（岩土工程专业论文）高墩大跨连续刚构桥施工监控和稳定性研究.pdf

分类号 u d c 学 密级 旌程歹大署 位论文 题 目壶燮太堕鋈缝型抱盘旌三些控狸整定性狃壅 英文t h es t u d yo nh i g hp i e r sl o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i d 题i 三i c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gc o n t r o la n ds t a b i l i t y 研究生姓名一 登玄置 指毒教师警爰茗豢兰妻匹姜监羔嘉兰 申请学位级别王堂亟 学科专业名称羞王猩 论文提交日期至q ! ! 生垒月 论文答辩日期至q ! ! 生三l 学位授予单位盛这理王太堂 学位授予日期丁一 答辩委员会主席辽兰钮评阅人玉埠( 笺二弛 q v 1u 恸群 2 0 11 年5 月 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学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 明并表示了谢意。 劲l t - s 2 , 0 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：翌邀置导师( 签名) ：继日期：丝! ：毋 摘要 随着国民经济的飞速发展，在一些地形、地质更加复杂地区修建高速公路 的需求日益增大，连续刚构桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适、 有利于养护等独特的优势在近年来得到了广泛应用。为了解决实际工程问题， 传统连续刚构桥正向着大跨径、上部结构不断轻型化、简化预应力束类型、取 消边跨合龙的落地支架、连续长度增大、薄壁柔性墩不断增高的趋势发展，因 此施工难度将会进一步加大。为了使桥梁施工状态最大限度地接近理想状态， 从而保证桥梁结构在施工过程中的安全，最终达到桥梁结构成桥状态满足设计 和施工规范的要求，在施工阶段对高墩大跨度预应力混凝土连续刚构桥实施监 控并进行施工阶段的稳定分析是十分必要的。 本文以芭茅冲特大桥作为研究对象，依据现代控制理论，结合高墩大跨连 续刚构桥的自身特点，采用自适应控制理论并运用合理的施工监控方法，对各 个施工工况进行模拟计算，得到理想状态下的线型和应力值，在施工过程中通 过实测数据与理论计算值对比及时发现异常并分析原因，采取相应的控制措施， 并对施工过程计算模型进行实时修正。同时本文使用有限元软件m i d a s c i v i l 对本桥高墩关键工况不同荷载组合下的结构整体稳定性进行仿真分析，研究了 高墩施工完毕、最大悬臂、成桥阶段不同荷载组合对结构稳定性的影响，以保 证大桥施工过程质量和安全。 高墩大跨连续刚构桥的上部结构的监测方法已经十分成熟了，而高墩的偏 位变形监测却没有得到相应的重视，本文结合芭茅冲特大桥的实际情况，运用 高墩偏位监测方法，提出施工阶段在高墩墩身设置棱镜作为永久观测点，其监 测结果能很好的反应高墩真实变形，对同类型工程有一定的借鉴意义；合龙阶 段的施工是悬臂浇筑最关键的一个环节，本文通过研究施工单位和设计单位提 出不同的合龙方案对结构的影响，选取最优化方案，通过工程实践验证，其更 符合施工质量安全要求。 关键词：高墩大跨连续刚构桥；高墩偏位监测；有限元分析；施工控制；稳定 性研究； a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , i ns o m et e r r a i n , g e o l o g yi s m o r ec o m p l e xa r e a si n c r e a s i n gd e m a n df o rn e wh i g h w a y , c o n t i n u o u sr i n df r a m e b r i d g ew i n li t ss i m p l ec o n s t r u c t i o n , c o s tt h ee c o n o m y , r e a s o n a b l ef o r c e , d r i v i n g c o m f o r ti sc o n d u c i v et oc o n s e r v a t i o n , a n do t h e ru n i q u ea d v a n t a g eh a sb e e nw i d e l y u s e di nr e c e n ty e a r s