預應力混凝土連續梁橋施工控制方法及其應用研究

吳 琳

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司)

1 影響預應力混凝土連續梁橋施工控制的主要因素

1.1 結構參數

結構參數是施工控制中結構施工模擬分析的基本資料,其準確性直接影響分析結果的準確性。但實際橋梁結構參數總是會與設計參數存在一定的誤差,施工中如何計入這些誤差,使結構參數盡量接近橋梁的真實結構參數,是必須首先解決的重要問題。結構參數主要包括結構構件截面尺寸、結構材料彈性模量、材料容重、材料熱膨脹系數、施工荷載、預加應力等。

1.2 施工工藝

施工控制方案是根據審批確定好的施工技術方案來制定的,因此在施工過程中其工藝流程必須嚴格按照施工技術方案要求執行。由于工藝水平的高低在構件制作、安裝等方面必然會出現或大或小的偏差,在施工控制要考慮這些施工誤差,使施工狀態保持在控制中。

1.3 施工監測

監測包括結構溫度監測、應力監測、變形監測等,是橋梁施工控制的最基本手段之一,也是為后期調控提供基礎數據的重要手段。因測量儀器、儀器安裝、測量方法、數據采集、環境情況等存在誤差,所以結構監測總是存在誤差的。

1.4 結構計算分析模型

無論采用什么分析方法和手段,總是要對實際橋梁結構進行簡化和建立計算模型。

1.5 溫度變化

溫度變化對橋梁結構的受力與變形影響很大,在不同時刻對結構狀態(應力、變形)進行量測,其結果是不一樣的,如果施工控制中忽略了該項因素,就必然難以得到結構的真實狀態數據,從而也難以保證控制的有效性。所以,必須考慮溫度變化的影響。

1.6 材料收縮、徐變

對預應力混凝土橋梁而言,混凝土收縮、徐變對結構內力、變形有較大的影響,這主要是由于大跨徑連續梁橋施工必須經歷一個漫長而又復雜的施工與體系轉化過程,普遍存在加載齡期小、各階段齡期相差大等情況,控制中必須要認真研究,采用合理的、符合實際的徐變參數和計算模型。

1.7 施工管理

橋梁施工控制的對象就是橋梁施工本身,施工管理好壞直接影響橋梁施工質量、進度等。特別是施工進度一旦不按計劃進行,必然給施工控制帶來一定的難度。

2 預應力混凝土連續梁橋施工控制的方法

2.1 預測控制法

連續梁橋在梁段澆筑完成后出現的誤差,除張拉預應力索外,基本上沒有調整的余地,而只能針對已有誤差在下一未澆筑梁端的立模標高上做出必要的調整。所以,要保證控制目標的實現,最根本的就是對立模標高做出準確的預測,而預測控制法是連續梁橋施工控制常用的方法。這種方法適用于所有橋梁,而對于那些己成結構狀態具有不可調整性的橋梁施工控制必須采用此法。如懸臂施工的預應力混凝土連續梁橋,其己成節段的狀態(內力、標高)是無法調整的,只能對待施工節段的預測狀態進行改變。

2.2 自適應控制法

鑒于連續梁橋已完成節段的不可控性以及施工中對線形誤差的糾正措施有限,控制誤差的發生就顯得極為重要。所以,采用自適應控制法對其進行控制也是很有效的。自適應控制法的基本思路是當結構的實測狀態與模型計算結果不符時,通過將誤差的計算模型輸入到參數識別算法中去調節計算模型的參數,使模型的輸出結果與實測結果一致,得到修正的計算模型參數后,重新計算各施工階段的理想狀態。經過幾個節段的反復辨識后,計算模型就基本與實際結構一致,從而對施工過程進行有效控制。

2.3 線形回歸分析法

線形回歸分析法是通過對懸臂箱梁撓度與懸臂長度、懸臂重量的一元線形回歸處理或二元線形回歸處理,總結建立撓度線形回歸數學模型。它可以用于分析箱梁撓度變形的規律,也可以用于預測待施工梁段的撓度。但它無法對溫度和施工引起的誤差進行修正,并且要求有較多有規律的數據才行,在梁段數比較少時所得到的回歸曲線的精度難以保證。

