（市政工程专业论文）大跨度预应力混凝土连续梁桥施工监控技术研究.pdf

大跨度预应力混凝土连续梁桥施工监控技术研究 摘要 大跨度预应力混凝土连续梁桥施工过程相当复杂，施工方法和安装程序不 但影响安装时的结构应力，而且决定最终成桥线形和内力。有效地实旌施工监 控对桥梁施工过程中的结构安全、确保最终大桥的顺利合拢以及成桥状态的线 形和受力情况符合设计要求是必不可少的。文章对旖工监控的原理和方法进行 了探讨，分析了预应力混凝土连续梁桥施工监控的主要内容和方法。运用 m i d a s c i v i l 专用分析软件，根据高强混凝土现场收缩徐变，建立了相应仿真 分析模型，对施工各阶段的位移和内力进行计算，给出施工过程中变形、应力 的仿真分析结果。结合现代通用预测控制理论知识，建立现场旖工监控系统， 通过开展结构应力( 应变) 和挠度监测，分析施工监控的影响因素，提出相应的 预控措施，合理指导施工。 关键词：施工监控、仿真分析、状态监测、反馈分析、连续箱梁 r e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fl o n g - s 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 sb e a mb r i d g e a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fl 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 sb e a m b r i d g ew a sr a t h e rc o m p l i c a t e d c o n s t r u c t i o nm e t h o da n di n s t a l lm e t h o dn o to n l y i n f l u e n c et h es t r u c t u r a ls t r e s s e sw h e ni n s t a l l e d ，b u ta l s od e t e r m i n e sf i n a lm a i n c a b l es h a p ea n di n t e r n a lf o r c e s oi ti sn e c e s s a r yt oe x e c u t e ac o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n ge f f e c t i v e l yt oe n s u r et h es t r u c t u r a ls a f e t y , s u c c e s s f u lc l o s u r eo f as p a n a n dt h ei d e a l a l i g n m e n t o fs u p e r s t r u c t u r ed u r i n ga n da f t e re r e c t i o no ft h e b r i d g e t h ep a p e re x p l o r e s t h em a i np r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fs e g m e n t a l c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g ，a n a l y s e st h ec o n t e n ta n dt h em e t h o do ft h ec o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g o ft h ep 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 s i m u l a t i o n a n a l y s i s m o d e lw a sc r e a t e d b yu s i n gs p e c i f i ca n a l y s i s s o f t w a r en a m e d m i d a s c i v i lb a s e do ns h r i n k a g ea n dc r e e ps e c o n d a r yo fh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ea t t h a tt i m e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i so fd e f o r m a t i o na n ds t r e s si nc o n s t r u c t i o n p r o c e s sa r eg i v e nb yc a l c u l a t et h ed