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预应力混凝土连续刚构桥施工控制 摘要 预应力混凝土连续刚构桥以其外形简洁、受力合理、施工工艺成熟、行车 舒适等独特优势在近年来得到了迅速发展，在主跨1 0 0 3 0 0 m 范围内的桥梁建 设中几乎成为首选桥型。预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工过程中，已浇筑完 梁段的线形在后期施工中是不可调节的，为了保证大桥的顺利合拢及成桥线形 满足设计要求，同时使成桥内力控制在设计容许范围内，必须在桥梁施工过程 中进行施工控制。文章结合六安至武汉高速公路第1 2 标李集大桥工程，利用桥 梁专用软件桥梁博士对结构进行分析计算；对高墩大跨连续刚构桥的施工控制 系统进行了研究；并根据实测值与理论值的对比分析，运用灰色预测控制理论 对悬臂施工过程进行控制，通过建立g m ( 1 ，1 ) 预测模型实现对主梁标高的预测 分析，从而确定出主梁在下一施工阶段的立模标高。结果证明，采用灰色预测 控制理论对预应力混凝土连续刚构桥进行施工控制具有较强的工程实用性，对 深入开展同类桥梁施工控制研究有一定的理论指导意义。 关键词：连续刚构桥，施工控制，灰色预测，立模标高 c o n s t r u c t i o nc o n t r o lo 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 s r i g i df r a m eb r i d g e a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt r a f f i ce n t e r p r i s e ，t h ep r e s t r e s s e d c 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 eh a sb e e ng r o w i n gu pr a p i d l yi nt h er e c e n ty e a r sw i t h i t s s i m p l ee x t e r n a lf o r m ，r e a s o n a b l e i n t e r n a lf o r c e ，m a t u r ep r e d o m i n a n c eo fh a n d y c o n s t r u c t i o n ，a n dc o m f o r t a b l et r a v e l i n g i ta l m o s th a sb e c o m et h ef i r s ts e l e c t i v eb r i d g es t y l e w h e nt h em a i ns p a ni si nt h er a n g ef r o m10 0 mt o3 0 0 m d 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 n o 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 d b l o c k sc a nn o tb er e g u l a t e dd u r i n gt h en e x tc o n s t r u c t i o n s f o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h eb r i d g e i sa l lr i g h ta n dt h eh e w na x i ss h a p ei se x a c t i t u d ef o rd e s i g n ，f o ri n t e r n a lf o r c eo ft h eb e a mi s a p p e a s e db yd e s i g nr e q u e s t ，m u s tt ow o r ka b o u tb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o ld u r i n gt h e b r i d g ec o n s t r u c t i o n o nt h eb a s i so ft h el i j ib r i d g eo fl i ua nt ow u h a ne x p r e s sh i g h w a y , t h i sp a p e ru s e dd r b r i d g e b a s e do nt h i s ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed e s i g n v a l u ea n dt h es u r v e yv a l u e ，t h es t u d yu