lp c 连续刚构l llc 。n f e d e r a t i o n 桥加拿大1 9 9 7 t |1 6 5 + 4 3 2 5 0 + 1 6 5i带挂梁p c t 构3睦重庆黄花同大桥中国1 9 9 9p c 连续刚构黄石长江_ 人桥中国19 9 5p c 连续剐构重14滨名大桥日本5 5 + 1 4 0 + 2 4 0 + 14 0 + 5 5p c 有铰t 构江津长江大桥中国p c 连续刚构重庆高家花同大桥中国p c 连续刚构贵州六广河大桥中国2 0 0 0p c 连续刚构图卜3 挪威阿夫特桥2 受力特点【7 i图卜4 广东洛溪太桥一般来说，变截面的预应力混凝土连续刚构箱粱桥，由于受到箱粱空间预应力、箱粱的扭转及截面剪力滞、畸变等因素的影响，应力状态是十分复杂的。严格来讲，作用于箱形截面上的荷载多为偏心荷载，其一般可分解为对称弯曲荷载、纯扭转荷载及畸变荷载，如图1 5 所示。打一甘+ 廿偏心荷载弯曲扭转扭转荷载z 一一 五+ 扭转畸变图卜5 偏心荷载作用下箱型截面受力分解图连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥，这种体系利用主墩的柔性来适应桥梁的纵向变形，所以特别适合于高墩、大跨连续刚构桥。利用高墩的柔度可以适应结构由于预应力、混凝土收缩徐变和温度变化引起的纵向位移。当跨径较大而墩的高度不高时，为增加墩的柔性，常采用双薄壁墩。若采用独墩，出于结构稳定性的考虑，其自身刚度一般较大，此时可以设计成柔性桩基，使下部结构具有较大的整体柔度。本文依托桥梁项目由于采用了独墩，自身刚度较大，故本桥基础采用的是具有相当柔度的高桩承台群桩基础，用以减小下部结构的整体抗推刚度。另外，双薄壁柔性墩还具有削弱墩顶负弯矩峰值和减小计算跨径的作用，因此，目前国内外连续刚构桥大都采用双薄壁柔性墩。1 1 3施工特点桥梁施工技术的发展直接关系到施工质量的好坏以及运营的安全。规范的施工是保证桥梁实际状态与设计状态最大限度吻合的重要前提，目前连续刚构桥的施工采用的方法主要有支架法和悬臂浇注法。1 支架施工法早期连续刚构桥的建设由于受到诸多条件的限制，多采用搭设支架就地浇筑施工，桥梁跨径多为3 0 4 0 m 。由于施工工期长，并耗用大量的木材，连续刚构桥建造的比较少。支架施工法最初用于桥墩较低的陆上桥梁施工，其承重能力较低。对于p c 连续刚构桥来说，拆除支架出现的体系转换会引起恒载、徐变次应力，这对桥梁结构是不利的。近年来，随着钢脚手架的应用和支架构件制造趋于标准化、桥梁结构的多样化，以及强大的预应力系统的应用，支架施工法也逐渐应用到大跨度桥梁的施工中。支架施工法在浇筑混凝土时采用水平分层施工法，按照底板一腹板一顶板的顺序依次浇注。此外支架施工法常采用分段法施工，即根据施工能力每隔2 0 m 2 5 m 在弯矩较小的区域设置一道长度为l m左右的连接缝，并在接缝处实施合拢。此法使得支架早期变形较小，不会引起梁体开裂，有利于提高梁体浇注质量【8 】。2 悬臂施工法5悬臂施工法是l9 5 0 年由前联邦德国首创的，它是将整个梁体分为多个节段，从桥墩开始对称地不断悬出接长，逐梁段施工的施工方法。悬臂法施工又分为悬臂浇筑法和悬臂拼装法。目前我国桥梁悬臂施工中最常用的方法是悬臂浇筑法。悬臂浇筑法又称无支架平衡伸臂法或挂篮法，它是以已经完成的墩顶块( o #块) 为起点，用挂篮在桥墩两侧对称地逐段现浇梁段混凝土，待混凝土强度以及弹性模量达到一定要求后，再进行预应力钢筋张拉，移动挂篮之后继续浇筑下一梁段的循环施工方法。