i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c e a c c o r d i n g t o m o d e r ng e n e r a lt h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo fp r e d i c t i v ec o n t r o l ，b u i l d i n go n t h e s p o t c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a n a l y s et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nc o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n gb ym o n i t o r i n gs t r e s s ( s t r a i n ) o f t h e s t r u c t u r e ，a n dp r o p o u n d c o r r e s p o n d i n gp r e c o n t r o lm e a s u r e s t og u i d et h ec o n s t r u c t i o nl e g i t i m a t e l y k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；s t a t em o n i t o r i n g ； f e e d b a c ka n a l y s i s ；c o n t i n u o u sb e a m ； 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 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 “ 图2 1 2 图2 。1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 插图清单 连续箱梁施工工艺步骤4 单个节段臂浇筑施工工艺流程4 主桥断面图9 桥型效果图9 前进分析流程图一1 4 倒退分析流程图1 5 实际结构中应力与时间关系1 6 单元划分图( 1 2 全桥结构) 2 2 全桥累计挠度仿真结果示意图2 3 5 撑节段挠度仿真结果示意图2 3 6 拌节段挠度仿真结果示意图2 4 7 拌节段挠度仿真结果示意图2 4 8 撑节段挠度仿真结果示意图2 4 9 捍节段挠度仿真结果示意图2 4 1 0 # 节段挠度仿真结果示意图2 4 应力仿真计算截面布置图2 5 截面1 1 应力水平( 分阶段过程线) 2 5 截面2 2 、3 3 应力水平2 6 截面4 4 应力水平2 6 截面6 6 应力水平2 6 截面7 7 应力水平- 2 6 o 号块和l 号块高程控制点布置图4 0 标高测点布置4 1 箱梁标高测点布置4 1 第五联单幅应力测试断面布置图4 3 第五联1 6 撑墩挠度对比图4 6 第五联1 7 # 墩挠度对比图4 8 1 6 # 墩边跨l 4 截面项底板应力对比图4 9 1 6 撑墩根部截面顶底板应力对比图5 0 1 6 拌墩中跨l 4 截面项底板应力对比图5 1 1 7 存墩中跨l 4 截面顶底板应力对比图5 2 1 7 撑墩根部截面顶底板应力对比图5 3 表格清单 表2 1施工阶段划分表2 2 表3 1第五联理论预拱度表3 8 表5 1第五联左幅合拢精度一4 8 表5 21 6 撑墩边跨1 4 截面应力对比4 9 表5 31 6 拌墩根部截面应力对比5 0 表5 41 6 群墩中跨1 4 截面应力对比5 1 表5 51 7 群墩中跨1 4 截面应力对比5 2 表5 - 61 7 # 墩根部截面应力对比5 3 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， 也不包含为获得金旦曼兰些盔堂 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。 学位论文作者签字：羽研签字日期：夕巾年华月舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍王些太堂有关保留、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。本人授权金目垦互些太 堂一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：臆 导师签名： 签字日期：力卜年够月fo 日 签字日期：矽l o 年叩月，o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：眩f 愎唐夤直烈洌尸i b 通讯地址：力弘名裤呔匠j 加马 电话：f 峻l 心 提l 。 