i no r d e rt os o l v ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，i st o w a r d c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g es p a n , t h es u p e r s t r u c t u r ec o n t i n u o u s l yl i g h t e r , s i m p l i f i e d p r e s t r e s s e db e a mt y p e ，s i d ec r o s st oc a n c e lt h ec l o s u r eo ft h ef l o o rs t a n d , t h eu l 瑁| e r s t r u c t u r eo fc o n t i n u o u sl e n g t hi n c r e a s e s ，t h ec o n s t a n ti n c r e a s ei nt h i n - w a l l e df l e x i b l e p i e r , s of u r t h e ri n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo ft h ec o n s t r u c t i o nl a r g e h i g hp i e rs p a n p 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 l t l eb r i d g et oc o n t r o lt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s si st oe n s u r et h a tp e r m i t st h eb r i d g es t r u c t u r ed u r i n g c o n s t r u c t i o na n db r i d g et h e s e c u r i t y s t a t u so fb r i d g e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n s p e c i f i c a t i o n st om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h en e c e s s a r ym e a n s a n dt h es t a b i l i t yo f l l i g hp i e r sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np h a s eo f t h ea n a l y s i si sv e r yn e c e s s a r y t h i sa r t i c l et a k e sb a m a o c h o n gg r e a tb r i d g ea st h er e s e a r c ho b j e c t , t h eb a s i so f m o d e r nc o n t r o lt h e o r y , u n i f i e sh i g hs p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m ep i e rp i e r so w n c h a r a c t e r i s t i c s ，嘲t h ea d a p t i v e c o n t r o l t h e o r y a n du t i l i z e st h er e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gm e t h o d ，c a r r i e so nt h ea n a l o gc o m p u t a t i o nt oe a c h c o n s t r u c t i o no p e r a t i n gm o d e ，o b t a i n su n d e rt h ep e r f e c tc o n d i t i o nl i n e a ra n dt h es t r e s s v a l u e , e x c e p t i o n a l l ya n da n a l y z