s e st h eg r e yp r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r yt oc o n t r o lt h e c a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h em a i nb r i d g ea n dm a k e sa na n a l y s i sa b o u tt h e e l e v a t i o no ft h em a i ng i r d e rt h r o u g he s t a b l i s h i n gt h eg m ( 1 ，1 ) i th a db e e np r o v e dt h a tt h i s c o n t r o lw a ss u c c e s s f u la n dt h e s et h e o r i e sa n dm e t h o d sh a dh i g h l yp r a c t i c a le f f e c to n c o n s t r u c t i o nc o n t r o lo 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 e r e s e a r c h e so ft h i sp a p e rw i l lb e c o m et h eb a s e so ft h ef u r t h e rr e s e a r c hi nt h es a m ea s p e c t k e yw o r d s ： c o n t i n u o u sr i g i d - f 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 ，g r e yp r e d i c t i o n ， e l e v a t i o no ft h em a i ng i r d e r 插图清单 图1 1 正装分析流程图9 图1 2 倒装分析流程图9 图2 1 李集大桥右幅桥型布置图1 6 图2 2 施工控制系统。1 9 图2 3 施工控制组组织结构21 图3 1 挂蓝预压测点布置图2 6 图3 2 李集大桥主梁控制截面应力测点布置图2 9 图3 3 标高测点布置示意图31 图3 - 4 主梁横坡测点布置示意图31 图4 1 计算模型图3 4 图4 2 持久状况正常使用极限状态荷载短期效应组合竖向变形图。3 6 图4 3 持久状况正常使用极限状态自重作用下竖向变形图3 6 图4 4 边跨合拢前最大悬臂状态主梁正应力图3 7 图4 5 次边跨合拢前最大悬臂状态主梁正应力图3 7 图4 6 主跨合拢前最大悬臂状态主梁正应力图3 7 图4 7 成桥状态主梁正应力图3 7 图4 8 边跨合拢前最大悬臂状态主梁主应力图3 7 图4 9 次边跨合拢前最大悬臂状态主梁主应力图3 8 图4 1 0 主跨合拢前最大悬臂状态主梁主应力图3 8 图4 1 1 成桥状态主梁主应力图3 8 图4 1 2 右幅l 群墩武汉侧梁底标高实测值与理论值之差4 1 图4 1 3 右幅1 j f j 墩六安侧梁底标高实测值与理论值之差4 2 图4 1 4 右幅2 群墩武汉侧梁底标高实测值与理论值之差4 2 图4 15 右幅2 群墩六安侧梁底标高实测值与理论值之差4 2 图4 1 6 右幅3 j f j 墩武汉侧梁底标高实测值与理论值之差4 3 图4 1 7 右幅3 f j 墩六安侧梁底标高实测值与理论值之差4 3 图4 1 8 右幅甜墩武汉侧梁底标高实测值与理论值之差4 3 图4 1 9 右幅甜墩六安侧梁底标高实测值与理论值之差4 4 图4 2 0 右幅4 号墩根部武汉侧上缘应力理论值与实测值比较图4 5 图4 2 l 右幅4 号墩根部武汉侧下缘应力理论值与实测值比较图4 6 图4 2 2 右幅4 号墩根部六安侧上缘应力理论值与实测值比较图4 6 图4 2 3 右幅4 号墩根部六安侧下缘应力理论值与实测值比较图4 6 图4 2 4 右幅3 号墩根部武汉侧上缘应力理论值与实测值比较图4 7 图4 2 5 右幅3 号墩根部武汉侧下缘应力理论值与实测值比较图4 7 图4 2 6 右幅3 号墩根部六安侧上缘应力理论值与实测值比较图4 7 图4 2 7 右幅3 号墩根部六安侧下缘应力理论值与实测值比较图4 8 表格清单 表2 1 报告提交形式汇总表2 2 表3 1 挂蓝预压结果表2 6 表3 2 循环悬臂浇筑施工阶段监测测量内容及时间表3 2 表4 1 施工工况表3 5 表4 2 右幅4 号墩r l ( k ) 的实测值与预测值4 1 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 金目巴王些盘堂 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。 