【《大跨径连续桥梁施工控制方法分析》9500字】

绪论1.1研究背景当前，随着交通事业的不断发展，逐渐提升了交通流量、载荷等级等，而自然破坏力势必会对桥梁安全形成一定威胁。因此为确保安全性的桥梁使用，应针对建设过程进行有效施工控制，并预留长期观测点，从而为成桥后的养护工作提供安全检测数据。以韩国圣水桥为例，所突然出现的中跨断裂是源于自身长期负荷运营，进而出现钢折梁螺栓与杆件疲劳损坏现象，诸如此类的实际工程问题，不得不引起对桥梁质量与维护的重视。又如在我国范围内，广州海印大桥由于缺乏有效的防护措施，导致斜拉索仅服役短短几年时间，便出现超应力问题而突发断裂事故，这样不仅会造成不良的社会影响，而且会造成难以预测的国家经济损失。通过这类反面事例可以发现，针对处于运营阶段的桥梁而言，为实现对桥梁结构的合理维护，作为桥梁养护部门应建立长期有效的监测系统，并结合桥的实际使用情况进行适当更换。同时在施工过程中，建立长期监测的施工控制系统，以便我国桥梁养护部门进行实时监测，这样一来有助于各部门主动预报桥梁不同部位营运情况，也能够提升安全营运与国计民生之间的粘性。所以说，桥梁施工控制一方面是实现桥梁运营阶段健康监测的重要前提，另一方面也是现代桥梁建设的必然发展方向。1.2研究目的施工控制的实现，旨在针对大跨径连续桥梁结构参数，根据施工监测的真实值精确计算出不同悬浇阶段的立模标高，以便达到客观评估分段施工指标的目的，同时为调节下一节段立模标高，应在现有施工监测成果的基础上，进一步分析施工过程中造成的桥面线形误差，并对合拢段两端悬臂端标高进行有效预测，从而使两者偏差限制在规定值范围内，且符合结构内力状态的设计要求。这不仅与桥梁成桥线性、受力状态设计初衷相吻合，而且是实现安全性与可靠性施工结构的重要前提。1.3研究现状对于国外而言，是率先开始桥梁施工控制研究的地区。自20世纪50年代早期开始，建设者在对斜拉桥进行施工时，便意识到索力与标高设计的重要性。1958年，TheodonNenss桥第一次提出了倒退分析法概念，其表示的是在明确成桥状态最优值后，随后为计算标高与初张索力，需要借助模拟的方式从而客观评估施工阶段结构状况。1978年P-K桥也借鉴该项技术优势，于美国进行修建。到了20世纪80年代初，日本为构建初步施工控制观测系统，不仅融入了应力与标高等参数，而且充分发挥计算机优势用于处理观测到的温度、标高等数据，随后由控制室负责这类实测数据的结构分析与计算，最后施工现场根据现有分析结果实现对其的有效控制。反观我国，是于90年代中后期侧重于对斜拉桥的研究，随后延伸到其他桥梁的应用，紧接着是针对施工控制技术开展深入探索，以期根据悬索桥、拱桥等不同桥型进行分析，最终所取得的成绩也是有目共睹的。然而与国外先进国家相比，我国桥梁建设与其存在一定差距，这主要是源于亟待提升桥梁施工控制理论的正确认知，及时找出对施工控制发挥关键作用的因素，同时缺乏统一的施工控制组织管理系统，以及远程在线实时控制等因素。1.4本文主要研究内容此次论文主要围绕某特大桥主桥为研究对象，并立足于当前90m+160m+90m的施工背景，以期探索在施工过程中，3跨预应力连续桥梁的线形与内力控制指标。首先借助有限元分析法，针对施工前期的桥梁结构进行客观计算，随后根据现有监测数据，进一步探索大跨径连续桥梁在施工现场中，所采用的悬臂施工法与满堂支架现场浇法开展控制研究。