大跨度p c 连续刚构桥施工采用平衡悬臂浇筑法，梁体从墩顶平衡向两边连续分段现浇伸出，但是实际施工过程中不可能保证悬臂两端荷载完全平衡，所以采用悬臂施工的必要条件是施工过程中桥墩与主梁固结，使桥墩具有承受不对称弯矩的能力。必须认识到，过大的悬臂不平衡重对墩身的受力是很不利的，因此，在连续刚构桥施工监控过程中须对悬浇不平衡重加以限制或采取相应的措施，以免造成墩身的前期开裂。悬臂施工时随着梁段增加，梁体内出现的负弯矩值不断增大，对混凝土桥必须在梁段上缘施加预应力，使新浇筑梁段与己完成梁段连成整体【9 儿1 0 】。悬臂法施工具有几下优点：桥下无需搭设支架，是在深水、大跨、峡谷、高墩及有通航通航要求的条件下建桥的最优施工方案；多孔桥平行作业，施工速度快；悬臂施工墩顶负弯矩使得跨中正弯矩明显减小，减小了梁高，大大提高了桥梁的跨越能力；节省了施工费用，降低了工程造价。悬臂施工法近年来来得到了快速发展，早期应用于t 型刚构桥，后来又被推广到悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥和拱桥的施工中。采用悬臂法施工时，经常存在施工中的体系转换问题，施工过程中应及时调整预应力来适应这一转换，并消除因体系转换及其它因素引起的次内力。预应力混凝土连续刚构桥在悬臂施工时有些情况下由于墩柱不能完全承受弯曲力，施工时一般要求采取措施来增加墩身的刚度，如焊接临时托架等方法，待悬臂施工合拢后再恢复原结构状态【l 。施工与监控两者是相辅相成、密不可分的，施工的规范与否在很大程度上关系到监控工作的成败，两者结合的越紧密，施工质量就越理想，施工监控由施工单位自觉、独立地完成应是监控的发展趋势i lj 。1 2施工控制国内外研究现状及发展趋势1 2 1国内外的研究概况【1 2 - 1 5 】施工控制技术最先应用于斜拉桥。5 0 年代初，在第一座现代斜拉桥6s t r o m s u n d 桥的施工过程中，施工控制相关内容被首次提出。1 9 5 8 年，“倒退分析法 的概念第一次被提出：在确定了最优成桥状态后，采用逆施工过程的分析方法确定各施工阶段结构的标高与初张索力。19 7 8 年竣工的美国p k 桥，就采用了这一技术。桥梁施工监控的系统化时间并不长，最早较系统地把工程控制理论应用到桥梁施工管理中的是日本。上世纪八十年代初，日本修建“日夜野”预应力混凝土连续刚构桥时，建立了监控施工所需的应力、挠度等参数的观测系统，并用计算机对所测参数进行现场处理，然后利用处理后的参数进行结构计算分析，最后将分析结果反回现场进行施工控制。八十年代后期，在c h i c h b y 斜拉桥和y o k o h a m a 海湾斜拉桥的修建过程当中，成功地利用计算机联网传输技术建立了一套用于拉索拉力调整的自动监控系统，实现了施工过程中实测参数和设计值的快速比较，对加快施工进度起到了关键作用，但该系统成本较高，后期推广受到了限制。此后，日本又研制出一套以现场微机为主要计算分析手段的斜拉桥施工“双控”系统，实现了现场完成自动测试、分析和控制过程，应用效果较好。有关连续梁桥和连续刚构桥施工监测和控制方面的国外文献很少，关于控制理论方面的资料更是少之又少。我国在桥梁施工监测与控制方面的研究起步较晚，但是发展迅速。2 0 世纪8 0 年代起，桥梁施工控制技术开始成为我国桥梁工程界的热门研究方向。在黄石长江大桥的施工过程中，进行了施工监控技术的专门研究。八十年代后期，同济大学也在斜拉桥的施工监控技术方面进行了研究，并将研究成果用于后来的上海黄浦大桥和浙江普江斜拉桥的施工中。近年来我国还修建了一批大跨径悬索桥，在悬索桥施工控制技术研究方面也有了很大进步。