虢也吁心 删枷玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金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，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆王些态堂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) 学位论文作者躲氆j 千比 签字日期：坛年，月，岁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月 日 电话：1 3 外川) 杉 邮编： ，咖妻一 m ) 矿一一例哆 才，、 致谢 白驹过隙，时光如梭，转瞬之间，即将毕业。回首点滴，感概万千。 首先，感谢导师杨成斌教授和汪莲副教授。本文是在两位导师悉心指导下 完成的，从论文的选题以及研究内容，直至论文的定稿，无不倾注着导师的心 血。导师渊博的学识、严谨求实的治学态度、豁达的性格和善于把握学术前沿 的敏锐感觉，都使我受益匪浅。在这两年半的时间里，导师不仅在学习上给与 我全面的指导，在平时生活中也给了我无微不至的关怀；在此，谨向我的导师 表示衷心的感谢。 感谢学友在研究生期间对我的帮助；感谢所有学弟学妹，良好的氛围伴我 度过了两年半的美好时光。 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的辛 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，感谢土木工程学院，在 这里留给我无数美好回忆! 由于时间和水平的限制，本文的研究工作只是一些基础性的研究，前面有 待解决的问题还很多，深感自己所做的工作还不够，文中的错误和不妥之处恳 请各位老师和专家指正。 作者：赵祥煜 2 0 0 7 年1 1 月1 0 日 第一章引言 1 1 问题的提出 1 1 1 预应力混凝土刚构桥发展概述【2 儿列 世界上第一座自架设体系的预应力混凝土t 型刚构桥，是前德国于1 9 5 3 年建成的沃尔姆斯大桥，跨度为1 0 1 6 5 m + 1 1 4 2 m + 1 0 4 2 m 的带铰t 型刚构。 由于施工中采用了悬臂施工的新工艺，其最大优点是施工时可不设支架，对于 跨越深水、深谷、大河、急流的大跨度桥梁，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，为混凝土梁桥向跨度长大化、施工机械化、装配化等方面的发展开辟了 新的途径。预应力混凝土t 型刚构桥克服了用普通钢筋混凝土修建的t 型刚构 桥结构性能和施工工艺的弱点，因而在实践中广泛采用。 预应力t 型刚构桥的发展一般可分作两个阶段，即早期( - - 十世纪五十年代 初至六十年代中) 与现代( 七十年代以来) 。早期有代表性的桥梁是西德的科布伦 茨桥、莫塞尔桥，英国的麦德威桥和西德的本道夫桥等。现代有代表性的桥梁 是日本的滨名大桥、浦户大桥等。在施工方法上，预应力t 型刚构桥多采用悬 臂浇筑法施工，用两套挂篮分段浇筑，从墩项向两侧平行推进，墩顶段采用现 浇。后来发展到悬臂拼装，或部分预制部分现浇。目前，在世界各地预应力t 型刚构桥的施工中仍采用以上方法。 五十年代初期建造的预应力t 型刚构桥，从结构形式看，其中大多数是多 跨的且在跨中设有铰。铰的作用是用以传递剪力和保证梁的自由伸缩，从理论 力学图式看比较简单，无论在静载还是预应力作用下，结构都保持静定状态。 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，在混凝土差异徐变和日照温差影响下，铰内会产生剪力，梁内也 会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当时，桥上纵坡会因此呈折线变形，多 跨还会使桥梁纵断面呈波浪形，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。五十年代末期，这类跨中带铰的预应力t 型刚构逐渐减少， 而跨中带挂梁的预应力t 型刚构则逐渐增多。以梁换铰后，避免了铰接t 构的 许多缺点，而且使恒载弯矩降低。尤为重要的是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，同时悬臂减短也相应地减少了徐变挠度。但是 带挂梁的t 型刚构的缺点是需要增加一套架梁设备。 六十年代末期，预应力t 型刚构桥在结构形式方面发生了一些变化，除了 主孔仍旧在跨中设铰或设挂梁外，边孔大多布置成连续的或部分连续的形式， 主孔成为单跨的t 型刚构，发生这类变化的原因与跨度的增大有关，随着跨度 的不断增大，早期的预应力t 型刚构桥，活载挠度将明显地增加，这会给使用 带来不利。为了克服上述缺点，将边孔做成连续的形式，用以减少主孔跨中挠 度值，以满足使用上的要求。同时将桥的纵断面布置成弓背式，将纵坡的顶点 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。