基于施工控制的橋梁施工技術(shù)研究

摘 要:本文基于筆者多年從事橋梁施工技術(shù)的相關(guān)工作經(jīng)驗，以基于施工控制的橋梁施工為研究對象，探討了施工控制約束下的橋梁施工技術(shù)思路，橋梁施工監(jiān)控目的就是地確保施工安全的前提下，通過計算分析現(xiàn)場監(jiān)測、參數(shù)識別、模型修正、控制立模標(biāo)高等手段，確保橋梁成橋線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計要求，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:高墩大跨懸臂施工施工控制連續(xù)梁橋

中圖分類號:TU2文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0037-02

1 連續(xù)梁橋施工控制的目的、內(nèi)容

1.1 施工控制的目的

對分節(jié)段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋來說，施工控制就是根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)真實值進行施工階段計算，確定出每個懸臂節(jié)段的標(biāo)高，并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測的成果對誤差進行分析、預(yù)測和對下一立模標(biāo)高進行調(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)計要求。

橋梁施工監(jiān)控目的就是地確保施工安全的前提下，通過計算分析現(xiàn)場監(jiān)測、參數(shù)識別、模型修正、控制立模標(biāo)高等手段，確保橋梁成橋線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計要求。

1.2 施工控制的內(nèi)容

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工監(jiān)控包括兩個方面的內(nèi)容:變形監(jiān)控和內(nèi)力監(jiān)控。變形監(jiān)控就是嚴(yán)格控制每一節(jié)段箱梁的豎向撓度及其橫向偏移，若有偏差并且偏差較大時，就必須立即進行誤差分析并確定調(diào)整方法，為下一節(jié)段更為精確的施工做好準(zhǔn)備工作。關(guān)于監(jiān)控方法，針對不同情況亦必然有所差異。內(nèi)力監(jiān)控是控制主梁在施工過程中以及成橋后的應(yīng)力，尤其是合攏時間的控制，使其不致過大而偏于不安全，甚至在施工過程中造成主梁破壞。

2 施工控制的方法

連續(xù)梁橋是施工、監(jiān)測、識別、調(diào)整、預(yù)告、施工的循環(huán)過程，其實質(zhì)就是使施工按照預(yù)定的理想狀態(tài)(主要是施工標(biāo)高)順利推進。而實際上不論是理論分析得到的理想狀態(tài)，還是實際施工都存在誤差，所以，施工控制的核心任務(wù)就是對各種誤差進行分析、識別、調(diào)整，對結(jié)構(gòu)未來做出預(yù)測。

2.1 預(yù)測控制法

連續(xù)梁橋在梁段澆筑完成后出現(xiàn)的誤差，除張拉預(yù)應(yīng)力索外，基本上沒有調(diào)整的余地，而只能針對己有誤差在下一未澆筑梁端的立模標(biāo)高上作出必要的調(diào)整。所以，要保證控制目標(biāo)的實現(xiàn)，最根本的就是對立模標(biāo)高作出準(zhǔn)確的預(yù)測，而預(yù)測控制法是連續(xù)梁橋施工控制常用的方法。

預(yù)測控制法是指在全面考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和施工所要達(dá)到的目標(biāo)后，對結(jié)構(gòu)的每一施工階段(節(jié)段)形成前后進行預(yù)測，使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進行。由于預(yù)測狀態(tài)與實際狀態(tài)免不了有誤差存在，某種誤差對施工目標(biāo)的影響則在后續(xù)施工狀態(tài)的預(yù)測予以考慮，以此循環(huán)，直到施工完成和獲得與設(shè)計相符合的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這種方法適用于所有橋梁，而對于那些已成結(jié)構(gòu)狀態(tài)具有不可調(diào)整性的橋梁施工控制必須采用此法。如懸臂施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，其已成節(jié)段的狀態(tài)(內(nèi)力、標(biāo)高)是無法調(diào)整的，只能對待施工的節(jié)段預(yù)測狀態(tài)進行改變。預(yù)測控制以現(xiàn)代控制論為理論基礎(chǔ)，其預(yù)測方法常見的有卡爾曼(Kalman)濾波法、灰色理論等。

2.2 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)研究的對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，面對客觀上存在的各種不確定性，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能在其運行過程中，通過不斷的測量系統(tǒng)的輸入輸出狀態(tài)和性能參數(shù)，逐漸的了解和掌握對象，然后根據(jù)所得的過程信息，按一定的設(shè)計方法，做出控制決策去更新控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或控制作用，以便在某種意義下使控制效果達(dá)到最優(yōu)或最近狀態(tài)。

