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預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁懸臂施工控制論文
關(guān)鍵詞：橋梁 連續(xù)剛構(gòu) 懸臂施工 施工控制
摘要：橋梁施工監(jiān)控主要是施工過程的安全控制以及線形與內(nèi)力狀態(tài)控制，本文主要是研究預(yù)應(yīng)力砼剛構(gòu)橋懸臂施工控制方案，為同類橋梁的施工控制提供可行依據(jù)。
1.工程概況
梅山大橋的主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑為130+75+130，主梁為單箱單室型斷面，主橋箱梁頂板寬13.55m，底板寬5.5m，根部梁高7.5m，高跨比1/17.3；跨中梁高3.3m，高跨比為1/39.4，梁底變化曲線為1.7次拋物線；箱內(nèi)頂板厚度標(biāo)準(zhǔn)段為28cm，根部加厚到50cm；腹板厚度從根部到跨中按85cm、70cm、55cm直線線性變化；底板厚度根部是110cm，跨中32cm，變化規(guī)律同梁底變化曲線。主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。雙薄臂橋墩，采用掛籃進(jìn)行分節(jié)段懸臂施工，墩梁分別采用40#、55#高強(qiáng)砼。設(shè)計(jì)荷載為公路－Ⅰ。連續(xù)剛構(gòu)在兩個(gè)墩上按照“Ｔ構(gòu)”用掛籃分段對稱懸臂澆筑，合攏段吊架現(xiàn)澆，邊跨現(xiàn)澆段采用落地架現(xiàn)澆方式。全橋按對稱懸臂澆筑→邊跨合攏→中跨合攏順序進(jìn)行施工。
2.施工控制的目的
對于分階段施工懸臂澆筑施工的混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋來說，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行施工階段計(jì)算，確定出每個(gè)懸澆節(jié)段的立模標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測成果對誤差進(jìn)行分析、預(yù)測和對下一立模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，以此來保證成橋后橋面線形、合攏段兩懸臂端標(biāo)高的相對偏差不大于規(guī)定值以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。
3.施工控制的方法
3.1建立控制計(jì)算模型
該橋采用橋梁專用有限元軟件Midas/Civil建立連續(xù)剛構(gòu)橋的整體計(jì)算模型，包括橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)(雙薄壁墩)。應(yīng)用Midas/Civil軟件模擬施工過程中各梁段混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、掛籃移動(dòng)等因素，進(jìn)行施工階段應(yīng)力、變形的計(jì)算和驗(yàn)算。梅山大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋共劃分為86個(gè)單元，其余單元為雙薄壁單元為16個(gè)，所有的單元均采用梁單元/變截面梁單元模擬。整個(gè)結(jié)構(gòu)在墩底固結(jié)，兩端約束為沿橋軸向的滾動(dòng)支座，墩梁剛性連接。梅山大橋采用懸臂澆筑施工，施工過程包括0#塊支架施工，掛籃懸臂施工，邊墩現(xiàn)澆段施工，合龍段施工。每一個(gè)施工節(jié)段包括混凝土澆筑，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，前移掛籃三種工況，其中掛籃以集中力和力矩形式加載在每個(gè)施工節(jié)段節(jié)點(diǎn)其間考慮混凝土濕重對下一施工階段的影響，二期恒載以均布荷載施加整橋，嚴(yán)格與實(shí)際施工階段相對應(yīng)。計(jì)算模型如圖3—1所示。
3.2自適應(yīng)控制理論
對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁，施工中每個(gè)工況的受力狀態(tài)達(dá)不到設(shè)計(jì)所確定的理想目標(biāo)的重要原因是計(jì)算模型中計(jì)算參數(shù)的取值問題，主要是混凝土彈性模量、材料的容重、徐變系數(shù)和永存預(yù)應(yīng)力等與施工中實(shí)際情況有一定的差距以及環(huán)境溫度、臨時(shí)荷載的影響。要得到比較準(zhǔn)確的控制調(diào)整措施，必須先根據(jù)施工中實(shí)測到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)來修正計(jì)算模型中的這些參數(shù)值，以使計(jì)算模型在與實(shí)際結(jié)構(gòu)磨合一段時(shí)間后，自動(dòng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)規(guī)律，當(dāng)計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相吻合后，再用計(jì)算模型來指導(dǎo)以后的施工，這就是自適應(yīng)控制的基本原理。在閉環(huán)反饋控制基礎(chǔ)上，再加上一個(gè)系統(tǒng)辯識(shí)過程，整個(gè)控制系統(tǒng)就成為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。圖3-2為控制原理圖。