二十世纪 7 0 年代起，美国建造了较多无支架悬臂施工的预应力混凝土t 型刚构桥，如 1 9 7 2 年建成的多美尼加r i o h i g u a m 桥，主跨1 9 0 m ，柯罗巴拜尔皂帕桥，主 跨2 4 0 8 m 。 八十年代以后，特别是九十年代以来，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结和进行体系转换，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。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。 连续刚构桥的结构特点是：结构整体性能好、抗震能力强、抗扭潜力大，桥 体简洁明快、维护方便。梁体连续、梁墩固结，既保持了连续梁无伸缩缝、行 车平顺的优点，又保持了t 型刚构桥不设支座、不需转换体系的优点，便于悬 臂施工，且具有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能满足特大跨径桥梁 的受力要求。但是，由于墩梁固结，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，对施工工艺的要求较高。 随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用与发展， 设计手段的计算机化以及施工水平的提高，我国大跨度预应力混凝土连续刚构 桥得到了迅速发展。大跨度预应力混凝土连续刚构桥由于其具有大跨、高墩的 能力，且施工中省料、省工、省时。近年来，在大跨径的梁式桥中，这种桥型 愈来愈受到广泛的重视。我国先后修建了洛溪大桥( 主跨1 8 0 m ) 、黄石长江公路 大桥( 主跨2 4 5 m ) 、虎门大桥辅航道桥( 主跨2 7 0 m ) 、南昆铁路清水河大桥( 单线 主跨1 2 8 m ) 等大跨度连续刚构桥。 1 1 2 预应力混凝土刚构桥施工过程及其特点 2 】【3 】 ( 1 ) 悬臂浇筑法施工 施工程序 预应力混凝土刚构桥采用悬臂浇筑法施工时，其施工程序大致可分为以下 几个步骤： a 在桥墩处搭设临时支架( 或扇形支架) ，在支架上现浇部分梁段( 如0 号块) 作为拼装挂篮的场地； b 拼装挂篮，在挂篮上悬臂浇筑其余各梁段，逐段推进； c 边孔靠近岸边梁段，在支架上浇筑。 悬臂浇筑的梁段、通常分成每3 4 m 一段，每一梁段均在挂蓝上浇筑，待 新浇梁段混凝土达到要求的强度后穿束，张拉预应力钢筋。挂篮支承在已浇筑 2 和张拉的梁段上，每套挂篮由两片或多片纵梁组成，可沿顺桥向移动。为确保 挂篮的施工稳定性，通常是在挂篮后端压重或将挂篮临时锚固在前面已张拉的 梁段上。在挂篮设计方面，有的采用重型挂篮，也有的采用轻型挂篮。轻型挂 篮是目前悬臂施工中应用最普遍的一种，轻型挂篮重一般约为最重梁段的一半。 同时，出现了用模板代替挂篮的方法，即视模板为挂篮的一部分，目的是用以 减轻挂篮的自重。国内多采用轻型挂篮，箱梁内模则采用滑模施工，这就大大 节约了模板并确保了混凝土的浇筑质量。 采用悬臂浇筑法施工时，每一浇筑梁段的施工程序大致可分为以下几个 阶段： a 向前移动挂篮： b 安装模板、普通钢筋及三向预应力管道； c 浇筑混凝土并养生； d 穿束并张拉纵、竖、横三向预应力； e 预应力管道内灌浆。 在正常情况下，每一浇筑梁段的施工周期一般为6 7 d 。有时为加快进度， 还专门采取若干辅助措施，如利用多套挂篮同时施工；在混凝土中掺加早强剂和 采用蒸气养生等方法，有时还采用箱梁锚固端混凝土事先预制的方法( 即预制端 块措施) 。 特点 悬臂浇筑法施工的特点主要有： a 取消了桥下支架，桥下通航净空在施工期间可不受限制，对于高墩省去 了昂贵的支架费用： b 模板与挂篮可重复使用，节约了钢材用量； c 加快了施工进度，提高了工效； d 对施工精度要求高，成桥的线形和应力对施工的影响因素敏感，施工过 程需要严格的控制措施。 ( 2 ) 悬臂拼装法施工 通过实践，人们发现影响悬臂施工进度的因素有很多，但是其中最主要的 是混凝土新浇筑梁段的强度增长速度慢，尤其是在气温较低的地区施工，问题 就更加突出。六十年代在法国首先出现了悬臂拼装法施工，这大大加快了悬臂 施工进度。 所谓悬臂拼装法施工，就是将原来悬臂浇筑各梁段事先预制好，然后逐段 拼装起来再施加预应力，预制梁段的分段长度视悬臂拼装机具的起重能力而定。 悬臂拼装法施工的关键在于预制梁段彼此间接头的处理，早先的做法是采 用现浇混凝土接头的方法( 简称湿接头) ，即在梁段间预留一个现浇段、待拼装 就位后再现浇混凝土，混凝土达到要求的强度以后，便施加预应力。近年来， 3 在悬臂施工的实践中，人们又向前发展了一步，采用环氧树脂接头的方法( 简称 干接头) ，就是在接头两侧的梁段截面上，预先涂上环氧树脂粘合剂，然后等到 拼装就位以后，再施加预应力，涂胶厚度一般为l m m 左右，可采用一次涂胶或 多次涂胶法施工，故有人亦称干接头为无厚度接头。