e st h er e a s o ni nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s st h r o u g ht h e m e a s u r e dd a t ap r o m p td i s c o v e r y , t a k e st h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e , c a r r i e so l lt h e r e a l - t i m er e v i s i o nt ot h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sc o m p u t a t i o nm o d e l t h es t a b i l i t yo f l l i g hp i e rc o n t i n u o u sr i g i d eb r i d g ep i e ri sm a i ni s s u e sw h i c ha t t a c h e st o t h e s t r u c t u r es a f e t y h i g hp i e rc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g es u p e r s t r u c t u r e sm o n i t o r i n gm e t h o dh a d b e e nv e r ya l r e a d ym a t u r e ，w h i l et h ed e v i a t i o no fh i g hp i e rd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g h a sn o tb e e ng i v e na t t e n t i o n ，t h i sa r t i c l eu n i f i e st h eb a m a o c h o n gg r e a tb r i d g e s a c t u a ls i t u a t i o n , u t i l i z e st h eh i g hp i l l a rd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gm e t h o d , p r o p o s e d t h a tt h ec o n s t r u c t i o ns t a g et h eb o d ye s t a b l i s h m e n tp r i s mt a k e st h ep e r m a n e n t o b s e r v a t i o np o i n ti i l1 l i g hp i e r , i t sm o n i t o r i n gr e s u l tc a nb ev e r yg o o dr e s p o n s eh i g h p i l l a rd i s t o r tr e a l l y , h a sc e r t a i n l yt ot h es a m ct y p ep r o j e c tp r o f i t sf r o mt h es i g n i f i c a n c e ； t h ec l o s u r es t a g e sc o n s t r u c t i o ni st h eb m c k e tc o n s t r u c t sam o s te s s e n t i a ll i n k , t h i s a t t i d et h r o u g ht h er e s e a l c hc o n s t r u c t i o na n dt h ed e s i g n i n gd e p a r t m e n tp r o p o s e dt h a t t h ed i f f e r e n tc l o s u r ep l a nt ot h es t r u c t u r et h ei n f l u e n c e , t h es e l e c t i o no p t i m i z a t i o n p l a n , t h r o u g ht h ep r o j e c tp r a c t i c ec o n f i r m a t i o n , i tm e e t st