當(dāng)結(jié)構(gòu)測量到的受力狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不相符時(shí)，通過將誤差輸入到參數(shù)辯識(shí)算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù)，使模型的輸出結(jié)果與實(shí)際測量到的結(jié)果一致，得到了修正的計(jì)算模型參數(shù)后，重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)。這樣，經(jīng)過幾個(gè)工況的反復(fù)辯識(shí)后，計(jì)算模型就基本上與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致了，在此基礎(chǔ)上可以對施工狀態(tài)進(jìn)行更好的控制。
橋梁的施工控制是一個(gè)預(yù)告-施工-量測-識(shí)別-修正-預(yù)告的循環(huán)過程。施工控制的要求首先是確保施工中結(jié)構(gòu)的安全，其次是保證結(jié)構(gòu)的內(nèi)力合理和外型美觀。為了達(dá)到上述目的，施工過程中必須對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力(如主梁應(yīng)力)和主梁標(biāo)高進(jìn)行雙控。采用懸臂澆筑的連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中是靜定結(jié)構(gòu)，只要嚴(yán)格按橋梁施工規(guī)范進(jìn)行操作，內(nèi)力狀態(tài)一般能夠得到保證，主要問題是施工中及長期徐變撓度的控制。由于連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過程中及合攏時(shí)不具備斜拉橋的索力調(diào)整能力，一旦發(fā)生線形誤差，將永遠(yuǎn)存在于結(jié)構(gòu)中，因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)誤差原因，盡量減小誤差發(fā)生的可能性是連續(xù)剛構(gòu)施工控制的關(guān)鍵。所以，對于連續(xù)剛構(gòu)施工控制系統(tǒng)除了要求具備常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算手段外，具有在施工現(xiàn)場消除設(shè)計(jì)與實(shí)際不一致的自適應(yīng)能力就成為關(guān)鍵，只有這樣才能及時(shí)提供控制標(biāo)高和控制內(nèi)力的修正值。
3.3橋梁立模標(biāo)高的確定
在主梁的懸澆過程中，梁段立模標(biāo)高的確定關(guān)系到主梁的線形是否平順、如果在確定立模標(biāo)高時(shí)考慮的因素比較符合實(shí)際，而且加以正確控制，則最終橋面線形較為良好，反之控制不力，會(huì)出現(xiàn)較大偏差。眾所周知，立模標(biāo)高并不等于設(shè)計(jì)橋梁建成后的標(biāo)高，為使成橋線形與設(shè)計(jì)線形相符合，總要設(shè)一定的預(yù)拱度，以抵消施工中產(chǎn)生的各種變形。立模標(biāo)高公式如下：
式中：—i節(jié)段立模標(biāo)高（節(jié)段上某確定位置）
—i節(jié)段設(shè)計(jì)標(biāo)高
—由各梁段自重在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和
—由張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力在i節(jié)段產(chǎn)生的撓度總和
—混凝土收縮、徐變在i節(jié)段引起的撓度
—施工臨時(shí)荷載i節(jié)段引起的撓度
—使用荷載在i節(jié)段引起的撓度
—掛藍(lán)變形值 其中掛藍(lán)變形值是根據(jù)掛藍(lán)加載試驗(yàn)，綜合各項(xiàng)測試結(jié)果，最后繪出掛藍(lán)荷載—撓度曲線，進(jìn)行內(nèi)插而得。而五項(xiàng)在前進(jìn)分析和倒退分析計(jì)算中加以考慮輸出結(jié)果的預(yù)拋高值就是這五項(xiàng)的撓度值的總和。即
3.4橋梁現(xiàn)場施工監(jiān)測
3.4.1撓度監(jiān)測
連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制的主要目的之一就是控制成橋線形，實(shí)時(shí)的撓度觀測數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)撓度控制保證成橋線形的主要依據(jù)。對于采用掛籃懸臂澆筑施工的主橋箱梁施工控制觀測點(diǎn)基本上按照設(shè)計(jì)方式設(shè)置，在每一懸澆節(jié)段頂面端部3-5（cm）處預(yù)埋五個(gè)鋼釬，作為觀測點(diǎn)。這樣不僅可以觀測箱梁的撓度，同時(shí)可以觀察箱梁是否發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在施工過程中，對每一斷面需要進(jìn)行立模、混凝土澆筑前、混凝土澆筑后、鋼束張拉前、鋼束張拉后的標(biāo)高觀測，以便觀察懸臂澆筑梁段的各點(diǎn)撓度及T構(gòu)的整體線形變化歷程，同時(shí)考慮主梁線形對溫度、日照較敏感，測量時(shí)間應(yīng)選在日出之前溫度較恒定的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，以保證T構(gòu)懸臂端的合龍精度及最終的全橋線形符合設(shè)計(jì)標(biāo)高。
3.4.2應(yīng)力監(jiān)測