交通部公路所和西安公路交通大学联合研究开发了灰色预测控制法，此法在虎门大桥的施工控制当中得到了成功运用。大跨径连续梁桥和连续刚构桥的施工控制方面，李国平等提出大跨径连续梁桥最优控制的理论和方法，该方法将成桥线形和施工阶段结构状态作为动态结构系统最优控制的对象，并根据大跨径连续桥梁悬臂施工的特点，控制结构的状态与变量、约束条件以及具体施工方法等，该成果在多座桥梁的施工中得到了应用。重庆交通学院顾安邦教授等提出了随机最优控制理论，并将其用于重庆黄花园大桥的施工控制中。在虎门大桥辅航道桥的施工控制过程中，采用了线性回归分析法对结构线形进行控制，取得了较好的效果。1 2 2施工控制的发展趋势【1 6 】随着预应力技术及施工技术的不断发展，预应力混凝土桥梁向大跨度发展的趋势不可避免，这使得施工控制技术在大跨径预应力混凝土桥梁中的应用越来越受重视，并对施工监控技术提出了更高、更新的要求。桥梁施工控制技术7与计算机、信息技术相结合，将为其不断发展和完善提供有力的技术支持：同一控制系统中控制方法与手段的多样化、综合化；施工控制模拟、结构分析的高度仿真化；施工监测与数据采集及参数识别的自动化；服役桥梁监测的自动化与网络化；监控工作的施工单位化。这几点将是桥梁施工控制发展的必然趋势。1 3桥梁施工控制的重要性l施工控制是施工技术的重要组成部分，并且始终贯穿于桥梁施工中。大跨径桥梁在施工过程中，受到许多确定和不确定因素的影响，如何找出各种结构参数相对应的真实值，并对施工状态进行实时识别、调整、预测，使施工系统处于控制之中，对安全和顺利实现设计目标至关重要。以往，在桥梁施工控制中并未突出施工控制的内容，甚至没有提到“施工控制这四个字，其未被重视的原因主要是由于过去所建桥梁一般跨径不大、规模较小且影响因素少等，因施工控制不力而产生的不良后果也就不明显，从而导致人们忽视了它的重要性。桥梁施工控制的重要性主要体现在以下几方面：( 1 ) 桥梁施工控制是桥梁建设质量的保证悬臂施工法在p c 连续刚构桥施工中的运用，给桥梁结构带来了较为复杂的内力和位移变化，为了保证桥梁施工质量，使结构内力、位移符合设计要求，桥梁施工控制是不可缺少的。随着桥梁大规模化，控制不力所产生的不良后果变得越来越突出，最直观的便是跨中下挠问题。在国内外修建的众多连续刚构桥中，出现跨中过大下挠现象的为数不少。下表1 2 列举的国内外几座跨中出现过大下挠的桥梁足以说明问题：跨中下挠过大似乎是已建梁桥的通病。例如中国的黄石长江大桥，由于质量不过关，此桥运行7 年就大修，跨中下挠f - 3 3 5 c m 。跨中出现过大下挠是桥梁整体施工质量不过关的直观表现，是很多因素综合作用的结果，但桥梁在建设期间缺乏必要的监控措施或者监控不到位却是不容忽视的因素。跨中下挠不可避免，也是无法避免的，对其进行准确的预测并将其控制在允许范围内将是监控工作的主要目标。8表1 - 2 梁桥的跨中下挠( 2 ) 桥梁施工控制是桥梁建设的安全保证为了安全可靠地建好大跨径桥梁，施工控制非常必要。施工过程中，通过各种监测手段对施工阶段结构的实际内力和变形进行实时监测，一旦发现施工过程中监测的实际值与理论值相差过大，立即进行检查和分析，查找原因，并对下一阶段的施工进行适当调整。例如，加拿大的魁北克桥在施工过程中曾经两次发生事故。该桥采用悬拼法施工，施工过程中，南侧锚锭桁架突然崩塌坠落，原因是悬出的桁架太长( 1 7 6 8 m ) ，近中间桥墩处的下弦杆受压过大，下弦杆腹板失稳引起全桁架破坏。