h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t y s a f e t yr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：h i g hp i e r c o n t i n u o u sr i g i df r a n l eb r i d g e ；p i e rd e v i a t i o nm o n i t o r i n g ；f i n i t e d e m e n ta n a l y s i s ；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 ys t u d y ；, i i i 目录 摘j l j i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 高墩大跨连续刚构桥概况1 1 1 1 发展历程1 1 1 2 结构受力特点2 1 1 3 主要施工方法2 1 2 桥梁施工监控技术的发展一3 1 3 高墩大跨连续刚构桥稳定性研究现状3 1 4 本文的研究内容和目标4 第2 章桥梁施工监控概述5 2 1 桥梁施工监测控制的重要意义5 2 1 1 桥梁施工技术与监控5 2 1 2 施工控制的作用6 2 2 桥梁施工监控的内容6 2 2 1 几何控制6 2 2 2j 立力控制6 2 2 3 稳定性控制7 2 2 4 安全控制7 2 3 施工控制理论与方法。7 2 3 1 现代控制理论简介7 2 3 2 现代控制理论与方法8 2 3 3 桥梁施工控制方法9 2 2 4 影响桥梁施工控制的因素1 0 第3 章芭茅冲特大桥施工监控仿真计算分析12 3 1 工程概况l2 3 1 1 基本的设计要点1 2 3 1 2 材料及参数13 3 1 3 初步计算参数1 3 3 2 施工监控计算内容和过程1 4 3 2 1 确定监控计算初始状态和建立计算模型1 4 3 2 2 计算参数取值及修正16 3 2 3 结构倒装计算1 7 3 2 4 理想正装计算1 7 3 2 5 施工前后的预测计算1 7 3 2 6 结构试运营计算：1 7 3 2 7 立模标高的确定1 8 3 3 施工监控仿真计算l8 3 3 1 悬臂施工中的线形变化计算1 8 3 3 2 箱梁截面应力计算2 l 第4 章施工监测内容及方法2 3 4 1 线形测量2 3 4 1 1 主梁挠度的观测2 3 4 1 2 箱梁轴线抽测2 3 4 1 3 主梁立模标高的测量2 4 4 1 4 主梁顶面高程的测量2 4 4 2 混凝土结构应变测试2 4 4 2 1 应变测试原理。2 5 4 2 2 传感器布置方案2 5 4 2 3 箱梁结构应力测量2 6 4 3 箱梁温度场观测2 7 4 4 主墩沉降观测2 8 4 5 高墩偏位观测2 8 4 5 1 测点布置。2 8 4 5 2 监测原理及方法2 9 4 6 截面尺寸测量3 0 4 7 材料力学指标检测3 l 4 8 挂篮荷载试验3 l 第5 章主要监测数据和监控结果分析3 3 5 1 挂篮荷载试验结果3 3 5 2 混凝土主要参数3 4 5 2 1 混凝土容重3 4 5 2 2 混凝土弹性模量3 5 5 3 温度场监测结果3 5 5 4 主桥线形监测与控制3 8 5 4 1 主梁线性控制3 8 5 4 2 挠度计算和误差分析3 8 5 4 3 参数估计与挠度校正4 3 5 5 主桥应力4 3 5 5 1 混凝土截面应变4 3 5 5 2 应力测试误差4 4 5 5 3 应力监测结果分析4 5 5 6 高墩偏位监控4 7 5 7 合龙监控与结果分析5 0 5 7 1 合龙方案5 0 5 7 2 两种方案结果分析。5 2 5 7 3 合龙控制5 7 第6 章桥梁结构的稳定性分析5 9 6 1 两类稳定性问题5 9 6 2 研究稳定性问题的主要方法6 0 6 3 桥梁稳定性计算。6 0 第7 章高墩大跨连续刚构桥稳定性分析6 3 7 1 高墩稳定性分析6 3 7 1 1 高墩自体稳定性计算理论。6 3 7 1 2 风荷载计算6 5 7 1 3 高墩自体稳定性计算6 6 7 2 主梁悬浇和成桥阶段的稳定性分析6 9 7 2 1 连续刚构桥悬臂浇筑阶段稳定性分析。6 9 7 2 2 成桥阶段稳定性分析7 1 第8 章结论与展望7 3 8 1 结论7 3 8 2 展望7 4 致谢7 5 参考文献。7 6 攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录7 9 附录8 0 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 高墩大跨连续刚构桥概况 随着我国经济的飞速发展，在一些地形、地质更加复杂地区修建高速公路 桥梁的需求日益增大，连续刚构桥以其跨越能力大，施工简便，受力合理，行 车舒适等独特的优势在近年来得到了广泛应用。 