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大跨径p c 梁式桥施工控制技术研究 摘要 大跨径p c 梁式桥主要是指大跨径预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥和t 型刚构桥，在桥梁建设中占有重要地位。自19 5 3 年悬臂浇筑法成功问世以来， 预应力混凝土梁式桥有着突飞猛进的发展。大跨径p c 梁式桥理想的几何线形 与合理的内力状态不仅与设计有关，还依赖于科学的施工方法。为确保桥梁结 构施工阶段的安全，使桥梁建成后线形和顺、内力合理，且符合设计要求，在 桥梁施工过程中对结构的实际反应( 节段挠度、主梁应力等) 进行监测和控制是 必不可少的。 论文总结了近年来应用在桥梁工程中的施工控制方法和结构施工过程分 析理论。在完成某特大型预应力混凝土连续梁桥施工监控工作的基础上，对参 数识别方法和自适应控制理论在梁式桥施工控制中的应用、p c 梁式桥线形影 响因素、应力分析方法和合拢段施工控制技术等进行了重点研究。利用最小二 乘法原理，通过现场试验得出了预应力管道摩阻参数k 和u ，修正了m i d a s c i v i l 6 7 1 建立的桥梁结构模型，计算结果与结构实际状态基本吻合。在分析影 响结构挠度的诸因素之后，运用相对标高立模法解决了温度对立模的影响问 题，为线形的有效控制奠定了基础。通过增加应变监测次数的方法，实现了混 凝土收缩、徐变等非应力应变的简单分离，分析得出的控制截面应力与理论值 基本一致。最后，给出了温度变化时合拢段受力的分析方法，并利用通用有限 元软件a n s y s 分析了临时张拉力对合拢段刚接杆受力的影响，为合拢段施工 提供了合理的建议： 监控结果表明，课题研究的内容是全面的，研究成果能够满足大跨径p c 梁式桥施工控制的需要，有一定的工程应用价值。特别是其中的参数识别方法 和相对标高立模法，值得其他类似工程借鉴。 关键词：p c 梁式桥；参数识别；线形控制；收缩徐变；应变分离；合拢段 t h er 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 y o i ll o n g s p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a mb r i d g e a b s t r a c t l o n g s p a np cb e a mb r i d g em a i n l yr e f e r st ot h el o n g s p a np r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u sb e a mb r i d g e ，c o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g ea n dt - t y p er i g i d - f r a m e b r i d g e ，o c c u p i n ga ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nb r i d g ec o n s t r u c t i o n s i n c e1 9 5 3 ，w i t h t h es u c c e s s f u li n c e p t i o no fc a n t i l e v e rc a s t i n gm e t h o d ，p r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a m b r i d g eh a sd e v e l o p e dr a p i d l y t h ei d e a lg e o m e t r i cl i n e a r a n dr a t i o n a li n t e r n a l f o r c eo fl o n g s p a np cb e a mb r i d g ei sn o to n l yd e s i g n r e l a t e d ，b u ta l s od e p e n d s o n t h es c i e n t i f i ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo f t h eb r i d g e s t r u c t u r ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np h a s e ，a c q u i r eas m o o t hl i n e a ra n dr e a s o n a b l e i n t e r n a lf o r o eo ft