2大跨桥梁施工控制内容和方法2.1桥梁施工控制内容2.1.1几何控制作为基本要求，合理的桥梁结构尺寸设计是实现施工控制的重要前提。在进行线形控制过程中，首先是在设计平面桥梁轴线时，应符合平面线形控制要求。对于悬臂桥梁而言，凭借当前的施工技术其平面线性控制均已达到设计要求，反之需要开展结构计算的是弯桥梁；其次竖向线形控制是指在设计范围内，选取符合竖向线形标准的若干个点的标高，从而实现对桥梁线形与扭曲的控制。一旦竖向线形失去控制，不仅会造成后续合拢难题，而且强制性合拢的后果便是进一步增加预应力筋偏角，从而诱发紊乱的梁体内力分布导致桥面纵向起伏问题，这样一来轻则影响桥梁整体外观造型，重则引发在运营过程中，桥梁梁体部分截面超过限定受力值的局面。由此可见，对于跨度大的桥梁而言，竖向线形控制的使用便显得格外重要，其也是开展线性控制的关键所在。此外鉴于不可避免的施工误差，需要桥梁施工控制的设计保持在一定范围内，同时应充分考虑到桥梁技术、规模等因素，并结合实际桥梁施工控制需要，从而对具体误差容许值作出统一规定。而在不同施工环节中，是采用几何控制方式，进一步开展对误差容许值的研究，以期确保总目标的实现。当前在我国所采用的浇筑梁与悬臂浇筑方法中，两种梁式桥的预应力混凝土偏差范围可参见2-1。表2-1悬臂浇筑预应力混凝土偏差表2.1.2应力控制所谓应力控制，表示的是在施工工程中，需要使成桥状态符合桥梁结构受力情况的设计。在一般情况下，分段施工体现的是桥梁结构经历长期复杂，且实现转换结构体系的过程，而大跨度桥梁结构更加复杂。同时在各施工阶段中，桥梁面临着载荷作用、结构形式等差异性。因此针对复杂化的受力情况，应通过有效监测结构应力的途径，实时了解施工过程中的实际应力状况，一旦出现超出限定值的情况，应立即对实际盈利与应力大小差值进行合理控制，并及时查找原因所在此基础上将其差值调控在一定范围内。当实际应力远超于设计应力时，会对结构与变形控制造成一定不利影响，甚至发生破坏桥梁结构的现象。由此可见，为实现有效的桥梁施工控制，开展合理的结构应力监控是很有必要的。到目前为止，尚未规定统一的项目与精度，结构应力控制需要参照实际情况而定。2.1.3稳定控制稳定控制的目的在于在施工过程中，合理的桥梁结构设计有助于实现局部结构结构的稳定性，从而确保整体施工阶段的顺利开展。对于桥梁结构而言，自身稳定性与桥梁强度处于同等重要的位置，是关乎结构安全的根本因素。纵观国内外，所出现的桥梁坍塌事故均起源于结构稳定问题，同样震惊全球的魁北克桥事故，便是在架设过程中出现腹板失稳故障，从而导致悬臂端弦杆突发崩塌现象。而在我国四川省内，也由于主梁轴力超过极限承载力，以致于州河大桥出现吊装主跨中段失稳事故。综上所述，建设者应引以为戒在开展桥梁施工时，不仅需要严控控制结构变形与应力控制，而且应确保整体结构构件的稳定性。2.1.4安全控制其中，稳定、变形与应力控制，是针对桥梁不同施工阶段而言，实现安全控制的综合体现。同时根据桥梁实际情况，明确结构形式的安全控制重点，从而开展合理的施工控制工作内容。2.2桥梁施工控制方法自适应控制法、开环控制法等，是桥梁施工控制的常见方法。2.2.1开环控制法作为一种施工控制方法，开环控制法是根据载荷设计，用于精确计算桥梁结构，从而客观评估成桥结构的理想状态，随后为计算不同施工阶段的结构预拱度，需要参照施工荷载来完成，然后在此基础上严格按照施工控制方法完成建设。而该方法的使用，主要是源于对原设计预拱度的调整，无需借助结构实际状况进行修改的优势，这种单向向前的控制方法常见于跨径小、结构简单的桥梁建设，而桥梁在完工后，其结构状态基本符合几何线形与内力状态的设计要求。