连续刚构桥最主要的特点就是桥墩和主梁采用固结的结构形式【1 】，主要发 展趋势是：跨径越来越大、悬臂越来越长、主梁薄壁轻型化、高墩的高度在不 断升高且在保证结构强度的情况下尽量柔性化、结构受力复杂化。平衡悬臂施 工法是其主梁施工首选的方法，施工过程中，悬臂长度不断增大，为保证施工 阶段结构的安全和施工质量，使其顺利合拢且成桥线形、应力符合设计要求， 对施工过程全方位的监测控制是十分必要的。本文结合高速公路中高墩大跨连 续刚构桥施工监控实践工作探讨和总结一些关键的监测和控制方法，同时对施 工过程中涉及到结构稳定性重要工况进行模拟分析，从监测数据中找到最能反 映结构稳定性状况的数据，完善监控方法。 1 1 1 发展历程 1 9 世纪中期以后，桥梁的施工方法才逐渐多样化。预应力混凝土桥梁技术 在上世纪2 0 年代发源与德国，而后欧美一些发达国家被广泛采用。随着经济和 社会的发展，人类的工程技术不断超越极限，而对于那些需要跨越大江和深涧 的大跨径桥梁，传统的支架施工方法不仅难度极大、造价较高，而且施工质量 也无法保证。1 9 3 0 年e b a u m g a r t 用悬臂施工法建造了主跨6 8 m 的钢筋混凝土梁 桥【7 】，这是悬臂法施工方法在工程实践中的首次成功应用。从此，悬臂施工技 术以其施工方便和经济适用的优点被广泛采用【5 引。 1 9 6 4 年原联邦德国成功建造了主跨长达2 0 8 m 的本道夫( b e i l d o r f ) 桥【3 1 ，再一 次向世界证明了悬臂施工方法在大跨径预应力里梁桥施工中的优越性，而且薄 壁型的主墩与上部的连续箱梁固结是一次桥梁结构的巨大创新，大跨径的连续 刚构桥以其独特的优点被广泛采用。我国的第一座大跨径连续刚构桥一广东洛 溪大桥于1 9 8 8 年建成，该桥主跨1 8 0 米，开创了大跨径连续刚构桥在我国的建 武汉理工大学硕士论文 设先河。我国工程技术人员充分发挥其优点，在随后的高速公路建设高潮中大 跨径连续刚构桥如雨后春笋般出现在全国各地。2 0 世纪末我国建成了虎门大桥 辅航道桥，该桥主跨长达2 7 0 m ，将该桥型的跨越能力发挥到极致。我国连续刚 构桥在数量和质量上均取得可喜的成绩，已建成重庆石板坡长江大桥复线桥， 其最大跨径达到3 3 0 m 。是跨径世界第一大连续刚构桥f 5 1 。 1 1 2 结构受力特点 高墩大跨连续刚构桥的墩、梁、基础固结为一体共同受力，是类似于刚架 体系的多次超静定结构【4 】。依靠柔性高墩的协调变形来抵抗由结构由各种荷载和 次生应力所引起的位移对主梁的破坏，这样就可以不用设置支座和伸缩缝，使 路面更平顺，运营养护更方便。平衡悬臂施工可以最大限度的减少不对称荷载 对t 构的稳定性影响，因此是实际工程中的主要旌工方法。我们可以这么设想， 对于那些超高墩结构，柔性高墩对上部主梁的约束越来越小，墩顶的协调变形 足以达到支座的作用。所以我们其上部结构的受力与连续梁桥非常相似。连续 刚构桥为了满足上述要求，其顺桥向的抗推刚度较小【l 】，但为了保证上部结构施 工和运营期间的结构的安全和稳定，其顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度较大。 1 1 - 3 主要施工方法 由于高墩大跨连续刚构桥的上部结构较高且跨径很多采用传统的支架施工 既费力又费时，很多情况下如要跨越深谷大河话，基本上就不可能实现，而悬 臂施工法就克服了这些困难成为该桥型的普遍施工方法。该方法是把已完成的 结构当成施工受力体系，进行下一节段的施工，如此循环前进直到完成旌工。 由于具体的施工工艺不同，我们把主梁采用现浇工艺施工的施工法称作悬臂现 浇；把采用预制拼装悬臂施工的方法称作悬臂拼装。现在国内的预应力混凝土 连续刚构桥主要采用悬臂现浇法施工，该法有较大可能涉及到结构体系转换， 且主梁的结构线性和应力在施工阶段是随着工况和施工荷载变化的f 2 】，为了保证 以上变化均值设计要求范围内，对悬臂法施工过程进行全程监测和控制是十分 必要。 2 武汉理工大学硕士论文 1 2 桥梁施工监控技术的发展 我国上世纪中页就已开始关注施工中结构内力和变形的调控( 1 9 5 7 年建成 的武汉长江大桥在施工过程中就做了应力、标高的调整) ，但在现代桥梁施工控 制技术方面的研究相对起步较晚，在我国改革开放后发展较迅速。进入8 0 年代 以后，随着计算机在桥梁工程中的广泛应用，桥梁工作者开始用计算机辅助桥 梁施工。