h eb r i d g ea f t e rc o m p l e t i o na n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e d e s i g n i ti si n d i s p e n s a b l et o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h ea c t u a lr e s p o n s eo ft h e s t r u c t u r e ( s e g m e n td e f l e c t i o n ，t h em a i nb e a ms t r e s s ，e t c ) i nt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lm e t h o d sa n dt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s sa n a l y s i st h e o r yo ft h es t r u c t u r ea p p l i e dr e c e n t l yi nb r i d g ee n g i n e e r i n g b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go fap r e s t r e s s e dc o n c r e t e c o n t i n u o u sb e a mb r i d g e ，t h em e t h o d so fp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o na n dt h e s e l f - a d a p t i v ec o n t r o lt h e o r ya p p l i e di nt h eb e a mb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，l i n e a r f a c t o r so fp cb e a mb r i d g e ，s t r e s sa n a l y s i sm e t h o d s ，a n dt h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yo fc l o s u r es e g m e n t a r er e s e a r c h e d u s i n gl e a s ts q u a r em e t h o d ， p r e s t r e s s e dt u b ef r i c t i o nr e s i s t a n c ep a r a m e t e r ska n d a r eo b t a i n e dt h r o u g h o n s i t et e s r i n g ，a n dt h e nt h es t r u c t u r em o d e lw h i c hw a s e s t a b l i s h e db yt h es o f t w a r e m i d a sc i v i l 6 7 1w a sa m e n d e d c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t h t h ea c t u a ls t a t eo ft h es t r u c t u r e a f t e rt h ea n a l y s i so fv a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h e s t r u c t u r e sd e f l e c t i o n ，t h ei m p a c to ft e m p e r a t u r eo nt e m p l a t ea d j u s t m e n tw a sd e a l t w i t hu s i n gr e l a t i v e ，e l e v a t i o nt e m p l a t ea d ju s t m e n tm e t h o d t h a tl a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo fl i n e a r b yi n c r e a s i n gt h ef r e q u e n c yo fs t r a i nm o n i t o r i n g ， t h es h r i n k a g e ，c r e e pa n do t h