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(jié)建立撓度線形回歸數(shù)學(xué)模型。它可以用于分析箱梁撓度變形的規(guī)律，也可以用于預(yù)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(guī)律的數(shù)據(jù)才行，在梁段數(shù)比較少時所得到的回歸曲線的精度難以保證。

3 基于施工控制的橋梁施工影響因素

大跨徑連續(xù)梁橋施工控制的主要目的是使施工實際狀態(tài)最大限度地與理想設(shè)計狀態(tài)(線形與受力)相吻合。要實現(xiàn)上述目標(biāo)，就必須全面了解可能使施工狀態(tài)偏離理論設(shè)計狀態(tài)的所有因素，以便對施工實施有的放矢的有效控制。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

不論何種橋梁的施工控制，結(jié)構(gòu)參數(shù)都是必須考慮的重要因素，結(jié)構(gòu)參數(shù)是控制中的結(jié)構(gòu)施工模擬分析的基本資料，其準(zhǔn)確性直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。事實上，實際橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)一般是很難與設(shè)計所用的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全吻合，總是存在一定的誤差，施工控制中如何恰當(dāng)?shù)赜浫脒@些誤差，使結(jié)構(gòu)參數(shù)盡量接近橋梁的真實結(jié)構(gòu)參數(shù)，是首先需要解決的問題。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括以下內(nèi)容:

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸

任何施工都可能存在截面尺寸誤差，驗收規(guī)范中也允許出現(xiàn)不超過限值的誤差，而這種誤差將直接導(dǎo)致截面特性誤差，從而直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形等的分析結(jié)果。所以，控制過程中要對結(jié)構(gòu)尺寸進行動態(tài)取值和誤差分析。

(2)結(jié)構(gòu)材料彈性模量

在施工過程中要根據(jù)施工進度做經(jīng)常性的現(xiàn)場抽樣試驗，特別要注意混凝土強度波動較大的情況，隨時在控制中對彈性模量的取值進行修正。

(3)材料容重

不同的集料與不同的鋼筋含量都會對容重產(chǎn)生影響，施工控制中必須對其進行準(zhǔn)確識別。

(4)混凝土收縮徐變

對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)而言，材料收縮、徐變對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形有較大的影響，這主要是由于大跨徑連續(xù)梁橋施工中混凝土普遍加載齡期小、各階段齡期相差大等引起的，控制中要予以認(rèn)真研究，采用合理的、符合實際的徐變參數(shù)和計算模型。

(5)施工荷載

在所有自架設(shè)體系中，都存在施工荷載，這部分臨時荷載對受力與變形的影響在控制分析中是不能忽略的，一定要根據(jù)實際情況進行取值。

3.2 施工工藝

施工控制是為施工服務(wù)的，反過來，施工的好壞又直接影響控制目標(biāo)的實現(xiàn)。除要求施工工藝必須符合控制要求外，在施工控制中必須計入施工條件非理想化帶來的構(gòu)件制作、安裝等方面的誤差，使施工狀態(tài)保持在控制中。

3.3 施工監(jiān)測

監(jiān)測是橋梁施工控制的最基本手段之一。監(jiān)測包括應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測等。因測量儀器、儀器安裝、測量方法、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境情況等存在誤差，所以，結(jié)構(gòu)監(jiān)測總是存在誤差的。該誤差一方面可能造成結(jié)構(gòu)實際參數(shù)、狀態(tài)與設(shè)計或控制值吻合較好的假象，也可能造成將本來可能較好的狀態(tài)調(diào)整得更差的情況。所以，保證測量的可靠性對控制極為重要。在控制過程中，除要從測量設(shè)備、方法上盡量設(shè)法減小測量誤差外，在進行控制分析時必須將其計入。

3.4 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行簡化和建立計算模型，這種簡化使計算模型與實際情況存在誤差，包括各種假設(shè)、邊界條件處理、模型的本身精度等，控制中需要在這方面做大量工作，必要時還要進行專門的試驗研究，以使計算模型誤差所產(chǎn)生的影響減到最低限度。