1 9 8 2 年建成的上海泖港大桥( 主跨2 0 0 m 的斜拉桥) 首次根据现代工程控 制的基本思想，有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工控制。泖港大桥 的控制成功，引起了桥梁界对桥梁施下监控技术研究的高潮1 6 j 。8 0 年代后期， 对斜拉桥施工控制技术进行了全面研究，已初步形成系统。该统主要依靠现场 微机用理想的施工倒退分析程序和考虑徐变收缩影响的控制分析程序提供每一 施工阶段的理想状态施工控制值。在现场将理想状态计算控制值与实测值进行 比较分析，并通过对设计参数的识别和拉索索力的优化调整等方法，实现施工 作业与控制之间的良性循环乜1 ，最后达到对主梁挠度和拉索索力实施双控的目 的。 由于桥梁结构形式的多样化和施工方法的多样性，所以每一种桥型的施工 监控都有其自身的特点。对于采用对称悬臂施工的预应力混凝土连续刚构桥而 言，已施工的结构是下一阶段施工的承载部分，块件一旦浇筑完成，对主梁的 挠度影响将延续到成桥运营阶段，且无法再进行任何有效的调整，因此不能象 斜拉桥那样采用后期进行调整控制的方法，而只能采用预测控制的方法。虽然 施工控制的应用最先用于斜拉桥，但近年来，预应力施工技术的进步使混凝土 桥梁的大跨发展趋势变为可能，施工控制技术在大跨预应力混凝土桥梁中的应 用也引起桥梁专家的重视。尤其对于新型的连续刚构桥，预应力施工技术、悬 臂施工技术的成熟，加上施工监控技术的紧密配合，为预应力混凝土连续刚构 桥的大跨化提供了良好的条件，但另一方面，也为施工监控技术提出了更高的 要求 们。 1 3 高墩大跨连续刚构桥稳定性研究现状 随着大跨度桥梁日益广泛地采用高强材料和薄壁结构，稳定问题就更显重 要。梁板和翼缘板的翘曲与桥梁结构相关的稳定理论已有悠久的历史。早在1 7 4 4 年欧拉( e u l e r ，l ) 就提出了弹性压杆屈曲的计算理论：恩格赛( e n g e s s e r f r ) 3 武汉理工大学硕士论文 于1 8 8 9 年给出了塑性稳定的理论解：布里安( b r y a n g h ) 于1 8 9 1 年作出了简支 矩形单向均匀受压的稳定分析理论，普特尔( p r a n d t l l ) 和米歇尔( m i c l l e n ， j h ) 则几乎在同一时期发表了的侧倾问题的研究成果：而薄壁杆件的弯扭屈曲 问题也在2 0 世纪3 0 年代得到了基本解决。此后，桥梁结构稳定理论结合各种 形式的荷载、支承情况和结构构造得到了不断的发展，特别是计算机的问世， 极大的开拓了桥梁结构稳定的分析领域，例如含塑性变形和残余应力的构件以 及弹塑性的庞大杆件系统( 如析梁) 等的稳定问题u 刭。 高墩和大跨径是连续刚构桥发展的主要趋势，近年来连续刚构桥的高墩记 录是1 7 0 m ，最大跨径的记录是3 3 0 m ，主要的施工方法是对称悬臂浇筑施工，那么 在施工过程中对于高耸的细长结构进行稳定性分析十分必要的。其观测资料和 研究资料有限，有很多问题有待研究，如：高墩的非线性对结构受力的影响、施 工中的稳定性分析、抗风稳定性分析及全桥营运阶段的稳定性等乜。在一般的 连续刚构桥梁的计算中，为方便起见，都把连续刚构当作是平面刚架来加以计 算，模拟的单元是平面杆单元，对结构进行施工过程的模拟分析啪1 。 1 4 本文的研究内容和目标 本文以贵州省的芭茅冲特大桥为研究背景，主要进行以下的几方面研究： ( 1 ) 依据现代控制理论，结合高墩大跨连续刚构桥墩的自身特点，采用自适 应控制理论并运用合理的施工监控方法，对各个施工工况进行模拟计算，得到 理想状态下的线型和应力值，在施工过程中通过实测数据及时发现异常并分析 原因，采取相应的措施，对施工过程计算模型进行实时修正。 ( 2 ) 本文使用有限元软件m i d a s c i v i1 对本桥高墩关键工况不同荷载组合 下的结构整体稳定性进行仿真分析，研究了高墩施工完毕、最大悬臂、成桥阶 段不同荷载组合对结构稳定性的影响，以保证大桥施工过程质量和安全。 ( 3 ) 本文结合芭茅冲特大桥的实际情况，运用高墩偏位监测方法，提出施工 阶段在高墩墩身设置棱镜作为永久观测点，研究监测其结果反映高墩真实变形 的状况。 ( 4 ) 研究施工单位和设计单位分别提出不同的合龙方案对结构的影响，选取 最优化方案，通过工程实践验证其实际效果。 4 武汉理工大学硕士论文 第2 章桥梁施工监控概述 2 1 桥梁施工监测控制的重要意义 2 1 1 桥梁施工技术与监控 桥梁施工技术是桥梁工程从图纸的理想状态变化现实状态的必要手段，其 主要包含施工设计计算，施工方法、手段与工艺、施工控制等内容【1 】。 “施 工控制”在前些年经常被人忽略在施工技术之外，其实它是作用巨大且有很强 技术性的施工技术。 