e rn o n - s t r e s s s t r a i no fc o n c r e t ea r es e p a r a t e ds i m p l y t h es t r e s s s t r a i no fc o n t r o ls e c t i o nd e r i v e df r o ma n a l y s i si sb a s i c a l l yc o n s i s t e n t w i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s f i n a l l y ，t h em e t h o do fs t r e s sa n a l y s i so nt h ec l o s u r e i l s e g m e n ti sg i v e nw h e nt h et e m p e r a t u r ec h a n g e sa n dt h ei m p a c to fp r o v i s i o n a l t e n s i o no nr o d sr i g i d l yc o n n e c t e dt ot h ec l o s u r es e g m e n ti sa n a l y s e du s i n gg e n e r a l f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h a tp r o v i d e sar e a s o n a b l ep r o p o s a lf o rt h e c l o s u r es e g m e n tc o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t e n to ft h er e s e a r c hi sc o m p r e h e n s i v e t h er e s e a r c hr e s u l t sm e e tt h en e e d so fl o n g s p a np cb e a mb r i d g ei nc o n s t r u c t i o n c o n t r o la n dt h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ec e r t a i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e i n p a r t i c u l a r , t h em e t h o d so fp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o na n dr e l a t i v e e l e v a t i o nt e m p l a t e a d j u s t m e n ta r ew o r t h yr e f e r e n c ef o ro t h e rs i m i l a rp r o j e c t s k e y w o r d s ：p r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a mb r i d g e ；p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ；l i n e a r c o n t r o l ；s h r i n k a g ea n dc r e e p ；s t r a i ns e p a r a t i o n ；c l o s u r es e g m e n t i i i 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 插图清单 p c 连续梁桥图1 p c t 型刚构桥( 带挂梁) 1 p c 连续刚构桥2 自适应控制框图6 桥a 第四联桥跨布置图( 括号内为第五联) 一9 桥a 第四联箱梁横断面图( 括号内为第五联) 9 桥a ( 第四联) 离散化计算模型1 5 1 2 全桥结构挠度变形图1 7 参数敏感性分析图1 7 试验钢束横截面布置1 9 试验钢束f 5 和t 5 大样1 9 挂篮悬浇阶段单“t ”构根部截面应力时程图2 3 挂篮悬浇阶段箱梁l 4 截面应力时程2 3 中跨合拢后全桥应力云图2 4 体系转换后全桥应力云图2 5 桥面铺装后全桥应力图2 6 挂篮悬浇结束时全桥线形2 7 体系转换前全桥线形2 7 体系转换后全桥线形一2 8 二期恒载后线形2 8 桥a 第四联施工阶段预拱度图( 半桥) 2 9 桥a ( 第四联) 使用阶段预拱度3 2 三角形斜拉式挂篮图示：3 3 挂篮加载试验现场照片3 4 