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师汪莲副教授、杨成斌教授表示最真诚的 感谢，感谢两位老师在学业上及生活上给予我极大的关怀和帮助。 在研究生这两年多的学习时间里，两位老师给予我悉心的指导，本论文的 选题、撰写、修改直至最后定稿都是在两位老师的帮助下完成的。两位老师严 谨的治学态度、广博的学术知识、科学创新精神，都对我有很深刻的影响，使 我受益匪浅。在此，谨向我的导师表示衷心的感谢。 感谢学友、校友对我的帮助，良好的氛围伴我度过了在校园的美好时光。 特别感谢我的父母，在我多年的求学和成长过程中你们给与了我无私的奉 献和关爱，在我身上倾注了无数的心血，我所走的每一步无不饱含着你们辛勤 的培养，祝愿你们健康快乐! 感谢所有关心和帮助我的人，感谢合肥工业大学，感谢土木与水利工程学 院，在这里留给我无数美好回忆! 作者：时娜 2 0 10 年3 月5 日 第一章绪论 1 1预应力混凝土连续梁桥概述 预应力混凝土连续梁桥具有结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平 顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等优点。在预应力混凝土 桥梁发展过程中，无论是城市桥梁、高速公路桥，还是跨越宽阔河流的大桥， 预应力混凝土连续梁桥具有较大跨越能力的优势被广泛采用。预应力混凝土连 续梁桥一般采用变截面，其主要断面形式是箱型截面【l 】。预应力混凝土连续箱 梁不仅梁高选用变截面，其截面的底板、项板和腹板的厚度也可变化，以满足 梁内各截面受力要求。连续梁桥随着桥梁分段施工方法的改进而不断发展，“近 3 0 年来，土木工程界最重大而又引人注目的成就之一，就是预应力混凝土桥梁 分段施工方法的形成及其分段施工技术的发展，而且得到了世界各国工程界的 广泛承认 【2 1 。 预应力混凝土连续梁桥在我国的桥型结构中占主导地位。它不仅仅适用于 各种大、中、小桥梁，在如今高水平的架设水平下还适用于许多特大跨径的桥 梁。预应力混凝土连续梁桥具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能 好，特别是主梁变形挠度曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。而且现 阶段在混凝土连续梁桥的设计上技术较为成熟，施工质量能得到及时且良好的 控制，成桥后养护工作量小，因此该桥型是公路、城市和铁路桥梁工程中最广 泛采用的桥型。2 0 世纪5 0 年代，德国工程师率先采用挂篮悬臂浇筑混凝土施 工方法用于建造预应力混凝土兰河( l a h n ) 桥，并在1 9 5 3 年1 9 5 4 年用此法建成 握尔姆斯( w b r m s ) 和科别麦茨( k o b l e n z ) 两座大跨径t 型刚构桥。这是预应力混 凝土首次用于修建大跨径桥梁，它成功地显示出挂篮施工方法的优越性，并为 现今悬臂浇筑混凝土连续梁、t 型刚构、斜拉桥等无支架施工桥梁奠定了基础。 2 0 世纪6 0 年代中期，我国将钢桥悬臂施工的方法引入到预应力混凝土桥梁施 工中，并逐步使得预应力混凝土连续梁桥成为我国桥梁的主流桥型。现如今， 预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术都己达到相当高的水平。在建成的预 应力连续箱梁桥中，世界上最大跨径为2 5 0 m ( 葡萄牙的坡托桥) ，南京长江二桥 北汉桥为国内最大跨径连续箱梁桥，跨度为( 9 0 + 3 x 1 6 5 + 9 0 ) m ，国内比较典型该 类桥型的工程还有：2 0 0 3 年建成的响礁门大桥，主桥跨度为( 8 0 + 1 5 0 + 8 0 ) m ，2 0 0 3 年建成的金沙洲大桥，主桥为( 9 3 + 1 3 8 + 9 3 ) m ，2 0 0 4 年建成的宿淮高速公路京杭 运河特大桥，主桥跨度为( 9 0 + 1 6 5 + 9 0 ) m ，2 0 0 5 年建成的宿迁s 2 4 9 宿洪路北延 京杭运河特大桥，主桥跨度为( 8 0 + 1 4 0 + 8 0 ) m 。 预应力混凝土连续桥梁得到迅速发展的重要原因，就是施工技术( 包括预应 力工艺和设备) 和方法的不断改进，它将梁体设计为变高度梁，使桥梁造型美观， 同时亦减轻了自重，且悬臂施工法不需要大量支架和临时设备，不影响桥下通 航、通车，施工不受季节、河道水位的影响，因此悬臂梁挂篮施工是应用较广 的预应力混凝土的施工方法。它是以已经完成的墩顶节段( “o 号节段) 为起点， 通过挂篮的对称地向两侧前移逐段浇筑混凝土，并待混凝土达到一定强度后， 施加预应力的挂篮循环作业法。大跨度连续箱梁桥材料物理力学参数、荷载和 力学模型均有时变性，因此需要进行结构仿真分析、现场施工监测、反馈分析 和有效的组织管理。施工监控可保证桥梁成桥线形及受力状态符合设计要求， 避免桥梁留下质量和安全事故隐患，在现代桥梁施工中具有重要作用。 我国已建成的跨径较大的预应力混凝土连续梁桥大都采用此法施工。