3.5 溫度變化

溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形影響很大，這種影響隨溫度的改變而改變，在不同時刻對結(jié)構(gòu)狀態(tài)(應(yīng)力、變形)進行量測，其結(jié)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(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)數(shù)據(jù)，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。溫度變化相當(dāng)復(fù)雜，包括季節(jié)溫差、日照溫差、驟變溫差、殘余溫度、不同溫度場等，而在原定控制狀態(tài)中又無法預(yù)先知道溫度的實際變化情況，所以在控制中是難以考慮的(要考慮也將是很復(fù)雜的)。通常都是將控制理想狀態(tài)定位在某一特定溫度下，從而將溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響相對排除(過濾)。一般是將一天中的溫度變化較小的早晨作為控制所需實測數(shù)據(jù)的采集時間。但對季節(jié)溫差和橋梁體內(nèi)的溫度殘余影響要予以重視。

3.6 材料收縮、徐變

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(zhì)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，懸臂施工的大跨徑連續(xù)梁橋尤為突出，如果梁相對懸臂施工進度存在差別，就必然使兩懸臂在合攏前等待不同的時間，從而產(chǎn)生不同的徐變變形，由于徐變變形較難準(zhǔn)確估計，所以容易造成最終合攏困難。

4 施工控制的結(jié)構(gòu)計算方法

橋梁施工監(jiān)控中的結(jié)構(gòu)分析方法包括前進分析法、倒退分析法以及無應(yīng)力狀態(tài)法。對于分節(jié)段懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，施工控制結(jié)構(gòu)計算的方法采用前進分析法和倒退分析法。

4.1 前進分析法

為了計算出橋梁結(jié)構(gòu)在成橋后的受力狀態(tài)，只有根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的配筋情況和既定施工方案逐個階段地進行計算，最終才能得到成橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況。這種計算方法的特點是:隨著施工階段的推進，結(jié)構(gòu)形式、邊界約束、荷載形式在不斷地改變，前期結(jié)構(gòu)將發(fā)生徐變，其幾何位置也在改變，因此，前一階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)將是本次施工階段結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。這種按施工階段前后次序進行的結(jié)構(gòu)分析方法稱為前進分析法。前進分析法能夠較好地模擬橋梁結(jié)構(gòu)的實際施工歷程。懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的前進分析計算如下:

(1)確定結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)，主要包括:中跨、邊跨(次邊跨)的大小、橋面線形、橋墩的高度、橫截面信息、材料信息、約束信息、混凝土徐變信息、施工臨時荷載信息、二期恒載信息、體系轉(zhuǎn)換信息。

(2)基礎(chǔ)、橋墩和0號塊澆筑完成后，在每一個橋墩上對稱地依次懸臂澆筑各個塊件，直到懸臂澆筑完成，掛籃拆除。計算每一次懸臂澆筑時結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，每一階段計算均依照上一階段結(jié)束時結(jié)構(gòu)變形后的幾何形狀為基礎(chǔ)。

(3)進行邊跨合攏(次邊跨合御、中跨合攏，計算這幾個主要階段結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。

(4)橋面鋪裝:計算二期恒載作用下結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。

4.2 倒退分析法

前進分析可以嚴(yán)格按照設(shè)計好的施工步驟進行各階段內(nèi)力分析，但由于分析中結(jié)構(gòu)節(jié)點坐標(biāo)的改變，最終結(jié)構(gòu)線形不可能完全滿足設(shè)計線形要求。實際施工中橋梁結(jié)構(gòu)線形的控制與強度控制同樣重要，線形誤差將造成橋梁結(jié)構(gòu)的合攏困難，影響橋梁建成后的受力狀態(tài)、視覺效果和營運質(zhì)量，甚至管理。為了使竣工后的結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計線形，在施工過程中用設(shè)置預(yù)拱度的方法來實現(xiàn)。而對于分階段施工的連續(xù)梁橋，一般要求給出各個施工階段結(jié)構(gòu)物控制點的標(biāo)高(預(yù)拋高)，以便最終使結(jié)構(gòu)物滿足設(shè)計要求。這個問題用前進分析法是難以解決的。

倒退分析法可解決這一問題，它的基本思想是，假定t＝t0時刻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布滿足前進分析t0時刻的結(jié)果，軸線滿足設(shè)計線形要求。在此初始狀態(tài)下，按照前進分析的逆過程，對結(jié)構(gòu)進行倒拆，分析每次拆除一個施工節(jié)段對剩余結(jié)構(gòu)的影響，在一個階段內(nèi)分析得到的結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力狀態(tài)便是該階段結(jié)構(gòu)理想的施工狀態(tài)。所謂結(jié)構(gòu)施工理想狀態(tài)就是在施工各階段結(jié)構(gòu)應(yīng)有的位置和受力狀態(tài)，每個階段的施工理想狀態(tài)都將控制著全橋最終形態(tài)的受力特性。

參考文獻

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