挂篮加载试验p f 曲线一3 4 箱梁挠度温度曲线3 5 立模标高温度修正计算图示3 7 零号块测点布置顶面图3 9 悬臂节段挠度测点平面布置3 9 悬臂节段挠度测点立面布置4 0 悬臂节段立模标高测点立面布置4 0 1 3 群墩1 3 群梁段挠度对比图4 2 v i i 老化理论徐变系数计算曲线4 5 先天理论徐变系数计算曲线4 5 弹性徐变体理论徐变系数计算曲线一4 6 应力监测截面布置图5 0 应力测点布置5 0 j m z x 2 1 5 型埋入式应变计安装示意图5 l 1 2 拌墩根部截面换算应力与应力理论值对比图一5 3 1 3 群墩根部截面换算应力与应力理论值对比图5 4 1 4 # 墩根部截面换算应力与应力理论值对比图5 4 合拢段温度应力计算图示5 5 合拢段整体模型( 近似两端固结) 一5 7 合拢段网格划分5 7 5 f p t k 张拉力下刚接杆应力云图5 8 l o f p 。k 张拉力下刚接杆应力云图5 8 2 0 f p 。k 张拉力下刚接杆应力云图5 9 v i i i l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6舢舢舢舢如舢舢禾舢孓孓孓孓孓孓图图图图图图图图图图图图图图图 表1 1 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表4 1 表4 2 表5 1 表格清单 世界大跨度预应力混凝土梁式桥2 桥a ( 第四联) 施工阶段划分图1 5 成桥l0 年后边跨和中跨跨中部分节点挠度值16 桥a 摩阻参数k 、u 分析2 1 摩阻参数取值对比2 l 钢绞线延伸量对比2 2 桥a 箱梁c 6 0 混凝土抗压弹性模量试验结果汇总2 2 国内部分桥梁挂篮使用情况一览表3 2 桥a1 3 撑墩1 3 撑块施工过程中测点高程联测表4 1 挂篮变形误差分析4 1 桥al3 撑墩1 3 群块测点高程随施工工况变化表4 2 桥a 第四联( 左幅) 合拢精度4 3 桥a 第五联( 左幅) 合拢精度4 3 应变传感器工作性能指标5 1 应变监测数据处理表5 2 钢接杆应力汇总表5 9 独创性声明 学位论文作者签名：弓1 多签字日期：沙，汐年厶月珈日 学位论文作者签名：j 纠l 瓜签字日期：沙，汐年厶月珈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权 合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名： 乒) 二 签字日期：印p 年栌b ，日 导师签名： 签字日期：扣伽年p 月沙日 黧呻铱悄晰嗲乞习裂例觚 致谢 本论文从选题到撰写都是在导师胡成副教授的精心指导下完成的，在此致 以深深的谢意。 胡老师知识渊博、治学严谨、工程经验丰富、为人正直大方，是我以后所 追求的。在攻读硕士期间，胡老师在学习和生活上给予了诸多指导和关怀，并 让我参加工程实践，本文的写作，胡老师更是倾注了大量的心血。再一次表示 深深的谢意。 感谢提供实习机会的合肥工大工程试验检测有限责任公司，实习期间公司 领导不仅在工作上给予指导，还给予了生活上关怀，在此深表谢意。 感谢土木学院姜天晓、刘勇志、张茂龙、吴少杰、王君同学及工大检测公 司蒋波、耿新蕾同志实习期间对我工作的支持与帮助。 感谢土木与水利工程学院所有老师两年多来对我的认真培养与淳淳教诲。 您们严谨的工作作风、踏实的工作态度以及对科研的执着精神是我工作以后努 力的方向。 最后，向远在家乡的父母和兄嫂致以深深的谢意! 感谢您们在我的求学生 涯中给予的无微不至的关怀! 感谢父母的养育之恩和兄嫂的鼎力支持! 二十多 年来，您们教给了我做人的道理和处世的原则，您们的牵挂和鼓励催我奋进。 在此谨祝父母身体健康! 哥嫂工作顺利! i v 作者：刘三奇 ：2 0 10 年4 月8 日 1 1 引言 第一章绪论 粱式桥在桥梁建设中占有主导地位，其跨越能力在2 0 m 到3 0 0 m 之间。随 着2 0 世纪初钢筋混凝土及预应力混凝土技术的兴起，混凝土粱式桥得到了突 飞猛进的发展。大跨径p c 粱式桥主要是指大跨径预应力混凝土连续梁桥、连 续刚构桥和t 型刚构桥等”l 。t 形刚构桥园桥面伸缩缝较多，不利于高速行车， 使用越来越少，而预应力混凝土连续絮桥和连续刚构桥具有跨越能力大、受力 合理、行车平顺、施工方便和养护费用少等优点，已成为大中型桥梁设计中的 首选桥型 2 - 4 i 。 前联邦德国于1 9 5 3 年建成了世界上第一座自架设体系的p c t 型刚构桥 沃尔姆斯( w o r m s ) 桥主跨1 1 42 m ，而巴拉圭19 7 9 年建成的多跨带铰p c t 型刚构桥一一a s u n c i o n 桥，2 7 0 r a 的主跨至今保持着该类桥的世界纪录；目前 世界上最大跨径的p c 连续粱桥是挪成1 9 9 4 年建成的v a r o d d - 2 桥，跨径2 6 0 m ； 最丈跨径的p c 连续刚构桥是1 9 9 8 年建成的挪威s t o l m a s u n d e t 桥，跨径3 0 1 m 。 