但是 悬臂浇筑的大跨度连续梁桥的设计与施工要求高度协调，而施工方法和安装程 序不但影响安装时的结构应力，而且决定最终成桥线形和内力，所以必须要对 大跨度连续梁桥进行施工监测，确保在悬臂施工过程中结构的安全，同时在合 理的误差范围内保证成桥时桥梁的线形和内力符合设计要求。 1 2预应力混凝土连续梁桥的施工方法及特点【3 】【4 】 预应力混凝土连续梁桥施工方法很多，有支架现浇法、悬臂浇筑、悬臂拼 装法、顶推法、移动模架法、大型浮吊施工和旋转施工法等。其中以悬臂浇筑 和悬臂拼装施工法应用最广。 悬臂浇筑法又称无支架平衡伸臂法、挂篮法和吊篮法。挂篮悬臂施工箱梁， 混凝土浇注量大，需对称浇筑，并且为保持挂篮稳定性偏载量不得大于一个底 板混凝土量。连续梁桥挂篮逐段浇筑施工的工艺程序为： ( 1 ) 墩顶安装托架，并在墩顶托架上采用分次浇注法浇筑o 群号节段 ( 2 ) 采用施工工序简单、造价低廉的墩项预埋预应力钢筋作为临时固结。 ( 3 ) 在0 号节段上安装悬臂挂篮，向主梁两侧逐段前移挂篮，绑扎钢筋，浇 筑混凝土和张拉预应力钢柬。悬臂浇注施工过程中主要考虑不平衡荷载的控制 和预应力施工、挂篮行走时的安全问题。 ( 4 ) 合拢段施工可在改装的简支挂篮托架上浇筑。多跨径预应力混凝土连续 梁桥的合拢段浇筑顺序为先边跨后中跨。 ( 5 ) 逐段浇筑混凝土直至合拢段浇筑完成后，就要拆除墩顶处的预应力钢筋 临时固结体系，是桥梁结构体系转换为连续梁桥。 悬臂浇筑旌工工艺见图1 1 ，挂篮是悬臂浇筑施工中的重要机械，它是以 已经施工完成的箱梁节段为锚固段，悬臂浇筑时在挂篮上进行模板安装、钢筋 绑扎、管道安装、混凝土浇筑、预应力钢束张拉和管道压浆等工作，当一个节 段施工程序完成后，挂篮解除后锚，沿预设挂篮轨道移向下一个节段施工，每 一节段均重复上述过程，直至全桥合拢。 2 挂篮主桁架 临时固结墩 区l i 一攀 ii 主 墩 临l 承台 挂篮主桁架 ( a ) 0 撑节段临时固结 c o ) 挂篮就位 ( c ) 挂篮前移 狴架 _ 一 主i 主 墩l 墩 临时固结墩 夏i _ i 承台i 临时固结墩 临时固结墩 临 挂篮主桁架 挂篮主桁架 1 _ - 一 支燮c 临时固结域 俐 l 蠢 l l l 承台i 匕旦 ( d ) 现浇段浇筑 ( e ) 边跨合拢 3 ( d 中跨合拢 图1 一l 连续箱梁施工工艺步骤 悬臂浇筑的每一梁段，其施工工艺如图1 2 所示。为了缩短施工时间，混 凝土浇筑采用一次浇筑成形，先浇底板、腹板，后浇顶板。 安装调试挂篮 模板制作卜- + |安装箱梁底模、外模 钢筋制作卜_ 叫 安装钢筋 安装波纹管、内模卜- 一 制作试块 灌注梁段砼及养生 拆模及接缝处理 锚具及预应力束卜_ 刊穿预应力钢筋束 张拉机具准备卜_ 刊张拉预应力钢筋束卜 压试块 压浆机具准备卜刊管道真空压浆 挂篮前移就位， 进行下一粱段施工 图1 - 2 单个节段臂浇筑施工流程 悬臂浇筑法具有如下特点： ( 1 ) 预应力混凝土连续梁桥的结构受力状态有利于悬臂施工，施工时的预应 力筋张拉既是施工时的临时需要，又是成桥后结构的受力筋； ( 2 ) 悬臂浇筑的预应力混凝土连续梁桥施工方法为挂篮施工，在施工的同 时，不受交通和跨径的影响，因此，特别有利于需要通航和大跨径桥梁的施工； ( 3 ) 悬臂浇筑的预应力混凝土连续连续梁桥在施工时，无需大量搭设脚手架 旋工。因此，在施工费用上较为经济合理； ( 4 ) 悬臂浇筑方法施工的预应力混凝土连续梁桥均为挂篮施工，旌工时不受 环境的影响，可以进行平行作业，保证了工程进度的连续性； 4 ( 5 ) 变截面预应力混凝土连续梁桥在外观上，美观度较高，视觉效果较好。 现如今，随着悬臂浇筑施工技术的提高，在大跨径桥梁建设上取代了满堂 固定脚手架的施工方法和大跨径桥梁中钢桥一统天下的局面，推动了预应力混 凝土连续梁桥进一步向高强、轻型、大跨方向发展【5 1 。目前单孔跨径在4 0 - - - - 1 5 0 m 范围内的桥梁，与其他结构体系比较，预应力混凝土连续梁桥占主导地位。 1 3 大跨度预应力混凝土连续梁桥施工控制 1 3 1 施工控制的重要性【6 j 【7 l 随着我国交通事业的飞速发展，对跨越河流、峡谷、道路等障碍的大跨径 桥梁需求量越来越大，这种需求使得造价低、施工时间短的悬臂浇筑预应力混 凝土连续梁桥成为我过桥梁建设的主体趋势。预应力混凝土连续梁桥中，悬臂 浇筑施工方法的采用，使得桥梁结构的内力和位移变化更加复杂化，更加难以 控制。因此，要使悬臂浇筑的预应力混凝土连续梁桥各阶段内力和变形达到预 计值，最终符合设计要求，就必须进行施工控制。当发现施工过程中监测的实 际值与计算的预计值相差过大，且超过规范要求标准的时候，必须及时对施工 和监控过程进行原因分析，这样才能确保桥梁的线形和结构内力符合设计要求。 预应力混凝土连续梁桥施工控制不仅是桥梁施工过程中的安全保障，也是 桥梁营运过程中安全性和耐久性的保障。