2.2.2闭环控制法在设计大跨径、结构复杂的桥梁体系时，即使存在难以避免的状态与测量误差，但并不影响对成桥结构与结构内力的精确计算，然而随着误差的进一步积累，不仅会造成桥线形状况难以预测性，而且促使结构内力逐渐偏离预设理想状态，从而对施工阶段标高与结构内力造成一定影响。鉴于此在施工过程中，需要合理安排施工控制工作，以期及时调整测量与状态误差。此时适用于闭环控制方法。其表示的是通过对实时状态的计算，用于明确控制量的大小，从而实现纠正目的的闭环反馈系统，也被叫作反馈控制。这种方法的使用是桥梁工程师有意为之的表现，将其广泛运用于桥梁分段施工领域。例如，在20世纪90年代初，日本便运用与反馈控制相类似的方法，用于预测钢斜拉桥主桥的几何线形与内力状况。再如，1996年H.s.chiu等提出了长期挠度控制系统，其是建立在反馈控制理论基础上，从而运用于混凝土连续梁桥的一种方法。部分研究者为验证随机性控制目标数，是大于可控变量数的理论，是借助最优控制原理来完成，而关于随机性控制原理的介绍，以及工程应用方法的总结，是通过现代化桥梁监测系统优势来达成。2.2.3自适应控制法在悬臂施工过程中，需要有效识别弹性模量、材料密度等参数，并在此基础上针对下一施工环节开展实时结构分析，从而避免这部分重复性分段施工出现结构状态误差，同时重复上述动作，以期不断磨合计算与实测值，此时施工阶段系统模型参数逐渐趋于合理，这有助于模型参数误差的降低，以期实行结构状态误差控制，这便是所谓的自适应控制。其中，迭代最小二乘法、最大似然法等，是估计算法的常见类型，常运用于对桥梁结构参数的计算。2.2.4最大宽容度法这种方法表示的是在设计误差容许值过程中，所允许的最大宽容度的标高与内力参数。例如，在架设某斜拉桥主梁时，对线形宽容度与节段误差进行限制，其中前者是在±15cm范围内。这样一来，一方面有助于控制难度的降低，另一方面也衍生出斜拉索长度等问题。2.3桥梁施工控制系统2.3.1现代控制理论简介作为系统理论中的一种，控制理论是在系统变化的条件下，通过动态收集信息的方式对控制作用进行调整，从而发挥预定功能用于探索被控对象与环境特性的理论，其发展距今已超过100年的历史。其中最优控制、现行系统理论等，均是现代控制理论涉及的内容。其中线性系统理论不仅是最完善且应用最广泛的部分，也是现代控制理论的基础所在，而近年来出现、发展较快的是自适应控制，当前正受到人们的普遍推广与使用。2.3.2桥梁施工控制系统基本组成在架设桥梁过程中，由于跨径与规模的扩大，加之多样化结构形式的出现，从而逐渐增加了对施工控制的影响因素，因此为达到预期控制的目的，应建立健全控制系统，以期实现对桥梁施工控制的要求。对于桥梁施工控制系统而言，主要是由施工管理与现场控制组成，这两个分系统分别具备的是管理与控制功能，同时可分为数个至系统，具体的施工控制系统示意图可参考2-1。图2-1桥梁施工控制系统框图