图1 1p c 连续粱桥图图1 1 2p c t 型刚构桥( 带挂粱 我国在钢筋混凝土粱式桥建设方面，虽起步较晚，但发展较快。乌龙江桥 是国内较早建成的座大跨径p c t 型刚构桥，总长5 5 2 m ，分跨为5 8 + 3 1 4 4 + 5 8 m 各剐构间采用3 3 r n 简支挂梁连接。国内修建的最大跨径p c t 型刚构 桥是1 9 8 0 年竣工的重庆长江太桥，主跨1 7 4 m ；1 9 8 4 年建成的湖北省沙洋汉 江桥是首座跨径超过i o o m 的p c 连续粱桥，跨径1 0 0 m 以上的p c 连续粱桥还 有广东省广州大桥、江门外海桥、惠州东江桥、湖南常德沅江桥、贵州思南乌 江桥、天津永定新河华北桥、湖北宜城汉江桥、宜昌乐天溪桥、江苏南京长江 第二大桥北汊桥等，其中1 9 9 9 年建成通车的南京长江第= 大桥北汉桥，虽大 图l - 3p c 连续刚构桥 跨径达到了1 6 5 m ；在吸取国内修建数十座t 型刚构的经验和研究国外同娄桥 梁成熟技术的基础上，1 9 8 8 年在广州市郊建成了国内第一座大跨径p c 连续剐 构桥洛溪大桥，全长1 9 1 60 4 m ，最大跨径1 8 0 m 该桥为9 0 年代连续剐 构桥的大规模建设奠定了基础，并成就了虎门大桥辅航道桥2 7 0 m 的跨径纪录。 表1 i世界太跨度预应力混凝土粱式桥 序号桥名国家建成年代 跨径( m ) 结构型式 s t o l m a 桥挪威 p c 连续刚构 r a f t s u n d e t 桥挪威 p c 连续刚构 3 a s u n c i o n 桥巴拉圭 1 9 7 9 多跨带铰p c t 构 虎门大桥辅航道桥中国p c 连续刚构 g a t e w a y 桥 溴 利p c 连续刚构 6v a r o d d 一2 桥挪威1 9 9 42 6 0 p c 连续粱 栌州长江二桥 中国 p c 连续刚构 8s c h o t t w i e n 桥奥地利】9 8 92 5 0p c 连续刚掏 d o u t o r 桥葡萄牙 p c 连续刚构 s k y e 桥 英国p c 连续刚构 c o n f e d e m t i o n 桥加拿大带挂粱p c t 构 重庆黄花园大桥 中国 p c 连续刚构 黄石长江丈桥 中国 p c 连续刚构 滨名丈桥 日本 5 5 + 1 4 0 + 2 4 0 + 1 4 0 + 5 5p c 有铰t 构 1 5江漳长江丈桥中国1 4 0 + 2 4 0 + 1 4 0 p c 连续刚构 贵州六广河大桥 中国2 0 0 0 p c 连续刚构 随着中国交通事业的发展，大量的公路需要建设，桥梁作为公路的咽喉工 程，其建设任务更加艰巨。依靠现有的科学技术水平，桥梁结构理论分析和受 力计算已经不存在什么问题，但是桥梁设计者的设计意图能否真正得以实现往 往还取决于施工技术，落后的施工技术甚至直接影响到桥梁建设的发展，因此， 高水平的桥梁设计需要先进的施工技术来支持。另一方面，桥梁施工技术的革 新可以为桥梁设计意图的实现提供灵活多样的手段，为新型桥梁结构体系的开 发、新型材料的应用、桥梁跨越能力的增加、成桥线形与受力状态的改善、工 程质量的提高、建设工期的缩短和工程造价的降低等创造条件并提供技术上的 支持。所以要提高桥梁建设水平，就必须提高其施工水平。 大跨径桥梁的施工是一个系统工程，在该系统中，设计图是目标，而在为 实现设计目标而必须经历的整个施工过程中，将受到诸多确定和不确定因素 ( 误差) 的影响，包括计算分析模型、桥用材料性能、施工精度、荷载水平、 环境温湿度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的差异，施工期间如何 从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实之值，对施工状态进行实时识 别( 监测) 、调整( 纠偏) 和预测是至关重要的。上述工作一般需要以现代控 制理论为基础来进行，故称之为施工控制。在近年来的桥梁建设，特别是大跨 径桥梁的建设中，桥梁建设者已经普遍认识到了施工控制在施工技术中的重要 地位和作用。 1 2 梁式桥施工控制的目的和意义 大跨径p c 梁式桥的理想几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关，还 依赖于科学合理的施工方法。桥梁结构施工过程的安全和成桥状态是否能满足 设计要求是桥梁建设者必须解决的问题，要达到施工安全和设计线形与受力状 态要求，必须对施工全过程进行监测和控制。同时，施工控制的结果为大型桥 梁实行长期监测提供原始依据，是桥梁运营状态实时监测的起点。 目前，悬臂施工法是建造大跨径p c 梁式桥常用的施工方法，包括悬臂拼 装与悬臂浇筑两种形式，属于自架设体系施工方法。