试想一下，如果当时采用了施工控制手段，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，在很大程度上可以避免事故的发生。( 3 ) 施工控制是桥梁运营中安全性和耐久性的综合监测系统随着交通事业的不断发展，荷载等级、交通流量、行车速度等必然提高，一些不可预测的自然破坏力也将会危及桥梁的安全。若在桥梁建设时进行了施工控制，并预留用于运营期监测的长期观测点，将会给桥梁创造终身的安全监测条件，从而给桥梁运营阶段的养护工作提供科学可靠的数据，为桥梁安全使用提供可靠保证。否则，难以实时准确掌握桥梁的健康状态，不能及时发现病害并进行有效的维护。我国广州的海印大桥，斜拉索只使用几年就突然断裂，原因是防护措施不够完善、可靠，导致斜拉索应力超标，不仅造成了重大的经济损失，也带来了不良的社会影响。种种实例表明，有必要在大跨度桥梁施工过程中建立施工控制系统，使其能对桥梁运营阶段进行长期有效的监测，桥梁养护部门也可根据该桥的实际使用情况进行及时有效的维护，确保桥梁运营阶段的安全性与耐久性。91 4本文研究的主要内容桥梁施工中，如何保证安全施工，确保施工中结构行为与设计一致以及成桥后的几何和受力状态符合设计要求是非常重要的，这也是施工控制的主要任务。严格来讲，预应力混凝土连续刚构桥施工控制中的调整只能在事前、事中进行，不能在事后进行。目前，国内斜拉桥的施工控制理论与方法研究较多，而预应力混凝土连续刚构桥施工控制方法仍不是很成熟，本文以某大跨预应力混凝土连续刚构桥为依托，在梁桥的施工控制技术研究面作了以下研究：1 运用桥梁结构有限元分析软件m i d a s c i v i l 进行计算模拟，建立考虑桩基作用及墩底固结两个不同的有限元分析模型，分析桩基对连续刚构桥结构的内力及变形的影响，探寻桩基模拟取舍的理论依据，为同类桥梁的施工控制建模提供参考。2 研究计算参数误差对于桥梁结构变形的影响，借以寻找出影响该桥施工精度的主要参数，并对主要设计参数按敏感程度进行排序，为以后的工程提供参考。3 采用灰色预测法进行随机误差分析，对立模标高进行调整。同时，结合连续刚构桥的施工特点，提出将参数识别法与灰色预测法相结合应用于桥梁施工控制的构想。4 分析连续刚构桥的合龙顶推力，讨论顶推力的计算方法并分析其影响因素，为主桥的顺利合龙提供参考；研究温差立模的工程实用方法，尽量排除温差对立模精度的影响，以解决立模时间与施工进度的矛盾；分析桥梁的悬浇不平衡重限值，为平衡施工提供保障。1 0第二章连续刚构桥施工控制理论与方法2 1连续刚构桥施工控制简介2 1 1施工控制的目的 1 7 1 1 8 】大跨度连续刚构桥施工控制是根据施工全过程中各项影响桥梁内力与变形的参数，结合施工过程中测得的主梁各阶段的内力与变形数据，分析各施工阶段主梁内力和变形与设计预测值的差异并找出原因，提出修正策略，确保成桥后桥梁的内力状态与线形满足设计要求。连续刚构桥施工控制，一方面根据选定的施工方法按施工阶段进行理论计算，形成施工控制指导文件；另一方面，针对实际施工过程中由各种因素引起的理论计算值与实测值不一致的问题，采用一定的方法在施工中加以控制、调整。桥梁施工控制的目的就是保证桥梁成桥线形及受力状态满足设计要求，同时确保施工过程中结构的安全、可靠。2 1 2施工控制的主要内容预应力混凝土连续刚构桥施工控制的主要内容包括结构线形控制、结构内力( 应力) 控制、结构稳定性控制及安全控制。结构线形控制是施工控制中的主要内容。在国内现阶段的桥梁施工控制中，主要是以标高控制为主，即“线形控制为主，应力控制为辅”，这里的“主”与“辅 是从工作量上而不是从重要性上来讲的。