随着我国公路技术的发展，在更加复杂地形地质条件下修建桥梁的需求更 加迫切。我们可以把桥梁施工看成一个系统工程，设计是灵魂是理想，而要把 理想变为现实这个过程就要克服许多困难，这其中绝不仅仅是我们设计图纸中 所显示的内容，我们将遇到许多与理想设计状态不符的一些因素，比如实际施 工中混凝土的材料强度参数、各结构构件的尺寸、悬臂施工时所受的各种荷载、 结构所处的环境等与设计参数值之问有一定差距，监测结果也存在定的误 差，为了实现设计目标对实际状态进行实时的监测和控制十分必要的。 作为桥梁施工技术的一部分施工控制是十分关键的环节。施工控制技术因 施工方法、结果受力形式、使用材料的不同而采用相应的措施。把钢桁梁的悬 臂架设和混凝土桥梁的悬臂施工作比较，虽然施工方法大致相同，但使用的材 料不同，在施工控制是都要设预拱度，然而前者远比后者简单，主要原因是钢 材是匀质材料且易加工成准确的结构，而混凝土材料除了自身材料的不稳定性 还受施工养护条件的影响包括温度、湿度、时间等因素的影响以及施工过程中 荷载变化导致结构的变形，其自身还有收缩徐变。这就会导致各节段或层的内 力和位移随着混凝土浇筑过程变化而偏离设计值的现象。对这种情况，只有通 过有效的施工控制早预测、及时监测、早调整，才能保证施工质量和结构安全。 利用专用有限元计算软件，对复杂的自架设体系施工过程进行计算分析， 可提取得出各工况下的一些应结构质量和安全的数据( 主要是应力和应变) ，把 这些值称为预设计值。在实际施工过程中若发现预计值和实际监测值有差异， 要及时分析并找出主要原因，及时作出适当的调整，使下一阶段施工的应力和 5 武汉理工大学硕士论文 应变满足设计要求。 2 1 2 施工控制的作用 一切建设活动都是在安全的前提下才能进行，我们桥梁工程也不例外。桥 梁的施工过程是可预测、可设计、可计算的，把施工过程的各个工况设计好， 并计算其相应的应力和结构应变值，同样我们也可以测得各工况下的实际值， 这样就可以全面了解结构的实际状态。通过比较，如果二者之间的差异超过规 范和安全范围时，要停止施工，查找原因并采取相应的控制措施，只要这样才 能保证结构的安全和施工顺利进行。 2 2 桥梁施工监控的内容 桥梁施工监控就是通过前期计算分析预计值，在实际施工过程中监测桥梁 线性、应力和稳定性相关的数据也包括材料参数、环境影响、施工工艺的调整 等与设计有差异的地方；及时发现问题并做出相应的控制调整，使下一阶段的 结构应力和应变更加趋近与理想状态，从而保证施工质量和结构安全。在此原 则下，不同的桥型，其监控方法和内容有一定的侧重点，主要还是以下四个方 面：几何控制、应力控制、稳定性控制、安全控制。 2 2 1 几何控制 连续刚构桥采用悬臂施工已施工部分的结构是下一工况的施工体系，其结 构线性是不断变化的，特别是标高，如果不及时的监测其实际值并做出调整， 就会是误差累计，最终导致合拢段高程过大无法满足规范和设计要求，或者成 桥线性较差对结构受力不利。因此，结构的几何控制是十分必要的。几何控制 的方法主要是通过监测施工过程中结构的线型状态，与理想状态进行对比，根 据事先确定的误差允许值做出相应评价，调整下一阶段施工的线性值。 2 2 2 应力控制 连续刚构桥在各个施工工况下的应力状态反映了结构的根本状态，目前应 力控制主要是在关键部位埋设应力传感器来监测结构实际应力，同时要消除因 温度、实际材料参数、测量误差等对实测值的影响，与预计值进行对比，对于 6 武汉理工大学硕士论文 应力异常的情况要认真查找问题的原因，如果是结构荷载和施工问题要及时做 出调整，使施工建设阶段结构的应力处于安全状态。 2 2 3 稳定性控制 连续刚构桥由于其施工方法和结构形式的特殊性导致它的稳定性成为施工 成败的关键因素。稳定控制的过程主要是在实际监控过程中，一般是选取最危 险施工阶段，对结构施加最不利的荷载组合模拟分析求得相应工况下的最小安 全系数和失稳模态；在监测过程中可以从两结构变形和内力这两个角度出发去 监测，对于严重超过预计值的情况要十分谨慎，先查明原因做出相应的调整之 后再进行下一阶段的施工，对于某些阶段的施工如高墩的施工可以采取一定措 施：在高墩两肢之间设置横向支撑来增大结构的顺桥向刚度从而保证结构的安 全。高墩的施工本身不可避免的存在一定的缺陷，在上部结构施工的过程中风 载、施工荷载、施工过程一些突然荷载都可能存在，因此在高墩施工阶段要进 行偏位监测，保证主梁悬臂施工的过程中“t 构 有足够的安全储备，做好防风 和抗风准备，同时要保证挂篮的强度和稳定性。 2 2 4 安全控制 安全是施工顺利进行的前提，以上三种控制工作做到位了，结构的安全自 然得到了保障。鉴于悬臂施工的风险较大，而且一旦挂篮跌落将对已施工结构 造成很大的破坏作用，同时施工作业的塔吊也对结构有一定威胁。