悬臂拼装是将预制节段块 件，从桥墩两侧依次对称安装节段，张拉预应力筋，使悬臂不断接长，直至合 拢。悬臂浇筑则是在桥墩两侧对称逐段就地浇筑混凝土，待混凝土达到一定强 度后，张拉预应力筋，移动机具、模板，继续施工至合拢。悬臂施工法不需要 大量施工支架和临时设备，不影响桥下通航、通车，施工不受季节、河流水位 的影响，因此，在大跨p c 梁式桥上得到了广泛的使用【5 】【6 】。自架设体系施工 方法必然使桥梁结构经历一个复杂的内力和位移变化过程。对于悬臂浇筑的预 应力混凝土梁式桥，施工过程中桥梁结构的实际内力和线形偏离理想状态的原 因主要有以下几方面： 3 桥梁施工临时荷载 浇筑主梁混凝土超方量及墩两侧悬臂重量不平衡 挂篮定位时的温度影响 预应力张拉及预应力损失的误差 挂篮变形( 包括弹性变形和非弹性变形) 混凝土弹性模量 混凝土徐变收缩 合拢工序错位 当上述因素与估计不符，而又不能及时识别引起控制目标偏离理想状态的 真正原因时，必然导致在以后梁段的悬臂施工中采用错误的调整措施，造成误 差的累积，所以，施工控制是大跨径梁式桥施工过程中不可缺少的工序。在施 工过程中通过实时监测和控制，根据监控结果对设计的施工过程做出相应的调 整，使成桥状态最大可能地接近设计状态，是施工控制的最终目标。国内很多 未重视有效施工控制的既有p c 连续梁桥，在成桥后出现了内力分配不合理、 主梁线形不流畅的情况，有些甚至出现了严重的跨中下挠，影响了桥梁的使用 功能。可以看出，建造一座质量高、外观美的桥梁，施工控制是必不可少的， 有效的施工控制不仅是桥梁施工安全的有力保证，而且是桥梁质量控制的内在 要求i 。 1 3 梁式桥施工控制的内容和方法 1 3 1 施工控制的内容 桥梁施工控制的任务就是对桥梁施工过程实施控制，保证整个施工过程中 桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，确保成桥状态( 包括成桥 线形和结构内力) 满足设计要求。总的来说，大跨径p c 梁式桥的施工控制主 要包括以下几方面的内容【8 j ： l 、变形控制 对于采用挂篮悬臂浇筑施工的大跨径p c 梁式桥，随着悬臂的延伸，结构 变形在施工过程中是不断变化的，而且影响结构变形的因素很多。为了避免桥 梁结构的实际位置在施工过程中偏离理想状态，导致桥梁难以顺利合拢，或者 成桥状态的线形与内力与设计要求不符，影响桥梁的使用功能，必须对桥梁结 构变形进行控制。变形控制包括纵桥向箱梁水平位置控制、横桥向箱梁变形控 制以及竖直方向箱梁顶板和底板高程控制三个方面的内容。 2 、应力控制 桥梁结构在施工过程中以及成桥以后的受力情况是否与设计相符是施工 控制要明确的重要内容。结构应力控制的好坏不像变形控制那样容易发现，如 4 果结构应力控制不力，会影响桥梁结构的耐久性，甚至危及结构安全。桥梁健 康检测发现，目前大部分在役大跨径p c 梁式桥都存在着腹板开裂、跨中下挠 的病害，分析表明，这些病害的产生与混凝土浇筑质量差、预应力施工质量控 制不严、混凝土收缩徐变考虑不足有直接关系。为了保证施工质量，降低日后 桥梁结构的养护维修成本，必须采用可信度高的应力检测设备对结构关键部位 ( 如桥墩底部和顶部截面、箱梁根部截面、跨中截面、l 4 截面等) 进行应力 跟踪监测，并加以控制。应力控制包括钢筋( 预应力筋) 应力、混凝土正应力、 主应力等内容。 3 、稳定性控制 目前，桥梁结构的稳定性已经引起桥梁建设者的足够重视，但主要注重于 施工过程中所用的支架、挂篮、缆索吊装系统等施工设施的稳定性验算，以及 桥梁建成后的稳定性分析。对施工过程中可能出现的结构失稳现象还没有可靠 的监测手段，随着桥梁跨径的不断增长，受动荷载和突发事件( 如台风袭击、 挂篮坠落) 的影响，结构的安全很难得到保证。因此，应建立一套完整的稳定 性监控系统对建设期和运营期的桥梁结构进行全面的稳定性控制。 1 3 2 施工控制的方法 桥梁结构的工程控制是现代控制理论与桥梁工程相结合的必然产物，随着 桥梁跨径的不断增大以及新材料、新工艺、新施工方法在桥梁工程中的大量应 用，桥梁结构工程控制所涉及的范围越来越广泛【9 j 。 工程控制论先后经历了开环控制、闭环控制和自适应控制三个发展阶段。 开环控制在施工过程中的控制作用是单向向前的，不需要根据结构的实际状态 改正原先设定的施工控制参数，即不考虑结构状态方程的误差和系统量测方程 的噪音，因此又称确定性控制方法，该方法在9 0 年代建造的浙江桐庐富春江 大桥五跨p c 连系梁悬臂浇筑施工中得到了成功运用1 1 们。 对于跨径大、结构又复杂的桥梁体系，尽管可以在设计计算阶段精确计算 出成桥状态和各个施工阶段的理想结构状态，但是由于施工中的结构状态误差 和测量系统误差的存在，随着施工过程的推进误差就会累计起来，以致成桥状 态的几何线形和内力状态远远偏离了结构的理想状态，这就要求在施工误差出 现以后，进行及时的纠正和控制。