3 應用研究

3.1 工程概況

G大橋主橋上部結構采用36m+60m+36m預應力混凝土連續梁,主梁采用單箱雙室箱梁型式。主墩與箱梁連接的根部斷面梁高為3.4m,跨中和邊跨梁端高為1.6m,主梁l#至 7#及 0#塊部分箱梁梁高按拋物線變化,其余箱梁梁高為等高度。箱梁橋面寬 17m,箱底面寬 11.7m。主橋箱梁采用掛籃懸臂施工,墩梁臨時固結采用鋼管混凝土支撐的形式,承受箱梁懸臂澆筑過程中的不平衡彎矩。主橋分為兩個T構,每個T構兩側對稱施工,邊跨靠 6#、9#墩的一段箱梁(長 4.95m)采用支架立模施工,邊跨現澆段澆筑完畢后,進行兩個邊跨合攏,再進行中跨合攏。

3.2 施工撓度控制計算分析

(1)計算模型

本橋主橋連續梁計算采用上海同濟大學開發的橋梁博士軟件,由于主梁跨寬比較大,在計算中將其簡化為平面桿系結構,各階段離散為梁單元,建模時不考慮墩柱的影響。在計算模型中,主梁分為 54個單元。

(2)工況模擬分析

箱梁每個節段的施工過程模擬為三個階段,即安裝(移動)掛籃、澆筑混凝上、張拉及錨固。在模擬計算時全橋的施工劃分為 31個階段,模擬計算工況表見表 1。

表1 模擬計算工況表

(3)計算參數取值

①混凝土物理特性

混凝土的設計參數是影響橋梁結構受力和變形的重要因素之一,根據以往經驗以及現場測試,主梁混凝土各參數取值如下:抗壓彈性模量為3.8×104MPa;容重為2.5kN/m3;線膨脹系數為1.0×10-5。

②收縮、徐變參數

徐變增長速度系數:0.021;徐變特征終極值:2;收縮速度系數:0.0063;

收縮特征終極值:1.5×10-4。

③預應力參數

鋼絞線彈性模量:1.95×105MPa;張拉控制應力: 1395MPa;松馳率:0.025;鋼索回縮值(錨具變形):6mm;摩阻系數:0.25。

(4)理論預拋高值的確定

根據上述工況劃分,輸入相關計算參數,運行有限元計算程序,得出各塊件在各階段的理論撓度值。

(5)立模標高的實時調整與預測

根據前述監測系統的建立和具體運行,對每個施工節段均進行了高程測量。但由于施工控制影響因素的多樣性和復雜性,己施工節段的實測標高往往與理想標高存在偏差,而已施工節段無法再進行調整。為防止誤差偏大,出現合攏困難等問題,在下一節段施工前必須對前期施工節段出現的偏差進行分析,并在后期節段中予以調整。此時需采用灰色系統理論,根據理想值與實測值之間的偏差建立灰微分方程,計算下一節段施工時的預拱度調整值,以確定下一節段的立模標高。按灰色預測控制法,在懸臂施工過程中,根據已施工節段高程測量數據的反饋分析,建立新陳代謝 GM (1,l)模型,得出除 0#至 4#節段、邊跨直線段、邊跨、中合攏段的預拋高調整值。

(6)確定立模標高

根據立模標高計算公式:立模標高=設計標高+理論預拋高值+預拋高調整值。

3.3 線形控制結果

由于采用了預測反饋控制的方法,線形控制基本達到了預定目標,符合連續梁懸臂施控制精度要求,官河大橋的線形控制結果見表 2。箱梁合攏后跨中的箱梁標高比預期標高低8mm,中跨合攏時兩懸臂端相對高差為13mm。邊跨箱梁標高符合預定目標。箱梁頂標高與目標標高的平均偏差值為 4mm,橋面鋪裝層厚度與設計一致。軸線偏差符合規范要求。成橋梁底曲線平滑,視覺良好,翼緣板邊線順直。

表2 線形控制結果匯總表

在懸臂施工階段,前 4段的理論撓度值比實測撓度值較為接近,懸臂施工后期撓度實際值稍大,最大差值達到12mm。

4 結 語

進行橋梁施工控制,首先要建立一個完整的施工監測系統,對施工中橋梁的實際狀態進行跟蹤觀測,才能為參數調整和反饋控制提供基本數據。此外,正確的結構分析計算結果、必要的建材力學性能試驗以及可靠的預測反饋控制系統是大跨徑連續梁橋施工控制的根本保證。理論分析和成橋控制成果都表明,灰色預測控制系統不僅可以對大跨徑連續梁橋的施工進行控制,而且方法簡單,效果顯著。通過實例分析表明,主橋成橋實測標高與目標標高的偏差不大于12mm,中跨兩懸臂端相對高差僅 13mm,均在允許誤差范圍內,且線形良好。表明本次施工控制的過程是有效的。

[1] 徐岳等.預應力混凝土連續梁橋設計[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版讓, 2001.

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