在施工过程 中要认真检查挂篮的后锚是否安全可靠，挂篮行走要有专人监管，塔吊在吊装 机具和材料时不能超载，同时防止重物碰撞或跌落导致桥梁结构受损。 2 3 施工控制理论与方法 2 3 1 现代控制理论简介 一门学科应用数学的程度反映了它的成熟程度，现代控制理论也不例外， 各种数学理论都在此找到应用于实践的舞台。线性代数、概率论与随机过程理 论等组成了数学基础。以下重点介绍第三代控制理论。 第三代控制理论指大系统理论和智能控制理论。 2 0 世纪7 0 年代以来世界经济发生了翻天覆地的变化，人类的生产力极大的 7 武汉理工大学硕士论文 提高，开始建设一些超级工程，这些工程需要调动大量的人力、物力而且建设 周期也很长，为了完成这些大系统工程，便产生了大系统理论，关于大系统分 析和设计的理论。我们可以把工序复杂的特大型桥梁工程看成由若干子系统组 成的大系统，采用大系统理论利用多级递阶控制来实现该系统的多目标的最优 化。 智能控制是智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现 其目标的自动控制，也是用计算机模拟人类智能的一个重要领域。 2 3 2 现代控制理论与方法 现代控制理论可以总结为以下几种 ( 1 ) 线性系统理论 线性系统理论是以状态空间法为主要工具研究多变量线性系统的理论。线 性究对象一般是多变量线性系统，而经典理论主要以单输入单输出系统为研究 对象。因此，现代线性系统理论具有大得多的适用范围。 ( 2 ) 最优控制 最优控制理论是研究和解决从一切可能的控制方案中寻找最优解的一门学 科f 】。着重研究使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。如在 工程系统中，使施工的工期缩短而质量达到最优、施工监控过程中结构状态尽 可能的接近理想状态等。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制器是一种能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变 化的控制器【4 4 。由于系统存在不确定性，所采用的数学模型与实际情况有误差， 在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。 ( 4 ) 模糊控制 采用由模糊数学语言描述的控制律来操纵系统工作的控制方式。模糊控制 的特点是仅依据操作人员经验所制订的控制规则，而忽略控制对象的复杂情况 的影响。传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复 杂或难以精确描述的系统，因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。 ( 5 ) 专家系统控制 它是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。将专家系统同控 制理论和技术相结合，对系统进行控制形成专家控制系统。把专家系统作为控 武汉理工大学硕士论文 制器称为专家控制器。专家系统的基本组成，即由知识库、推理机、解释接口 等组成。专家系统可以解决额问题一般包括解释、预测、诊断、设计、规划、 监视、指导和控制等。发展专家系统的关键是表达和运用专家知识，即来自人 类的并已经被证明对解决有关领域内的典型问题是有用的事实和过程。 2 3 3 桥梁施工控制方法 施工控制的主要任务是根据施工过程中测试的数据，对下一步的施工提供 数据。监控的目标是使成桥的状态满足设计的要求。 不同桥型所采用施工控制方法也不相同，主要有以下方法：事后控制法、 预测控制法、自适应控制法、最大宽容度法等。 控喇目标 约泉叠囊 图2 - i 预测控制基本结构图 在某阶段施工完成后，发现与预计值不符，此时采用相应的方法可以使其 在调整后满足设计要求的施工控制方法叫做事后调整法。由于连续刚构桥每一 步施工在完成后很难调整，一旦出现差错、几乎无法补救，只能不断的调整使 下一阶段更加趋于理想状态，所以该方法不适用于连续刚构桥的施工监控。 预测控制法是在综合分析桥梁结构在施工过程中各工况下的荷载和次应力 的影响计算得出这些工况下结构线性和应力状态，把这些值作为预测值，通过 调控是结构施工在设计状态下顺利进行的一种控制方法。该方法是现代控制理 论应用于实际工程的主要方法。如图2 1 是预测结构的基本示意图。 在分段施工中实际结构状态达不到各个阶段理想结构状态时误差生产地重 9 武汉理工大学硕士论文 要原因之一，并会使系统模型一结构有限元模型中的计算参数如截面几何