虽然结构的理想状态无法实现了，但可以按 照某种性能最优的原则，使得误差已经发生的结构状态达到所谓的结构最优状 态。因为这种纠正的措施或者控制量的大小是由结构实际状态( 计入误差) 经 反馈计算确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因而称之为闭环控制或反馈 控制。由于在这个控制系统中出现了结构状态误差和系统测量误差，因此又称 为随机性控制方法。多年来，国内外桥梁工作者对闭环控制方法的应用进行了 深入的研究，并且在大量的工程实践项目中取得了成功o6 i 。 5 闭环控制方法能够通过控制作用消除由模型误差和测量噪声所引起的结 构状态误差，但是这种随机性控制方法只是在施工误差产生以后，用被动的调 整措施减小已经出现的结构状态误差对最终结构状态的影响。平衡悬臂施工 中，实际结构状态偏离各个施工阶段理想结构状态的主要原因是系统模型一一 结构有限元分析模型中的计算参数( 如截面几何特性、材料容重、弹性模量、 混凝土收缩徐变等) 与实际参数之间存在一定的误差。如果在重复性很强的悬 臂施工中，将这些有可能引起结构状态误差的参数作为未知变量或者带有噪声 的变量，在各个施工阶段进行实时识别，再将识别得到的参数用于下一施工阶 段的结构分析、重复循环，这样在经过若干个施工阶段的计算和实测磨合后， 必然可以使得系统模型参数的值趋于精确合理，使系统模型反映出的规律适应 于实际情况，从而主动降低模型参数误差，然后再对结构状态误差进行控制， 这就是自适应控制又称自组织控制的基本原理。对挂篮悬臂浇筑施工的大跨 p c 梁式桥而言，其自适应控制框图如图1 4 所示。 图1 4自适应控制框图 基于工程控制论，诞生了很多应用于工程实践的具体的施工控制方法，目 前广泛应用的有参数识别法、卡尔曼( k a l m a n ) 滤波法、灰色预测控制法、神经 网络法、无应力状态法等1 1 7 】【1 8 1 。 参数识别法是根据施工中的实测值对主要设计参数进行分析，然后将修正 6 后的设计参数反馈到控制计算中去，重新给出施工中的结构应力、变形、稳定 安全系数等理论期望值，以消除理论值与实测值不一致中的主要偏差“大范围 误差。对于施工偏差在事后难以调整、调整手段不多的大跨径p c 梁式桥， 事前预测显得尤为重要，这也给设计参数的识别提出了更高的要求。对于参数 的识别，首先要通过敏感性分析确定引起桥梁结构状态偏差的主要设计参数， 其次就是运用各种理论和方法( 如最小二乘法) 来分析、识别这些设计参数误 差，最后得到设计参数的正确估计值，通过修正参数误差，使桥梁结构的实际 状态和理想状态相吻合。 卡尔曼( k a l m a n ) 滤波法是以概率论为基础的最优随机控制，最早由美国学 者k a l m a n 于1 9 6 0 年提出，它将状态空间的概念引入到随机估计理论中，把信 号过程视为在白噪声作用下一个线性系统的输出，这种输入输出关系用状态方 程来描述。借助数字计算机发展的成果，将概率论和数理统计领域的成果用于 解滤波估计问题，提出了一种新的线性递推方法。这种方法不要求储存过去的 观测数据，当观测到新的数据后，只要根据新的数据和前一刻的估计量，借助 于信号过程本身的状态转移方程，按照一套推力公式，即可求出新的估计量， 因而大大减少了计算量和储存量，便于实时处理。在桥梁施工控制中离散线性 系统的卡尔曼滤波法更加适用，如悬臂施工的p c 连续梁桥，当结构某一阶段 施工完成后，无论结构处于什么样的状态( 如标高) ，我们基本上没有有效的 手段来改变已成型的结构状态，也就是基本上没有办法改变本施工阶段的结构 标高，我们所能做的就是根据本阶段的标高误差来预测或估计出下一阶段的标 高，通过正确的估计值来确定下一梁段的立模标高，使以后的结构实际状态符 合结构的理想状态。 灰色系统是信息不完全、不确定的系统。灰色系统理论就是以灰关联空间 为基础的分析体系，它是以现有信息和原始数列为基础，通过灰过程及灰生成 对原始数据加工处理，建立灰微分方程即灰模型( g m 模型) 为主体的模型体 系，来预测系统未来发展变化的一种预测控制方法。这种控制方法具有实时性 好、适应性强、精确度高、少数据建模及可进行多变量控制等特点【l 引。 人工神经网络，又称连接主义模式，是借鉴人脑的结构和特点，通过大量 简单处理单元( 神经元或节点) 互连组成的大规模并行分布式信息处理和非线 形形动力学系统。它具有巨量并行性、结构可变性、高度非线性、自学习性和 自组织性等特点。b p 网络是一类前向无反馈的神经网络，它可以通过对若干 样本的自学习，建立网络输入变量和输出变量之间的全局非线性映射关系。预 测计算流程如下：首先接受参数，读入神经网络模型结构和数据信息，初始化 权值和神经元阀值，读入样本数，设计变量初始值，然后将一个样本送入神经， 前向计算各层的输出值，计算输出层的误差并统计所有样本的均方差，反向修 正权值和阀值，这时如果均方差如果小于期望值，所有样本计算完成，输出样 7 本结果，否则，在返回并将另一个样本送入神经，重复上述步骤。