3桥梁施工控制结构计算理论3.1桥梁结构分析方法原理3.1.1有限元法有限元方法是一种理想的节点体系，它把一个连续介质划分为若干个单元，每个单元之间由一个结点相连。在进行分析的过程中，第一步的重点分析是单元，分析出的单元内力要用节点的位置变动来代表，第二步把单元组合成一种新的结构即借结构，随后进行整体分析，建立整体平衡关系，从而解出节点位移问题。为适应日益复杂化的工程需求，在快速发展的计算机技术的基础上，出现了有限元技术，它是一种快速有效的计算手段，已经被广泛应用到现代桥梁结构工程的分析工作中。3.1.2解析法本文还提出了一种用于结构计算的解析法，但对于普通的、较复杂的构造，采用这种方法进行计算时，难度较大。然而，在悬索桥的建造中，以恒定无力拉索长度为基础的解析计算法是比较理想的。3.2桥梁施工过程模拟分析方法3.2.1正装计算法正装计算是在施工过程中按时间先后次序对结构进行计算的方法，同时也被称作前进分析法。在使用正装计算方法的时候，要根据已有的具体施工计划，按照计划中所规定的工程实施步骤来进行结构的分析，然后将满足工程需求的工程实践成果，退回到最初的施工阶段（如跨度、标高等），然后再将其视为进行正装计方法的起始条件，同时，在进行正装计方法的过程中，还应该循序渐进地将混凝土徐变、收缩等时间差异性影响和结构的几何非线性影响纳入其中。其优点就是可以根据具体的施工过程来进行分析，从而使得其控制更为有目的和合理。3.2.2倒装分析法由于正装分析方法很难确定具有节段的桥梁（如连续梁桥，悬索桥等）中的每个施工步骤结构物控制点的标准高度，但是采用倒装分析法可以很好的克服这个困难，其基本思想是：假定当确定时间内的内力达到了按照正装方法进行t0时间的结果时，并且线形也达到了设计要求，并以此为起始条件，把正装分析方法反过来进行计算，对每个施工阶段的结构进行倒置，并分析其对其余结构的影响，最终得到的结构变形与内力状况，即为该阶段的最优施工状态。3.2.3无应力状态法进行结构状态分析的时候，让元件或单元的无应力长度和曲率保持原状，提出了一种基于非受力条件下杆件或杆件的力学性能计算模型，就是无应力状态法。也就是说，对一架已完工的大桥展开了分解工作，它的各个构造部件或单元的无应力曲率和无应力长度都是个确定值。在大桥进行了建设或者完工以后，不管进行了什么样的加载，结构的温度怎样的改变，怎样的变形，各个构造部件或单元的无应力长度和曲率都保持着常数不变，只不过这些构造部件或者单元的有应力长度和曲率存在差异。在此基础上，将各个施工期的过渡工况与成桥工况进行了关联。3.3混凝土收缩徐变的计算方法3.3.1正装计算法中关于混凝土收缩徐变的计算方法3.3.2有效弹性模量法0．Faber于1972年首次在国内提出了这种新的理论，将徐变问题与一般的弹性问题解题方法联系起来，通过减小模量法来反映混凝土的蠕变效应，使其在龄期%下的蠕变，只根据蠕变过程中的初始应力场来决定蠕变过程中的蠕变，这是目前最早但也是最简便的蠕变理论：该法在两个条件下，即当应力不发生显著改变以及不用计算混凝土的龄期时（旧混凝土），其计算值与实验值相吻合。然而，这种计算公式在增大压力时会过高估计其变形，降低压力时又会过低估计其变形，因而不适用于变压力条件下的徐变和收缩分析。3.3.3徐变叠加法基于叠加理论与线性徐变的基本原理，提出了一种新的计算方法，即徐变叠加法，这个方法假定由于应力增大而引起的徐变值与各点应力增大而引起的徐变总值相等。徐变叠加方法是一种常用的方法，它适用于要求对建筑物进行徐变计算的工程实例。

4大跨径连续梁施工控制设计4.1施工方案一座大桥横跨Ⅳ级河流，其主桥是一条公路北边二期的重要结合部位置，其跨度为90m+160m+90m，桥身总宽度43m，将两侧桥身分隔开，单座大桥的净空宽度为19.5m。本桥的结构形式，请参阅附图4-1。主桥的下部主体部分为钢筋混凝土实体墩，以群桩为基础，两侧墩为直径150m，中间墩为直径180m的钻孔灌注桩。该桥的支撑结构为带防震隔震的球形钢支座，膨胀节为完全包覆的仿毛勒膨胀节。