在干接头施工中，一般对 接头处涂料要求比较严格，要求具有快硬性和受周围环境( 温度与湿度) 影响最 小的特性。 悬臂拼装法施工的预应力t 型刚构桥，预应力管道一般多为波纹管。采用 干接头施工时，要求相邻梁段在接头处彼此密贴，因此在梁段预制时，相邻梁 段多采用依次浇筑法施工。 1 1 3 预应力混凝土刚构桥施工控制的作用和意义【4 】【7 】 随着交通事业的发展，需修建更多的大跨度桥梁以跨越大江、大河和海湾， 采用经济合理的自架设体系的施工方法，即桥梁的上部结构分节段或分层进行 施工，后期节段或后层是靠己浇节段或已浇层来支撑，逐步完成全桥的施工， 也就是无支架而靠自身结构进行施工，人们称之为自架设体系施工法。它的广 泛采用，使得预应力混凝土桥得到了较大发展。自架设体系施工方法的采用， 必然给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移变化，为了保证桥梁施工质量和桥 梁施工安全，桥梁施工控制是不可缺少的。 ( 1 ) 施工控制是施工质量的保证 为了保证施工质量，必须要对建桥的整个过程进行严格的施工控制。也可 以这样说，桥梁施工控制是桥梁建设质量的保证。衡量一座桥梁的质量标准就 是要保证已成桥的线形以及受力状态符合设计要求。预应力混凝土刚构桥在悬 臂浇筑靠近墩顶的块件时，如预抛高设置不准，可能影响到以后各节段和合拢 标高乃至全桥的线形。目前我国计算机的应用己非常普遍，技术人员完全可以 对多阶段、多工序的自架设体系施工方法进行模拟，对各阶段可预先计算出内 力和位移，称之为预计值。将施工中的实测值与预计值进行比较，若有误差可 进行调整，直到达到最满意的设计状态。也就是通过施工控制，使各阶段内力 和变形达到预计值，最终达到设计要求，确保建桥的施工质量。很多工程实例 表明，为了建设质量高、外形美观的桥梁，施工控制是必不可少的。 ( 2 ) 施工控制是施工安全的保证 桥梁施工控制又是桥梁建设的安全保证。为了安全可靠地建好每座桥，施 工控制将变得非常重要。因为每种体系的桥梁所采用的施工方法均按预定的程 序进行。施工中的每一阶段，结构的内力和变形是可以预计的，同时可通过监 测手段得到各施工阶段结构的实际内力和变形，从而可以跟踪掌握施工进程和 发展情况。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时，就要 进行检查和原因分析，而不能再继续进行施工，否则，累计误差会越来越大， 4 甚至可能出现事故。这方面实例很多，例如跨径5 4 8 6 4 m 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 8 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，就可 避免崩塌事故。由此可知，为避免突发事故的出现，能按时安全地建成一座桥， 施工控制是有力的保证手段。也可以说，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 ) 施工控制是桥梁营运中安全性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，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、可靠的依据，给桥梁安全使用提供可靠保 证。这方面的反面事例在工程界出现过，说明了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，桥梁施工控制是现代桥梁建设的必 然趋势。 1 1 4 预应力混凝土刚构桥施工控制中需要解决的主要问题 ( 1 ) 施工预拱度及成桥线形的计算和控制【1 4 】 为保证一个跨径内的两个悬臂端在合拢前尽可能地在同一水平面上，同时 全桥的成桥线形平顺，在运营一定时间后桥面能够达到设计所要求的标高，必 须确定上部结构每一待浇段的预拱度。悬臂施工中的预拱度计算和控制是最困 难的设计任务之一。预拱度计算不仅涉及到计算图式，同时还涉及许多参数， 如挂篮的变形、梁段自重、预加应力、混凝土的弹性模量及收缩徐变系数、预 应力损失、桥墩变位、基础沉降、施工误差等。预拱度控制是通过控制立模标 高实现的。立模标高一般由设计标高、计算预拱度、挂篮弹性变形、上一节段 的标高差及徐变温度等产生的影响组成。 ( 2 ) 关键截面的应力及裂纹控制【l 5 j 预应力混凝土刚构桥施工控制中，设计单位都要给出关键截面的应力值， 但这个应力值与施工过程中的测量值有一定的差距，必须随着施工的进度跟踪 测量，根据全桥应力分布的要求，通过预应力的张拉进行调整。以保证全桥建 成后的应力分布满足设计要求。同时，通过张拉预应力钢筋适当调整预拱度值， 有时会使得局部结构的预应力过大，从而引起桥梁的局部裂纹影响结构的使用 和安全。施工中必须对关键截面的应力进行控制。 ( 3 ) 解决问题的难点分析 在预应力混凝土刚构桥的施工监测监控中，以下问题较难解决： 结构参数的正确识别 由于设计时所采用的诸如材料的弹性模量、构件自重、混凝土的收缩徐变 系数、施工临时荷载的条件等设计参数，与实际工程中所表现出来的参数性质 不完全一致，从而引起了实测参数与计算值的不一至，因此要正确识别实际的 结构参数，以便修正。 施工中误差的测量和调整 由于施工中的立模误差、测量误差、观测误差、悬拼梁段的预制误差等很 难定量计算，因此影响了对施工参数预测的准确性，应研究准确的误差调整方 法。 桥梁线形预拱度预测方法及理论的局限性【7 】 以前的预测方法由于采用线性关系模型预测控制参数值，预测模型与桥梁 实际施工效应模型存在一定的差异，实用上还有一定的局限性，建立正确的分 析模型，探索更实用的预拱度控制方法具有重要的工程意义。 编制综合的施工控制程序 通过开发综合性的可视化应用程序，集数据处理、结构分析、施工误差调 整与预测的多个模块为一体，以实现施工控制的自动化。 1 2 桥梁施工控制技术的相关内容介绍 桥梁施工控制系统一般包括以下几个组成部分 ( 1 ) 结构分析方法，即根据实际情况建立合理的施工计算模型，以预测各 施工阶段中桥梁的理想状态； ( 2 ) 监测系统的设置，通过它以获得桥梁施工过程中实际状态的相关分析 数据； ( 3 ) 控制系统的建立，即通过选取科学合理的桥梁工程控制理论对各施工 阶段中计算的桥梁理想状态和监测的桥梁实际状态进行分析对比、识别，以修 正计算模型中的相关参数，使计算模型与桥梁实际状态更相符： ( 4 ) 计算模型的反馈计算，利用前面修正的参数代入模型中重新计算各施 工阶段桥梁的实际状态，以进入下一轮的预测与比较分析。 概括来说，连续刚构桥施工控制是一个“预报一施工一监测一识别一 6 判断一修正一预报 的循环过程。 1 2 1 桥梁施工控制的结构分析方法 桥梁施工控制的结构分析方法是指理论模型的建立及其结构计算的方法 5 - 7 】，通过合理的计算方法和理论分析来确定桥梁结构施工过程中在受力和变形 方面的理想状态，以便控制施工过程中每个阶段的结构行为，使其最终的成桥 线型和受力状态满足设计要求。下面介绍几种常用的结构分析方法。 ( 1 ) 正装计算法 为了计算出桥梁结构成桥后的受力状态，只有根据实际结构情况和施工方 案设计逐步逐阶段地进行计算，最终才能得到成桥结构的变形情况及受力状态。 随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断地改变，前期结 构将发生徐变，其几何位置也在改变，因而，前一阶段结构状态将是本次施工 阶段结构分析的基础。我们将这种按施工阶段前后次序进行的结构分析方法称 为正装计算法。也称为前进分析法。其步骤如下： 确定结构初始状态，主要包括：中跨、边跨的跨径，桥面线形，墩项的标 高，施工临时荷载，二期恒载，结构体系转换等。 浇筑o 号块完成，计算已浇筑部分在自重与施工荷载作用下的变形与结构 内力。 主墩上对称地浇筑各种块件，直到边跨合拢段之前那一块件浇筑完成， 拆除挂篮。计算此时每一节段浇筑完成时，梁体在自重及施工荷载作用下的变 形及内力。 边跨合拢浇筑，计算此时结构的变形与内力。 中跨合拢段的浇筑，计算结构此时的变形与内力。 桥面铺装及附属设施，计算二期恒载作用下结构的变形与内力。 正装计算法的特点如下： 桥梁结构在正装计算之前，必须制定详细的施工方案，只有按照施工方 案中确定的施工加载顺序进行结构分析，才能得到结构中间各个阶段以及最终 成桥阶段的变形和受力状态。 在结构分析之初，要确定结构最初实际状态，即以符合设计要求的实际 施工结果( 如跨径、标高等) 到施工的第一阶段作为结构正装计算分析的初始 状态。 本阶段的结构分析必须以前一阶段的计算结果为基础，前一阶段结构位 移是本阶段确定结构轴线的基础，以前各施工阶段结构受力状态是本阶段结构 受力、材料非线性计算的基础。 对于混凝土徐变、收缩等时差效应在各施工阶段中逐步计入。 在施工分析过程中严格计入结构几何非线性效应，本阶段结束时的结构 7 受力状态用本阶段荷载作用下结构受力与以前各阶段结构受力平衡而求得。 正装计算分析不仅可以为成桥结构的受力提供较为精确的结果，为结构强 度、刚度验算提供依据，而且可以为施工阶段理想状态的确定，为完成桥梁结 构施工控制奠定基础。 ( 2 ) 倒装计算法 倒装计算法的基本思想是，假设t = t 。时刻内力分布满足正装计算t 。时刻的 结果，线形满足设计要求。在此初始状态下，按照正装分析的逆过程，对结构 进行倒拆，分析每次卸除一个施工段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得 出的结构位移、内力状态便是该阶段结构施工的理想状态。所谓结构施工的理 想状态，就是在施工各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最终的形状和受力特性。按施工顺序进行倒拆分析，基本 步骤如下： 拆除桥面铺装及附属设施，计算剩下的结构内力： 去除中跨合拢段，计算剩余部分结构的内力与变形： 去除边跨合拢段，计算剩余部分结构的内力与变形： 对称去除t 构各悬浇段直至0 号块，分别计算每拆除一个块件，桥梁剩余 部分的内力与变形： 采用倒装分析法还应该注意以下几点： 倒装计算时的初始状态必须由正装分析来确定。 