随着我国交通事业的飞速发展，荷载 等级、交通流量、行车速度等都在不断提高，还有一些不可预测的自然条件而 造成的破坏力也将会危及桥梁的安全，在桥梁建设时进行施工控制，并预留长 期观测点，给桥梁建设创造终身安全的监测条件，从而给桥梁营运阶段的养护 工作提供科学的、可靠的数据，使桥梁养护部门能根据该桥的监测数据，得到 桥梁的实际使用情况，从而进行进一步有效的养护和加固，而不是目前一些只 靠外观检查等简单手段得到粗略的检查结果，而进行不切要害的养护和加固。 要彻底改变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，必须在桥梁施工过程中建立施工控制系统，并使得该控制系统能长期 对桥梁营运阶段进行有效地、精确的监测，这样才能确保这些耗资巨大、与国 计民生密切相关大桥的安全性和耐久性。由此可见，桥梁施工控制是现代桥梁 建设中的必然趋势。 1 3 2施工控制的目的和内容 采用悬臂施工的预应力混凝土桥梁结构的最终成桥要经过多个施工阶段， 尽管每个阶段都严格控制施工时结构的几何尺寸、立模标高、收缩徐变、弹性 模量、预加力等因素，但是仍然不可避免地会出现结构实际状态和理想状态的 偏差。这种偏差可能来自施工本身的误差，也可能是环境的影响产生的误差， 还可能是测量系统精度的大小造成的误差。随着桥梁跨径和结构复杂性的增加， 5 这种误差己经到了影响桥梁的几何线形、改变结构的内力状态、甚至威胁结构 在施工过程中安全度。因此，如何消除或修正这些误差，确保施工过程中结构 的稳定性和安全性，使得最终成桥状态的线形和内力符合理想状态要求，是目 前预应力混凝土桥梁结构悬臂施工的关键问题。 桥梁的施工控制就是围绕上述任务而展开的，不同类型的桥梁，其施工控 制工作内容不一定完全相同，但总体上来说主要包括以下几个方面： ( 1 ) 主梁结构设计参数确定 在桥梁结构设计时，结构设计参数主要按照规范取用，由于在实际工程中， 存在部分设计参数值可能会小于实测值，因此在设计中，结构内力和位移较实 测值偏大。因此，对部分主要设计参数应该提前进行测定，以便在施工前能够 进行修订，保证成桥后桥梁线形和结构内力均满足设计要求。 ( 2 ) 主梁结构变形监测 桥梁结构变形监测主要包括：在每一节段施工完成后与下一阶段底模标 高定位前的桥面标高观测；挂篮行走前后、混凝土浇筑前后和预应力张拉前 后挠度观测。 ( 3 ) 主梁应力监测 应力监测主要为桥墩和箱梁截面的应力的测试，还有部分关键的临时构件 的应力也要加以注意。一般来说，桥墩上测点布置在墩底、横系梁及墩顶截面 处，主梁测点布置在悬臂根部、l 4 、l 2 等关键截面上。 ( 4 ) 温度观测 温度变化包括环境温度变化和日照温度变化两个部分。其中日照温度变化 较为复杂，日照会引起主梁项底板和墩身两侧的温度差，产生挠曲和位移。由 于日照温度变化的复杂性，所以只有尽量减少日照温度对监测结果的影响，观 测时间一般安排在早晨太阳出来前。 ( 5 ) 混凝土弹模、容重和收缩徐变系数的测试。 ( 6 ) 管道预应力摩阻损失的测定。 1 3 3施工控制的方法和原则 国内外桥梁工作者已经在悬臂施工桥梁的结构分析和工程控制方面进行了 大量的研究，并形成一些实用的控制方法，目前主要采用以下三种：开环控制 【1 们、闭环反馈控制和自适应控制【7 】【6 】。 ( 1 ) 开环控制 在初始的设计计算中，我们可以根据规范定义的设计荷载精确计算出一般 较为通用、简单的桥型的结构内力状态，并可根据各个施工阶段的荷载准确估 计结构跨中的预拱度的大小。对于此类通用桥梁一般采用单项向前的控制作用， 且预拱度不随着结构的实际状态而改变。因此，对于通用、简单的桥型，只要 6 严格按照计算给出的理论值进行施工。施工完成后，桥梁的成桥线形和结构内 力均能达到理想状态。这种方法我们称之为开环控制法。 ( 2 ) 闭环反馈控制 当设计计算的桥型跨径较大、结构体系复杂时，这些桥梁的最终成桥线形 和结构内力同一般通用桥型一样可以通过精确的计算得出。但和通用桥型不同 的是，由于该类桥型结构复杂，因此，在施工过程中不可避免的出现结构状态 误差和测量误差。且这些误差在追个阶段的进展中，误差不断的积累，以至于 最后成桥状态偏离理想状态。因此，我们不仅仅靠简单设置预拱度来解决问题， 还必须逐个阶段进行反馈计算来调整结构误差，使得最终成桥状态达到最优化。 这种方法我们称之为闭环控制法。 ( 3 ) 自适应控制 虽然闭环控制可消除施工误差，但是，这种消除误差的方式较为被动，会 使得单个的施工阶段达不到理想状态，这样的话会使得结构有限元分析计算中， 计算参数与实际参数之间产生偏差。那么，在悬臂施工此类重复性较强的分阶 段施工中，将能够引起施工误差的参数作为未知变量，参数的获取贯穿整个施 工阶段。现阶段获取的参数将应用于下阶段施工的结构分析、依此类推、重复 循环。这样在经过若干个施工阶段的测量、计算与磨合之后，系统模型参数的 取值将趋于精准。将此规律应用于实际情况中，通过计算，可以将模型的参数 误差降到最低，继而再对结构状态误差进行控制。以上就是自适应控制( 自组织 控制) 的基本原理。 1 3 4施工控制的发展趋势 2 0 世纪6 0 年代以后，在古典控制理论的基础上发展起来了的现代控制论， 在土木工程领域得到了广泛的应用儿心】。