这主要是因为标高的观测容易，也较稳定，所以主流的误差分析调整理论多以位移为主要状态变量。施工控制中的另一主要内容是结构内力控制，控制桥梁在施工过程中以及成桥后的应力。如果结构的实际应力与设计应力状态不符，则会对结构造成较大危害。因此在施工过程中要特别加强对结构应力的监控。施工中通过预埋的应变计进行梁体的实际应力测量，对于了解结果的实际应力应变状态，掌握结构应力应变规律，从而指导施工是十分必要的。应当认识到虽然应力控制的难度较大，但其重要性是不能忽视的。对于预应力混凝土连续刚构桥，其受力特点决定了墩身截面的应力控制是此类桥型应力监控的主要内容，通过浇注前后墩身截面预埋仪器的监测数据来反映不平衡浇注情况以及浇注的超、欠方情况。随着桥梁跨径的不断增大，桥墩高耸化、箱梁薄壁化及高强材料的应用，结构整体和局部刚度下降，使得稳定问题比以往更加突出，桥梁结构的稳定性同时也是关系到桥梁结构安全的一个重要方面。安全控制同样是施工控制的重要内容，只有保证了施工过程中的安全，才谈得上其他控制与桥梁的建成。桥梁施工安全控制是上述变形控制、应力监测、稳定控制的综合表现，只有上述各项内容得到了控制，安全才能得到保障1 1 9 1 1 2 0 i 。2 2施工控制的方法【1 1 】桥梁结构形式、施工特点及具体控制内容不同，施工控制方法也不相同，总体来讲，桥梁施工控制的方法包括事后控制法、预测控制法、自适应控制法、最大宽容度法等。2 2 1事后调整控制法事后调整控制法是指在施工中，当已成结构状态与设计要求状态不符时，通过一定手段对其进行调整，使之达到设计要求。这种方法仅适用于那些结构内力与线形能够进行有效调整的情况，如斜拉桥。事后调整法严格来讲只能算是一种补救措施，调整效果不甚理想。2 2 2 预测控制法预测控制法是桥梁施工控制的主要方法，在全面考虑影响桥梁结构状态的各种因素和施工的目标后，对结构每个施工节段的状态进行预测，并使施工沿着预定的状态进行。然而，预测的状态与实际状态间误差是不可避免的，某种误差对施工目标的影响则在后续施工状态的预测中予以考虑，依次循环，直到施工完成和获的与设计要求相符合的结构状态。这种方法适用于所有类型的桥梁，对那些己成结构不可调整的桥梁施工控制必须采用此法。预测控制法以现代控制论为理论基础，其常见的预测方法有卡尔曼滤波法和灰色理论法等。2 2 3自适应控制法即参数识别、修正法。自适应控制法是2 0 世纪9 0 年代初，由日本学者s a k a i f 2 l 】提出的。它是指在控制开始时，虽然控制系统的某些设计参数与实际状态不完全相符，系统不能得到符合实际的输出结果，但是，在施工过程中，通过系统识别或参数估计，并对参数进行不断得修正，使输出结果与实测结果相符，从而使结果得到有效控制。自适应控制方法重视系统误差的消除而不是调整，着眼于“治本”，易于理解和掌握，是桥梁控制的主流方法，自适应控制系统构成如图2 1 所示：1 22 2 4最大宽容度控制法图2 - 1 自适应控制系统构成误差的存在是不可避免的，产生误差的因素有很多而且也很复杂，不可能将其一一排除，因此只需将误差控制在允许范围内即可。监控过程中，对主梁的标高和内力给予最大的宽容度，即误差的容许值。这种做法在一定程度上减小了控制难度。最大宽容度控制法贯彻整个桥梁施工监控全过程。容许误差的标准需要根据实际情况进行研究和优化，其原则是既要确保施工的准确度，又要给予施工一定的宽容度，方便施工。2 3施工控制的分析计算方法【1 9 】【2 2 2 4 】2 3 1主要方法简介施工控制结构计算方法主要包括：正算法、倒拆法和无应力状态法。对于预应力混凝土梁桥的施工控制来讲，正装计算算法和倒拆分析法比较适用。