拆除单元的等效荷载，用被拆单元接缝处的内力反向作用在剩余主体结 构接缝处加以模拟。 拆除单元后的结构状态为拆除单元前结构状态与被拆除单元等效荷载反 向作用状态的叠加。 被拆除构件应满足零应力条件，剩余主体结构新出现接缝面应力等于此 阶段对该接缝面施加的预加应力，这也是正确进行倒退分析的必要条件。 ( 3 ) 无应力状态法【l 7 j 倒装计算法是通过分析桥梁结构的内力来建立起各施工阶段中间状态与桥 梁结构成桥状态之间的联系，由于结构的内力与结构的形成历程密切相关，是 一个相对不稳定、不独立的量，因而用倒装计算法确定结构的中间理想状态是 比较困难的。无应力状态计算法则可以确定桥梁结构施工各阶段中间理想状态。 设想将一座已建成的桥梁结构解体，结构中各构件或者单元的无应力长度和曲 率是一个确定的值，在桥梁结构施工中或建成后，不论结构温度如何变化，如 何位移，以及如何加载，即在任何受力状态下，各构件或单元的无应力长度和 曲率恒定不变，只是构件或单元的有应力长度和曲率不相同而已。用构件或单 元的无应力长度和曲率保持不变的原理进行结构状态分析的方法叫做无应力状 态法。桥梁结构无应力状态只是一个数学目标，通过它将桥梁结构安装的中间 状态和终结状态之间联系起来，为分析桥梁结构各种受力状态提供了一种有效 的方法。 开始 = = e 二 数据输入 激活本阶段单元与节点 建立并修改本阶段结构刚度矩阵 刚度矩阵分解 激活本阶段结构上的预加力束 本阶段所增加块件自重与施 工荷载的内力与位移计算 本阶段预加力效应( 内力与 位移) 计算 挂篮前移效应( 内力与位移) 计算 混凝土徐变收缩内力与位移计算 预应力损失计算 预应力损失卸载效应( 内力与 位移) 计算 阶段内力与位移计算 截面特性修正 内力与位移分布结果导出 施工阶 段循环 结束 图1 - 1 正装分析流程图 ( 4 ) 正装法的优越性 在连续刚构桥的施工监控中， 图1 - 2 倒装分析流程图 正装法明显优于倒装法，因为倒装法的缺点 9 无法克服，而正装法的缺点我们是有办法解决的。 正算法一般先采用设计标高建立模型，而实际工程中各梁段都是按照立模 标高来施工的，所以其模型误差主要是由初始标高的设置而引起的。可看出， 正算法理论计算模型与实际结构的不符，类似于弹塑性力学中的 “小应变大 位移问题，即使不从理论上考虑这种误差的修正也不会引起太大问题。同时， 大量实践也表明：一般情况下，当悬臂结构的倾角在3 。以内变动时，倾角对内 力和挠度的影响非常小，可以忽略不计，通过直接采用正算法算出的桥梁的挠 度值取反号后作为桥梁相对应的预拱度值，其结果己足够精确。而对于更大跨 径的桥梁或其它桥型，正算法理论计算模型与实际结构不符的问题可以通过迭 代法来解决，即利用初始模型第一轮计算推出的预拱度值来修正原来的立模标 高，然后对修改后的模型重新进行计算，并检验模型计算的成桥标高是否与设 计标高相吻合，如果其差值超过允许范围，再按上述的方法修正立模标高，继 续进入下一轮迭代。一般通过2 3 次迭代后就能得到较为准确的各梁段的预拱 度值。 在连续刚构桥中单独使用正装法比倒装法更简单方便，正装法适应于人们 习惯的正向思维，如果对理论模型中的初始标高做适当修正，计算精度也足以 满足工程要求。 1 2 2 桥梁的施工监测系统 桥梁的施工监测系统主要包括对桥梁施工状态中的标高、挠度监测及其应 力、应变监测。监测系统的合理设置和自动化、智能化、集中式管理，为施工 控制工作的顺利高效进行提供了良好的条件。第二章中将以六安李集大桥为例 对施工监测系统的设置进行详细的论述。 1 2 3 桥梁的工程控制理论 分段施工中桥梁结构的最终形成必然要经过许许多多的施工阶段，尽管每 个阶段都严格控制施工时的结构几何尺寸、容重、收缩和徐变、弹性模量、预 加力和索力等等人可以控制的因素，但是不可避免地会出现实际结构状态与理 想结构状态的偏差。这种偏差可能来自于施工本身的误差，也可能是环境的干 扰，还可能是测量系统的误差。随着桥梁跨径和结构复杂性的增大，这种误差 可能到了影响结构的几何线形、改变结构内力状态、甚至威胁结构施工安全的 程度。如何消除或修正这些误差，确保施工过程中的结构稳定安全，力求最终 成桥受力状态与理想状态基本吻合，已经成为目前桥梁分段施工中的关键问题。 随着计算机技术和现代控制理论的发展，桥梁工程和现代控制理论相结合 形成了桥梁结构的工程控制理论。在桥梁结构设计阶段，它可用来控制确定成 桥阶段的结构理想状态以及桥梁结构在各个施工阶段的结构理想状态，通常称 1 0 之为设计阶段工程控制或结构理想状态控制；在桥梁结构施工过程中，特别是重 复性很强的分段施工过程中，它可在各个阶段分辨识别结构状态参数，预测估 计实际结构状态，最优控制成桥结构状态，通常称之为施工阶段工程控制或结 构最优状态控制。 桥梁结构工程控制跟随着工程控制论的发展，经历了开环控制一闭环控 制一自适应控制几个发展阶段。 ( 1 ) 开环控制 对于跨径不大、结构简单的桥梁结构，一般总是可以在设计计算中按照桥 梁结构的设计荷载精确计算出成桥阶段的结构理想状态，并根据各个施工阶段 的施工荷载准确估计出结构的预拱度，在施工过程中只要严格按照这个预拱度 进行施工，施工完成后的结构状态就基本上能够达到结构理想状态的几何线形 和内力状况。因为在这种施工过程中的控制作用是单向向前的，并不需要根据 结构的实际状态来改变原先设定的预拱度，因而又被称为开环控制方法；由于在 这个系统中不考虑结构状态方程的误差和系统量测方程的噪声，因此又称为确 定性控制方法。 ( 2 ) 闭环控制 对于跨径大、结构又复杂的桥梁体系，尽管可以在设计计算中精确计算出 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，随着施工过程的进展误差就会积累起来，以至到施工完 毕时，代表实际状态的几何线形和内力状况远远地偏离了结构理想状态，这就 要求在施工误差出现后，必须进行及时地纠正或控制。虽然结构理想状态无法 实现了，但可以按某种性能最优的原则，使得误差已经发生的结构达到所谓结 构最优状态。因为这种纠正的措施或控制量的大小是由结构实际状态( 计入误 差) 经反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈系统，因而称为闭环控制或 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量测误差，因此又 称为随机性控制【5 , 1 0 】。 ( 3 ) 自适应控制 虽然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造成的结构状态误差对最终结构状态的影响。分段施工中 实际结构状态达不到各个施工阶段理想结构状态是误差生成的重要原因之一， 并会使系统模型( 结构有限元分析模型) 中的计算参数例如截面几何特性、材料 容重、弹性模量、混凝土收缩徐变等等与实际参数之间有偏差。如果能够在重 复性很强的分段施工，特别是悬臂施工中，将这些有可能引起结构状态误差的 参数作为未知变量或带有噪声的变量，在各个施工阶段进行实时识别，并将识 别得到的参数用于下一施工阶段的实时结构分析、重复循环，这样在经过若干 个施工阶段的计算与实测磨合后，必然可以使得系统模型参数的取值趋于精确 合理，使系统模型反映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。 与闭环控制方法相比，自适应控制方法的最大特点就在于模型参数估计和 参数误差修正。通过参数估计法得到修正后的模型参数后，重新计算各个施工 阶段的结构理想状态，并采用闭环反馈控制方法对结构状态进行控制。这样， 经过若干个施工重复工况的反复识别后，计算模型就基本上与实际结构相一致 7 【1 6 ，l o 】 jo 1 2 4 施工控制中的系统辨识和误差调整 在实际施工中，桥梁结构的实际状态与理想状态总是存在着一定的误差。 从现代工程学角度出发，可以把桥梁施工看作一个复杂的动态系统，运用现代 控制理论，根据结构理想状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析，并制 定可调变量的最佳调整方案，指导施工现场作业，使结构施工的实际状态趋近 于理想状态。大跨度桥梁施工控制中误差调整的方法主要有：设计参数的识别和 修正、k a l m a n 滤波法、最小二乘法和灰色理论法等。 ( 1 ) 设计参数的识别和修正 对桥梁结构进行初步分析时，采用的参数值是设计参数值，和结构实际状 态的参数值总是有一定的偏差。在大跨度桥梁施工控制中，对于设计参数误差 的调整就是通过量测施工过程中实际结构的行为，分析结构的实际状态与理想 状态的偏差，用误差分析理论来确定或识别引起这种偏差的设计参数误差，然 后对设计参数误差进行修正，使桥梁结构的理想预测状态与实际状态相一致， 从而达到施工控制的目的。为达到这个目的，首先要确定引起桥梁结构偏差的 主要设计参数，其次就是运用各种理论和方法来识别这些参数误差，最后得到 设计参数的正确估计值。 影响结构状态的设计参数很多，但它们对结构状态的影响程度不同，这些 参数主要有：结构几何形态参数：截面特性参数：与时间相关的参数，如收 缩、徐变、温度场等：荷载参数：材料特性参数等。 在施工控制中主要调整对结构状态影响较大的设计参数，即主要参数，所 以首先要进行设计参数的敏感性分析，选出主要参数。其敏感性分析步骤如下： 将参数变化幅度控制在10 左右。 选定控制目标，如桥梁结构跨中挠度，利用结构分析系统，修改设计参 数值，计算成桥状态跨中挠度变化幅度，并建立各参数敏感性方程。 依据影响程度确定出主要设计参数和次要设计参数。 确定了主要设计参数以后，就要对主要设计参数进行正确的估计，根据参 1 2 数估计的结果，对假定设计参数进行修正。参数估计常用的估计准则有：最小方 差准则、极大似然准则、线性最小方差准则以及最小二乘准则。由于最小方差 准则和极大似然准则均要求知道被估计参数x 和观测值z 的联合分布密度函 数，而在一般桥梁工程施工控制中很难满足这个条件，所以通