桥梁工程作为土木工程行业的一个重 要组成部分，具有结构复杂，技术含量高等特点。现代控制理论的发展，对桥 梁建设的发展和应用中起着巨大的作用。 2 0 世纪8 0 年代初期，日本修建的月夜野预应力混凝土连续桥。当时，就 已经对此桥建立结构内力、线形等建立了观测监控系统，并运用计算机对监控 的结果进行结构计算分析。最后再将分析结果应用于施工过程中，来进行对该 桥梁的控制。此后，在c h i c b i b y 斜拉桥和y o k o h a m a 海湾斜拉桥的修建过程中， 成功利用计算机联网传输技术建立了一个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。后来还研制了一个以现场微 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 析和控制的全过程【”】【1 4 】。 我国在桥梁施工控制方面的研究和国外相比起步较晚，但是发展非常迅速。 8 0 年代初期在斜拉桥施工控制中首次应用卡尔曼滤波原理进行斜拉索力调整 7 【1 1 ，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。8 0 年代后期， 同济大学对斜拉桥的施工监控技术进行过研究，初步形成了系统【1 6 儿1 7 】，并在后 来的上海黄浦大桥和浙江普江斜拉桥施工中进行了实际应用。该系统主要是依 靠计算机用理想的施工倒退分析方法和考虑收缩徐变影响的控制分析方法比较 分析，并通过对设计参数的识别和拉索索力的优化等方法，实现施工与控制之 间的良性循环，最后达到对主梁挠度和拉索索力进行双控的目的。 在大跨度连续梁桥和连续刚构桥施工控制方面，上海城建学院的李国平等 人提出大跨度连续梁桥最优施工控制的理论和方法i l 引。该方法将成桥线形和施 工阶段结构状态作为离散、线性、确定性动态结构系统最优控制的对象，并根 据大跨度连续桥梁悬臂施工的特点，来控制状态与变量、目标函数、约束条件 以及具体实施方法等。其成果在富春江大桥和上海吴淞大桥1 1 9 】的施工中得到应 用。重庆交通学院顾安邦等人提出随机最优控制理论，在重庆市黄花园大桥施 工控制中予以应用【20 1 。虎门大桥辅航道连续刚构桥施工控制过程中，采用线性 回归分析方法对线形进行了控制，取得了较好效果。同时，数学软件作为辅助工具逐 渐被应用于大跨度桥梁的施工控制中，丰富了施工控制的手段，提高了控制精度。 目前，我国己将桥梁施工控制纳入日常施工管理工作中，控制方法也较为完善。 在对桥梁施工过程中的控制的同时，还在桥梁中埋设测点进行长期观测、预报和分析， 以便在桥梁运营期间进行实时监控，避免突发事件的发生，同时也为施工控制技术研 究方面提供可靠的数据。因此，桥梁工程控制的发展趋势必由原先的简单的人工测量、 分析、预报，发展为自动化智能控制，在仪器上也必然推陈出新，来使得测量和分析 数据更具备科学性、可靠性。 1 4 论文主要研究内容 1 4 1 工程概况 某特大桥( 第五联) 上部结构为跨径5 0 m + 7 5 m + 7 5 m + 5 0 m 的四跨变截面 预应力混凝土连续梁桥。箱梁顶板宽为2 2 5 m ，底板宽度1 4 m ，箱梁根部梁高 4 2 m ，跨中位置及边跨合拢段梁高1 8 m ，箱梁底板下缘按1 5 次抛物线变化， 跨中及边跨现浇段为2 8 c m ：腹板厚l 号块为8 0 - - - 6 0 c m ，2 - 7 号块为6 0 c m ，8 号块为6 0 - - - 4 5 c m ，其余梁段为4 5 c m 。主梁悬臂长度为4 2 5 m ，翼缘外侧厚1 8 e r a ， 根部为6 5 c m ，采用两次直线变化，翼缘厚度在端横梁伸缩缝处统一至5 0 c m 。 主梁在0 号设置宽度为3 m 的中横梁，边跨现浇段处设置宽度为1 5 m 的端横梁。 箱梁横桥向底板保持水平，箱梁项面设2 0 的横坡。主桥断面图见图1 3 ，桥 梁效果图见图1 4 。 箱梁采用三向预应力体系。全桥纵向预应力筋分别采用1 5 、1 3 股钢绞线， 配a m l5 15 、a m 5 13 锚具，横向预应力采用4 股钢绞线，配b m l5 - 4 和b m l5 - 4 扁锚，竖向预应力采用3 2 高强精轧粗钢筋，配y g m 3 2 和y g b 3 2 锚具。纵 8 向预应力钢束采用平、竖弯相结合的方式布置，两端张拉，横向预应力钢束以 曲线形式布置于顶板上缘。一端采用固定锚预埋于翼缘板，在另一端张拉，竖 向预应力钢柬以直线形式布置于腹板，下端预埋，在箱梁顶面张拉。 型业 4 2 5 0 i 1 4 0 0 0 】4 2 5 0 1 15 x15 * 图1 - 3 主桥断面图 圈i 4 桥型效果图 该特大桥( 第五联) 上部结构采用悬臂浇筑法施工，单t 划分为2 3 个梁 段( 不包括合拢段) ，i o 个悬浇阶段施工最大悬臂长度3 65 m ，悬臂块件最 大长度35 m ，最大重量1 6 95 t 。主墩临时锚固用中3 2 m m 精轧螺纹租钢筋，配 y g m 3 2 锚具。箱梁结构0 号、1 号段采用支架浇筑法。