正装( 计算) 法正算法又称为前进分析法或正装法。该法能较好地模拟桥梁结构的实际施工过程，并得到结构在各个施工阶段的理论变形和受力状态。正算法能将混凝土收缩、徐变等与结构形成历程有关的影响因素考虑在内。它不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，为结构的强度、刚度检验提供依据，还可以提供数据文件来描述施工阶段理想状态，作为桥梁施工控制的基础。正算法为施工阶段分析提供数据基础，重在计算。倒拆( 分析) 法实际施工中结构线形控制与应力控制同样重要，线形误差不但会造成桥梁合龙困难，而且影响桥梁美观和运营质量，这一问题仅靠正算法难以很好的解1 3决。倒拆法也称为倒退分析法或倒装法，它是由成桥状态出发，按照与实际施工步骤的逆过程，进行逐步倒退分析来获得各施工阶段的控制参数。倒退法的主要作用是针对分段施工等复杂结构，给出各个施工阶段控制点的标高，以便使成桥线形最终满足设计要求。倒拆法以设计标高作为线形分析的起点。倒拆分析法为施工阶段分析提供理论基础，重在分析。2 - 3 2梁桥施工控制中正算法和倒拆法的联合应用正算法和倒拆法的特点正算法与倒拆法相比：正算法不存在倒拆法中初始应力难以确定的问题，这是正算法的优点。正算法的缺点是计算中梁体的标高会随着施工加载而下挠，造成计算模型与实际情况的不相符。倒拆法从理想成桥状态出发，按照与实际施工步骤相反的顺序进行倒拆，桥梁据此按正装顺序施工完毕时，理论上恒载内力和线形可以达到预定的理想状态，这是倒拆法的优点。但是倒拆法中的初始应力难以确定，必须依靠正算法的计算结果，这使得倒拆法不能单独使用；而且倒拆法中混凝土的收缩、徐变也难以计入。施工控制中正算法和倒拆法的联合应用由于倒拆初始内力不容易单独确定，多采用倒拆法与正算法联合运用来进行施工控制计算。既先以设计标高按正算法建模，求得成桥内力与块段挠度；然后以此内力和设计标高为初始状态进行倒拆，以获得施工阶段的施工控制参数。正算法与倒拆法的联合应用是施工控制工作得以开展的前提。2 4 施工控制误差调整理论2 4 1卡尔曼滤波法【2 5 】卡尔曼滤波法是美国学者k a l m a n r e 提出的。在预应力混凝土连续刚构桥梁的施工控制中，结构的标高、断面应力等状态均采用离散的数据序列来表示，而不是用连续量来表示，所以施工控制中使用的是离散线性系统的卡尔曼滤波法。k a l m a n 滤波法最初应用于斜拉桥的施工控制，目前，该法虽然已运用于连续刚构桥的施工控制中，但应用效果如何尚未见有明确的报道。2 4 2设计参数识别法设计参数识别来源于现代控制理论中自适应的控制思想，该问题是如何使控制期望值能够反映实际结构，而不是强迫结构的反应来符合不正确的期望值。具体做法是根据施工中结构线型或内力的实测值对主要设计参数进行识别，寻找产生偏差的原因，然后将被修正过的设计参数反馈到控制计算中去，重新给1 4出施工中内力和挠度的理论期望值，以消除理论值与实测值不一致的主要部分，最后达到挠度与内力双控的目标。所选择的设计参数主要有混凝土的收缩徐变系数，主梁抗弯刚度( e i ) 和构件自重等。该法应用于桥梁施工控制将形成一个“施工量测一识别一修正一预告一施工”的循环过程。第三章将进一步探讨参数识别法在p c 连续刚构桥施工控制中的应用。2 4 3灰色系统理论【2 3 】【2 6 】灰色预测法以灰色理论为基础。灰色系统是我国邓聚龙教授于l9 8 2 年发表的一个关于系统控制的新理论，它将信息部分明确，部分不明确的系统称为灰色系统，在杂乱无序中寻找规律。