图4-1桥型布置图分段施工的方式拓宽了混凝土桥梁的跨径的应用领域，同时也是一种非常省钱的施工方式，不但适用于施工急弯，还方便用来调节超高不齐的桥梁。使用分区施工的方式，可以缩短施工时间，减少施工对周围环境的影响，减少对现有交通的干扰，可以建造出一种既漂亮，又壮观的桥形，还能最大限度的发挥本地资源的优势，同时还能降低成本。最主要的是，分区施工的施工的品质更好，能获得优质的施工成果，技术上的安全性能也更好，同时，在合理的规划和严密的监管下，由有丰富施工人员施工，可以连续几年无需维护，只是对支座和伸缩缝进行了经常的检测和调整。这座桥梁横跨了一条IV级河道，它是一座城市道路二期工程中的一个重要节点，在对其跨度、施工工期和施工现场进行了全面的分析之后，采取了分区施工的方式，把施工梁段划分成了17个块段，最后采取的施工方案参考下图4-1。表4-1施工方案4.2施工控制的主要内容4.2.1梁体应力测试以对箱梁控制断面混凝土正应力的监控为手段，对在施工步骤中，在钢束张拉、结构体系转换等载荷影响下，箱梁混凝土正应力进行的变化进行了观测，并重点注意其尺寸是否符合设计的需求等。通过对桥梁关键断面的应力监控，不仅可以保证主桥的正常建设，还可以为成桥后的长周期监控奠定基础。基于既节省费用又可以很好的进行监测这样的考虑，也就是说，在弯矩比较大的主跨的跨中、1/8L截面等方面进行监测，为了防止桥墩顶横隔板位置周围的受力比较复杂，支点截面被安排在1号块上，中跨1/8L截面被安排在4号块上，边跨0.4L截面被安排在12号块上。本桥是双幅桥，其构造形式是一样的，所以监测断面的设置和检测点的设置都用一样的方法，下面将具体介绍一下这座桥梁检测段的位置和检测段的位置，其他桥梁的检测手段也是一样。试验断面的纵桥方向排列见附图4-2。在测试截面上，沿桥轴线的方向，将钢筋应变表嵌入到了试验截面上，而在主跨跨中、L,8跨、支点截面和边跨0.4L截面上测点的排列，则分别见图4-3—4-6所示。每个断面都被放入一个应力收集模组进行试验。图4-2应力测试截面纵桥向布置图(单幅桥)图4-3主跨合拢段截面应力测点布置图(单幅桥)图4-4主跨l/8跨(4号块)截面应力测点布置图(单幅桥)图4-5主跨支点截面应力测点布置图(单幅桥)图4-6边跨0.4L截面应力测点布置图(单幅桥)为减少因气温变化引起的监测数据出现误差，在每个试验断面上分别设置一台无应力计，并在每个试验断面腹板的上、中、下分别设置一台无应力计。方法步骤是：取一节PVC套管，一头密封，把钢筋应变计和温度传感器用泡沫包裹，装入PVC套管内，将其另外一头密封，可以参考图4-7。利用该方法，外力不会对钢筋应变计产生影响，只有温度才会影响它，可以准确地了解在不同温度的环境下，钢筋应变计自身的变形情况，得到实际的混凝土变形情况。图4-7温度补偿块示意图4.2.2主梁线形观测为了对各节段箱梁进行沉降和位移的监控，在主桥各节段箱梁上部和下部分别布置了一条钢筋头，同时将钢筋头置于箱梁顶面中线位置，并将其用作沉降观测的观察点。观测点的功能有两个：一是根据两个点的挠度对比，判断是否发生了扭转；二是将相同块箱梁上的两个观测点的监控数据进行对比，互相确认，保证了每一块箱梁的变形观测数据的正确性。