该特大桥( 第五联) 0 号段长35 m 。箱梁顶板宽2 25 m ，底板宽1 4 m 。箱粱底扳厚1 2 0 c m ，腹板厚8 0 e r a ， 顶板厚6 5 c m 。0 号段混撮土方量为：1 9 57 m 3 ，粱段重量为5 0 88 t 。 主桥连续箱粱采用挂篮悬浇施工，半幅主桥分三个“t ”单元，各单“t ”箱粱 除0 、1 号段外分1 0 对梁段，在0 、l 号块上拼装挂篮，然后分阶段前移挂篮， 浇筑各节段并且分批张拉各节段悬浇铜束，锚固在各节段端面。箱粱纵向分段 长度为27 5 + 6 x 30 m + 4 x 35 m ，0 号块长度为35 m 。合拢段长度为20 m 。 1 4 2 主要研究内容 在深入研究和探讨桥梁施工监控理论和方法的基础上，结合某特大桥主桥 ( 第五联) 上部结构施工监控，开展了以下研究内容： ( 1 ) 研究和探讨了大跨度悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥施工控制的基本 理论和实践方法。该过程主要有施工监控理论、施工监控方法以及监测系统等。 ( 2 ) 在结构分析时，采用正装计算法和倒装计算法相结合方法。运用m i d a s 专用有限元分析软件，建立了相应仿真分析模型，给出该特大桥主桥( 第五联) 理论的挠度和应力的仿真分析结果，用于指导施工监测。 ( 3 ) 根据该特大桥的结构特点和施工过程，建立现场施工监控系统，对结构 的应力和挠度进行监测。结合桥梁施工监控的主要影响因素和各个关键截面的 应力和变形监测数据进行分析，利用分析的结果提出相应的控制方法。 ( 4 ) 文章中以线形状态预测与调整理论来结合工程实例，在施工监控过程中 对桥梁结构立模标高进行预测和调整。并将调整后的结果应用于桥梁施工中， 确保桥梁施工的安全性和合拢的精度。 ( 5 ) 根据桥梁的结构特点，对温度影响进行分析总结。主要有以混凝土水化 反应产生的温度变化和日照温度对桥梁施工线形影响。为防止日照温度对桥梁 的影响，我们将监控时间尽量安排在对结构变形影响最小的时刻，。 ( 6 ) 在分析应力和变形的过程中，探讨了该特大桥主桥施工监控体系，确保 了桥梁施工顺利开展。 l o 第二章桥梁结构仿真分析 桥梁的悬臂浇筑施工方法均采用分阶段逐步推进浇筑混凝土直至合拢的施 工方法。桥梁结构的最终形成，必须经过逐个阶段的施工并合拢的过程，并包 括合拢完成后结构体系的转换过程。因此，必须对每个施工阶段的挠度值和应 力值进行测量和对比分析，并通过合理的计算方法和理论分析来保证桥梁成桥 线性及受力状态符合设计要求。 现阶段施工控制中桥梁结构的计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析 法和无应力状态分析法。这三种桥梁结构的计算方法虽然都能用于各种形式桥 梁的结构分析，但是这三种计算方法也均有各自的特点：前进计算分析是随着 桥梁施工的顺序来展开计算的，采用此法进行计算时，我们应当注意参数的设 定必须得当，这样才能保证成桥状态与预期值相吻合；倒退计算分析与正装计 算恰恰相反，它是自桥梁成桥状态起，并与施工相反的顺序来依次计算各个阶 段结构的内力和位移展开计算的；无应力状态法是将桥梁结构施工各个阶段的 中间状态以及桥梁结构的成桥状态，通过假定结构构件的无应力长度和曲率不 变联系起来，以此来达到计算中的最优状态的方法。 在悬臂梁的施工控制中，桥梁的混凝土的收缩徐变是非线性的，采用单纯 的正装计算或倒装计算无法使得计算结果呈闭合状态。因而，在悬臂梁的施工 控制中，我们一般将结构的正装计算法和倒装计算法交替使用，直到计算闭合 为止，这样才能使得计算中的误差尽量减小到最少。 2 1 桥梁结构有限元分析 连续梁桥的施工控制结构计算，都是采用有限单元法为结构的计算方法。 我们将桥梁结构分成有限个单元，单元间由结点连接，这样的话，每个单元内 任意点的位移均采用结点位移插值来表示，进而给出单元内力与结点位移之间 的关系，即形成单元刚度矩阵；然后进行组装，形成总体刚度矩阵。通过结构 几何约束、结点荷载等求出结构单元中的结点位移和应力。有限元分析的实施 过程可分为三个阶段： ( 1 ) 前期处理阶段：将实际结构理想化为有限个单元的集合的力学模型； ( 2 ) 分析计算阶段：运用有限元法对结构模型化处理之后，将结构离散为带有 有限个自由度的结构，并按所用软件的要求形成数据文件进行分析计算； ( 3 ) 后处理阶段：在软件分析后，对计算结果进行分析、整理和归纳。 有限元分析的基本步骤可归纳成以下几点： 将实际结构理离散为带有有限个自由度的结构，并对离散结构的单元、 节点进行编号； 整理原始数据，包括单元、节点、材料、几何特性、荷载信息等输入计 算软件，形成数据文件； 形成各单元的单元刚度矩阵和结构荷载向量( 节点力与非节点力的总效 应) ，并且引入支承条件； 检查、校对数据文件，运行分析软件得出计算节点位移、各单元内力和 各支承反力。 随着计算机的快速发展，为适应结构分析有限元法的应用，桥梁结构分析 开始趋向于程序化方向发展。现阶段的桥梁专业软件，已能更加快速的，精确 的对桥梁结构进行分析计算。