連續(xù)剛構(gòu)橋梁應(yīng)力（或應(yīng)變）監(jiān)測主要是對施工階段的主梁、橋墩的應(yīng)力（或應(yīng)變）進(jìn)行監(jiān)測。通過應(yīng)變跟蹤觀測，隨時(shí)知道梅山大橋主梁受力狀況以及各施工階段箱梁關(guān)鍵部位應(yīng)力的變化規(guī)律，比較理論值與真實(shí)值判定應(yīng)變是否超限，把握結(jié)構(gòu)的安全狀況和保證施工安全。該項(xiàng)觀測在每一施工階段都要進(jìn)行，貫穿整個(gè)施工過程。梅山大橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)控的主要內(nèi)容：對主橋中、邊跨混凝土箱梁主梁、橋墩的關(guān)鍵斷面，實(shí)行每一節(jié)段施工過程中共監(jiān)測4次，分別是混凝土澆筑前、后，預(yù)應(yīng)力張拉前、后，在主梁合攏及二期恒載施工完畢也應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。測試時(shí)間選擇在日出前溫度較穩(wěn)定時(shí)。
3.4.3溫、濕度場觀測
橋梁結(jié)構(gòu)處于一個(gè)變化的溫濕度場中，理論上說由于溫度變化和濕度變化，橋梁的斷面應(yīng)力和主梁標(biāo)高每時(shí)每刻都在變化，這就給測量結(jié)果帶來不確定的因素，要完全解決溫濕度問題，有很大的難度。對主橋各部位溫度的監(jiān)測，與變形共同分析，必要時(shí)還需要對箱梁斷面溫度分布和大氣溫濕度進(jìn)行監(jiān)測。
梅山大橋溫濕度監(jiān)測的主要內(nèi)容如下：
（1）橋址環(huán)境溫度，大氣溫濕度；
�。�2）主橋混凝土箱梁以及橋墩的內(nèi)外表面溫度。
溫濕度監(jiān)測貫穿整個(gè)施工過程，針對箱梁關(guān)鍵部位布置溫濕度觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測與主梁的線形監(jiān)測同時(shí)進(jìn)行，一般選擇在日出前完成。溫度梯度監(jiān)測為晝夜24小時(shí)連續(xù)觀測，間隔4小時(shí)，分別在2：00、6：00、10：00、14：00、18：00、22：00等時(shí)刻進(jìn)行觀測，以了解溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的影響，為施工控制和箱梁應(yīng)力分析提供依據(jù)。
3.4.4鋼絞線管道摩阻損失的測定
在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線和預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)，由于管道摩阻、溫度變化、錨具等原因造成預(yù)應(yīng)力不同程度的損失，預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量的監(jiān)測旨在定量的測定預(yù)應(yīng)力的損失，以確定實(shí)際有效的預(yù)應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)分析計(jì)算提供依據(jù)。
測試的基本內(nèi)容為：
�。�1）錨圈口摩阻損失測定；
�。�2）孔道摩阻損失測定，確定實(shí)際孔道摩阻系數(shù)和偏差系數(shù)。
3.4.5砼彈性模量、容重以及收縮徐變的測試
混凝土收縮徐變對主梁內(nèi)力與撓度均有較大影響，應(yīng)專門驚醒混凝土7、14、28、90天四個(gè)加載齡期的收縮、徐變試驗(yàn)，得出相應(yīng)的收縮徐變系數(shù)和彈模值。同時(shí)，采用箱梁懸臂澆筑混凝土現(xiàn)場取樣，制成試件。先對試件尺寸進(jìn)行精確測量，分別測定3、7、14、28、60、90天齡期的彈性模量值，通過萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測定，以得到完整的彈性模量與齡期E—t變化曲線，為主梁預(yù)拱度的修正提供依據(jù)。混凝土容重的測量也是在現(xiàn)場取樣，采用實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)方法進(jìn)行測定。
3.5施工誤差的調(diào)整
施工誤差調(diào)整應(yīng)從兩個(gè)方面著手解決，一方面是設(shè)計(jì)參數(shù)誤差調(diào)整即參數(shù)的估計(jì)與修正，另一方面進(jìn)行施工誤差的調(diào)整，用Kalman濾波法、灰色理論等方法對以后每個(gè)塊件的施工誤差進(jìn)行調(diào)整.兩者缺一不可.參數(shù)識(shí)別與修正橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)與理想狀態(tài)存在一定的誤差（設(shè)計(jì)參數(shù)誤差、施工誤差、測量誤差以及結(jié)構(gòu)分析模型誤差等）因此本橋采用卡爾曼濾波對施工誤差的特性進(jìn)行分析，然后運(yùn)用最小二乘法對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，最后確定施工誤差調(diào)節(jié)控制方案。
�。�.結(jié)論
利用工程實(shí)例對預(yù)應(yīng)力砼剛構(gòu)橋懸臂施工的特點(diǎn)進(jìn)行的詳盡的分析，對施工控制方案的制定、實(shí)施及其施工控制過程中的影響因素作了全面的分析，使橋梁結(jié)構(gòu)始終處于安全的可控狀態(tài)，為施工的順利進(jìn)行提供了可靠的保證。
參考文獻(xiàn)
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