在大跨p c 梁式桥施工控制中，可以利用有限元分析方法建立反映结构标高或应力与参数 之间非线性关系的神经网络模型，然后运用遗传算法的迭代过程修正模型参 数，最终寻求一组参数使得桥梁的计算模型与实际状态相一致，进而对施工状 态进行更好的控制1 2 u j l 2 1j 。 无应力状态法是中铁大桥局集团秦顺全同志在从事多年斜拉桥安装计算 和施工控制方法研究的基础上提出来的。它的一个最基本的观点，就是当结构 构件单元的无应力长度和无应力曲率一定时，结构的最终内力状态位移状态与 结构的施工过程无关。利用结构这样一个固有特性，在斜拉桥施工控制中，采 用基于斜拉索无应力长度调整的锚头伸缩量来调整斜拉索索力，就可以消除临 时施工荷载变动和日照温差的影响。进而可以处理斜拉桥现场施工操作时的大 量同步施工作业问题，提高施工效率【2 2 1 。无应力状态法在实桥上的应用始于 武汉长江二桥( 1 9 9 2 年) ，到目前为止，已在包括混凝土斜拉桥、钢箱梁斜拉桥、 结合梁斜拉桥、混合型斜拉桥和钢桁梁斜拉桥在内的2 0 多座大跨度斜拉桥中 应用，均取得了非常好的效果。可以看出，无应力状态法在大跨度桥梁，特别 是斜拉桥施工控制中有着广泛的应用前景。 1 4 本文工程背景和研究的主要内容 1 4 1 工程背景概述 某p c 连续梁桥( 以下称桥a ) 全长1 1 1 7 4 m ，左右幅分离，平面全部位 于直线内，立面处于r = 1 0 0 0 m 、t = 3 3 5 m 、e = 5 6 1 1 m 、i = 3 3 5 的竖曲线内， 桥轴线为南北走向，与所跨水道呈约9 0 。交角。全桥共分六联，第一、二联 上部结构采用装配式p c 连续箱梁，桥跨组成为2 x ( 4 3 0 ) m ；第三联跨北岸防 洪堤，上部结构采用现浇p c 等截面连续箱梁，桥跨组成为3x 5 0 m ；第四联跨 越主航段( 国家内河i 级航道) ，上部结构采用p c 变截面连续箱梁，桥跨组 成为( 6 0 + 2x1 0 0 + 6 0 ) m ；第五联跨南岸防洪堤，上部结构采用p c 变截面连续 箱梁，桥跨组成为( 5 0 + 2 x 7 5 + 5 0 ) m ；第六联为装配式p c 连续箱梁，桥跨组 成为5 x 3 0 m 。桥墩墩身分别采用薄壁空心桥墩、柱式桥墩( 矩形截面、圆形截 面) ；上部结构为预制箱梁的桥墩在墩顶设置盖梁，其余桥墩不设盖梁；桥台 采用肋板式台；墩台基础均采用钻孔灌注桩。桥a 主要技术及设计指标如下： l 、设计安全等级：级 2 、设计行车速度：1 0 0 k m h 3 、汽车荷载等级为：公路一i 级 4 、环境类别：类i 5 、人群荷载：2 7 5 k n m z 8 6 、桥面组成：2 5 m ( 栏杆及人行道) + o 5 m ( 防撞护栏) + l9 m ( 行车道) + 0 5 m ( 防撞护栏) + 1 o m ( 桥净距) 十0 5 m ( 防撞护栏) + 1 9 m ( 行车 道) + 0 5 m ( 防撞护栏) + 2 5 m ( 栏杆及人行道) 7 、桥面横坡：行车道2 0 ，人行道1 5 8 、温度荷载：体系升温按2 0 计，降温按l5 计，日照温差荷载按公 路桥涵设计规范规定的温度场进行计算。 图1 5桥a 第四联桥跨布置图( 括号内为第五联单位：m ) 单位：g i n 图1 - 6桥a 第四联箱梁横断面图( 括号内为第五联) 桥a 施工监控主要针对第四联和第五联。第四联上部为( 6 0 + 2 x1 0 0 + 6 0 ) m 四跨变高度p c 连续箱梁结构，全长3 2 0 m ，桥宽2 2 3 o m ，为单箱双室结构。 箱梁为三向预应力混凝土结构，顶面宽2 2 5 m ，底板宽1 4 o m 。箱梁根部梁高 为5 5 m ，边跨及中跨合拢段梁高为2 2 m ，梁底下缘按1 8 次抛物线变化。第 五联上部为( 5 0 + 2 x 7 5 + 5 0 ) m 四跨变高度p c 连续箱梁结构，全长2 5 0 m ，桥宽 2 x 2 3 o m ，为单箱双室结构。箱梁为三向预应力混凝土结构，项面宽2 2 5 m ， 底板宽1 4 o m 。箱梁根部梁高为4 2 m ，边跨及中跨合拢段梁高为1 8 m ，梁底 下缘按1 5 次抛物线变化。桥跨布置及截面形式分别如图1 5 和图1 - 6 所示。 9 1 4 2 本文研究的主要内容 本文以桥a 施工监控项目为依托，在完成施工监控工作的基础上进行了 以下几个方面的研究工作i 1 、自适应控制理论在大跨p c 梁式桥施工监控中的应用。根据大桥施工 图设计，按照拟定的施工方案，利用大型通用有限元软件m i d a sc i v i l 6 7 1 对 桥a 进行了施工阶段模拟分析。并在现场试验的基础上，运用最小二乘法原 理对特大桥的部分设计参数进行了识别，修正了初始结构计算模型，使计算结 果( 位移、内力) 与结构实际状态更加逼近，为有效控制该桥的线形和应力奠 定了基础； 2