在此，我们可以通过以下四个步骤进行计算： ( 1 ) 桥梁结构的模型化和离散化； ( 2 ) 输入、检查和校对数据，形成正确的数据文件； ( 3 ) 运行分析软件； ( 4 ) 结果分析和处理，完成计算书。 2 2施工控制中结构计算方法 悬臂梁桥的结构分析和计算，是桥梁监控过程中最基本的内容之一。只有 通过悬臂梁桥结构的内力和变形的计算，才能对整个施工过程进行描述，分析 悬臂梁桥分阶段逐步施工过程中复杂的施工内力，还能为各个阶段的施工提供 合理的理想状态的目标。因此，理论分析和计算方法是否合理，决定了桥梁结 构施工过程中每个阶段在受力和变形是否满足规范要求，以及最终的成桥线形 和受力状态满足设计要求。 2 2 1 正装计算法 正装计算分析是随着桥梁实际施工方案的顺序来展开计算结构的内力和位 移的。采用此法进行计算时，我们应当注意参数的设定必须得当，这样才能保 证成桥后的受力状态提供精确的结果，为施工控制提供准确的依据。正装计算 是随着施工阶段的推进，悬臂梁的边界约束、收缩徐变等参数在不断地改变， 而每一个阶段均是以前一个阶段的分析为基础的，它能够较好的考虑混凝土的 收缩徐变问题。因此，对于各类形式的桥梁，都必须进行正装计算来了解各个 施工阶段的受力和位移。正装计算法的计算流程如图2 1 所示。 悬臂浇筑施工的预应力混凝土连续梁桥的正装计算分析过程如下i 】叫： ( 1 ) 确定结构初始状态参数，如各个截面的几何尺寸、桥面线形高程、材 料的参数、边界条件约束信息、混凝土收缩徐变的测定、施工时临时荷载的大 小、体系转换的内力变化形式等。 ( 2 ) 计算浇筑完成在桥墩和基础上的0 号块段的自重和外荷载作用下的变 形和内力。 ( 3 ) 桥梁的其它块段，在0 号块的两端依次进行对称浇筑。每完成一个块段 1 2 的浇筑，都必须以上一个阶段结束时的参数为基础，进行结构的变形和内力计 算，当出现误差时必须进行误差的调整计算。重复上述操作直到悬臂部分浇筑 完成，将挂篮拆除。 ( 4 ) 根据先边跨、后中跨的合拢原则，依次进行边跨合拢和中跨合拢，计算 出合拢阶段结构的变形和内力。 ( 5 ) 桥梁顺利合拢完成后，桥面铺装作为二期恒载进行铺设，通过软件计算 桥面铺装作用下结构的变形和内力。 通过悬臂梁各个阶段的分析计算，得出正装分析法具有以下特点： ( 1 ) 悬臂梁结构在正装分析前，必须根据悬臂梁桥的自身特点制定出详细 的施工方案，并严格按照施工方案进行结构内力和变形分析，来保证所得中间 状态和成桥状态的结果的准确性。 ( 2 ) 正装分析开始时，要以最后成桥状态的设计值为基础，倒退计算至施工 第一阶段的值为结构计算的初始状态值。 ( 3 ) 每个阶段的结构分析，必须以前一阶段的位移和受力状态结果为基础。 ( 4 ) 在各个施工阶段中，逐步计入混凝土收缩徐变等时间效应。 ( 5 ) 在正装分析中，每个节段结束时的受力状态，由该阶段荷载作用下的受 力和前面阶段的受力共同作用下求得的。在计算过程中，必须计入桥梁结构的 几何非线性效应。 2 2 2 收缩徐变效应 收缩是与应力无关而由于水分蒸发及其他物理化学原因产生的体积的缩 小，徐变是长期荷载作用下随时间而增加的混凝土的变形。混凝土的收缩徐变 往往是造成预应力损失和内力重分布的一个主要原因【2 4 1 。 徐变分为两种：基本徐变和干燥徐变。基本徐变是指在常荷载作用下无水 分转移时的体积改变：干燥徐变是指在常荷载作用下试件干燥的时变变形【2 卯。 在施工中，混凝土龄期较短。因此，混凝土的收缩徐变作为几何非线性因 素，对桥梁的影响较大，在计算时必须予以考虑，并加以修正。混凝土收缩徐 变的机理比较复杂，影响混凝土收缩徐变的因素很多，如水泥品种、骨料、水 灰比、含水量、结构几何尺寸等内部因素和加载龄期、加荷应力、温度湿度等 外部因素【2 6 1 。到目前为止，还没有一种理论可以完整准确地解释或预测混凝土 的收缩徐变特性，所以需要通过试验来更好地预测实际工程的收缩徐变，并将 常荷载作用下的实验结果用到变应力作用下的结构构件分析中去。 2 2 3 倒装计算法 倒装计算法的基本思想是：假定某一时刻结构内力和变形为一个特定值，同 正装分析法中这一时刻的结果相同。那么，该桥梁的成桥线形满足设计要求。 以悬臂浇筑完成时的结构内力和变形为初始值，以正装分析相反的过程，对结 构进行倒拆，分析每次拆除一个施工阶段对剩余结构的影响，在一个阶段内分 1 3 图2 - 1前进分析流程图 析得到的结构位移、内力状态便是该阶段结构理想的施工状态，所谓结构施工 理想状态就是在施工各个阶段结构应有的位置和受力状态，每个阶段的施工理 想状态都将控制着全桥的最终形态和受力特性。 倒装计算法和正装计算法恰好相反，由于本论文所选实例为中等跨径连续 梁桥，它的非线性效应可以忽略不计。因此，根据倒装分析的桥面设计标高和 正装分析中各施工阶段的内力值相结合的方法，计算出各个施工阶段的预拱度 曲线，计算流程见图2 2 所示。 1 4 倒装分析法具有以下几个特点： ( 1 ) 倒装分析时的初始内力由正装计算出来的内力值进行确定，而桥面初始 设计标高可取设计标高。 (