另外，由于在桥面上采用两侧对称式悬索桥，因此，可以从两侧测量点的不同角度来判断悬索桥的施工质量，从而为工程人员进行高程调节奠定基础。偏移测量点位的分布情况见附图4-8。同时，在桥梁主跨根部、4/L段、中间段、3/4L段和两侧跨中段分别安装觇板（棱柱底座）进行固定，可以完整的表现出梁体是否变形，利用全站仪法测定梁体的空间坐标，并通过顺桥方向和横桥方向上的空间位移，更加精确地反应出梁的实际位移。将砧板固定件，集中设置在主梁的外部，其位置见附图4~9，小计全桥7x2x2=28个测量点。图4-8箱梁线形观测点布置图(单幅桥)

图4-9砧板固定件布置图4.3施工控制的实施4.3.1施工控制系统施工控制是一个反复循环的周期性的工作流程，具体步骤是施工—测量—确认—调整与修改—施工。在此基础上，施工控制系统的工作重点在于，通过对建筑的施工监控数据和设计计算数据展开全面的比较，从而可以对建筑在施工中的实际的应力状况进行判断，从而对建筑的施工进行评估，同时还可以起到引导建筑和调节设计参数的功能，从而让整个复杂结构的施工都处于一种安全、可控的状况下进行。建筑管理体系的组成见附图4-10。图4-10施工控制系统4.3.2施工监控数据分析系统在施工的时候，为了保证施工控制不仅科学而且有效，可以把实时的测试结果与以前的计算分析相对比，从而对合理进行和调整每个施工环节给出控制目标。所使用的资料处理体系见附图4-11。图4-11施工监控数据系统计算分析图示4.4施工控制实现结果及分析评价在对连续梁桥进行施工控制的时候，对其进行应力监测是一项重要的工作，对于建设中的安全风险具有很好的警示意义，在施工控制过程中最关注的问题就是结构的应力状态跟理论分析值是否是一致的，这个时候就需要对结构某定点的应力数值进行实时监控，因为它对随着施工过程不断发生改变，观测其在施工过程中所处位置处的应变点的数值变动情况，从而预测已经建设完毕或即将建设完毕的部分节段的应变点位置是否可以达到设计强度要求，如果在所述的控制断面中测量到的应变值存在着一些不正常的情况，那么就应该立刻让所述的桥梁的建设工作暂停下来，并且要找出问题的根源，并通过相应的方法来调节所述的可调变量。在施工现场，笔者对该桥梁的控制断面进行了每个施工阶段的应力的监控，因为篇幅的限制，这里只给出了该桥梁的一些节段的应力测量和有限元分析的结果比较表，在右幅第9跨8墩侧1块、第9跨8墩侧4块、第8跨12块和左幅第10跨1块、第9跨9墩侧4块、第10跨12块断面纵应力的有限元分析结果与测量的各条件进行了比较，可以参考4-12所示。图4-12桥梁截面纵向应力图参考表4-12中可以看到，在各个条件下，测量到的梁体的纵应力量与理论的数值存在一定的差异，但是整体的趋势是一致的。结果表明，各段在不同的加载条件下，各段的轴向应变随时间的变化趋势与理论值基本一致。

结论这篇文章通过对我国大跨度桥梁的工程设计与施工过程中的一些关键问题的探讨，提出了相应的解决方案，并提出了相应的解决措施。根据已有的工程图纸及工程计划，将其作为一座大型梁桥的主要施工工序，将其在实际工程中所采用的工程方法与理论计算结果进行对比，并在此基础上，对其主要断面的受力情况进行实时监控，以保证全工程中的受力情况在规定的容许范围内，从而保证其能够成功地实现拱肋的闭合，并为拱肋的各个部位的工程建设奠定基础。

参考文献[1]闫强强.大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工控制研究[J].交通世界,2