預應力混凝土連續梁主梁施工控制研究

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司)

預應力混凝土連續梁主梁施工控制研究

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司)

由于連續梁橋在設計和工程建設中可能出現諸多預先難以精確估計的狀況，即使設計人員預先已經做好預案，但由于施工中誤差累積和經驗質量等因素影響，實際中必然會與原設計有相違之處。所以要對連續梁的施工進行控制監測，并根據監測所得數據對施工過程中各個控制性關鍵性施工過程進行相應調整是十分重要的。

連續梁;施工控制;主梁應力

1 前言

連續梁橋是一種復雜結構的橋梁，是多次超靜定構件，幾何線形的理想程度直接影響著施工和成橋時的內力狀態，這不僅與設計單位有關，而且還很大程度上與施工方法的科學合理性相關。大青溝大橋主橋上部結構采用三跨變梁高預應力混凝土結構，橫截面是單箱單室，主梁采用掛籃懸臂澆筑法施工。結構受力復雜，施工難度大，對施工技術和施工精度要求很高。

為保證施工質量，特別是運營狀態質量，就必須進行復雜結構橋梁(連續梁為代表)的施工控制研究，否則就可能會危及主梁及其他結構主受力構件的耐久性，有可能導致主受力構件傾斜、開裂、撓度過大等病害發生，甚至會影響運營過程中車輛安全。故監控過程中理論計算和現場實際緊密結合，找出計算結果偏差的不確定因素，為以后我國交通建設事業，和建設和諧社會做出貢獻，亦可為日后該地區技術標準的修訂提供參考數據。

2 工程實例分析計算

大青溝大橋橋址處在河南省東南境永亳淮高速商丘段，橋跨結構跨徑為45 m+80 m+55 m，采用三跨混凝土預應力變梁高箱梁。主橋在0#塊即墩頂處設2.5 m厚橫隔板，在邊跨端頭設置1.5 m厚橫隔板，其余部位均未設置橫隔板。箱梁橫向底板保持水平，頂板設置2%的單向橫坡，由腹板高度來調節。主橋箱梁采用國際先進的縱、橫、豎三向預應力組合體系。

大跨連續梁施工監控是一個循環過程，即施工→量測→識別→修正→預告→施工。眾所周知，施工控制的最基本要求永遠是施工安全，其次是使橋跨結構內力及線性盡量合理并無限接近要求的設計值。在施工控制實施過程中，由于現場環境極其復雜，或多或少會受到各種因素干擾(施工控制中的噪聲干擾)，需要用卡爾曼濾波法，去除噪音得到真實狀態和數值。同時，為實現最優性能指標，就必須不斷進行分析、調整、預測等步驟，遵循規律，組成隨機最優控制系統。

大青溝大橋采用與計算機相結合的最優控制理論和技術，使用工程控制的思想本，將主橋施工時結構變位工況和成橋工況線形做數值離散，對象確定采用動態結構系統最優控制，各種性能指標和模型的建立為隨機過程。使用誤差分析，使從復雜狀態下，被噪聲(現場各個不確定因素)污染的各個因素中確保估計出橋梁結構目前的真實狀態，并用估計出真實狀態量，使用最優控制規律形成閉合環狀態反饋給系統，在最優控制下求出變量值，不斷對各懸臂段以及合攏成橋是的工況狀態進行調整、控制，最終達到最優控制目標。

大青溝大橋施工控制時，將橋梁結構離散和簡化為平面體系的二維桿結構，每個節段根據現場需要離散為兩個以上的梁單元。采用橋梁專用計算程序MIDAS 2006程序對大橋施工和各個工序進行模擬。

(1)用有限元程序將大橋劃分為83個單元，89個節點。其中，橋墩材料為C45混凝土，主梁材料為C55混凝土，橋墩為4個單元，主梁63個單元。

(2)整個橋梁建設模擬為18個過程，其中懸灌施工時每個懸臂梁階段的施工為一個施工過程，該過程劃分成幾個子過程:立模，掛籃前移，澆筑混凝土，預應力張拉。

(3)施工順序上各墩形成“T”構并且上部同時對稱施工，合龍順序與一般連續梁相同為先邊跨合攏后中跨合攏。

成橋后結構計算離散圖如圖1所示。

圖1 結構數值離散計算模型

大橋合龍前后結構體系將發生轉化，即由靜定對稱的“T”形構件結構轉變為超靜定體系結構，因此合龍前調整時，對單個“T”的施工段調整應該分別進行。根據工程經驗，非對稱因素往往發生在兩邊跨現澆段，每個“T”仍然具有對稱的關系，因此本橋只對單個“T”進行調整，其控制調整模型如圖2所示。

圖2 施工狀態控制調整模型示意圖

懸臂施工的連續梁，后節段是通過預應力筋及混凝土及與前一塊相接而成，所以，每一施工階段相關性非常密切。所以線形和受力特性的分析，特別是在各施工階段時的分析就變得不可或缺。成橋工況下的結構線性是懸灌施工任務之一，成橋線性合理并且符合設計要求會使橋梁結構使用性能安全合理。上部主梁現澆塊的預拱度標高設置尤為重要。并且確保施工結束運營后3年(1 000 d)后結構標高依然在設計規定的標高范圍內。更有甚者要求10年后線性標高符合要求。

由于材料、各種施工誤差等的特性為隨機變化，故施工條件不可能為計算時采用的理想狀態。為解決上述問題，主橋施工中，從倒裝分、正裝分析以及實時跟蹤并分析三方面著手，相互校核，最終實現成橋結構在內力和線形等各方面表現合理并滿足設計目標要求。

為了準確分析上述三方面，正確而詳細地劃分結構在整個形成過程中的各個不同受力階段是至關重要的。在正確建模的基礎上考慮參數識別和修正，并根據現場施工周期修正計算模型，全部計算分析過程由有限元專用程序完成。

監控中把大橋看成是一個系統是由其各種作用組成，那么可知該系統內有已知的部分信息，有部分未知，因此，這個系統是具有物理原型控制系數誤差分析和修正技術系統組成，并且是受噪聲干擾的。

控制參數個數不得少于3個是灰色理論的建模要求，所以，進行懸臂施工標高實橋數據觀測時，應對懸臂塊至少前3塊按理想設計狀態加經驗值立模施工，并且要求時間間隔相同已觀測撓度(標高)，并對每塊標高觀測數據進行溫度效應修正，這樣就能形成一個數據序列

式中:i為1、2、3;H(0)i為原始實測標高數據序列;H(0)i(1)為1號塊標高實測值，類似地，H(0)i(2)～H(0)i(4)分別為2～4號塊標高實測值。

殘差的數據序列經1-AGO后形成數列

其中:

按最小二乘法求解

白化形式的微分方程的解為

可以根據這一公式預測之后各懸灌施工階段標高變化情況，再經過數據處理可將標高預測形成序列，前面3次預測值與殘差式的數據數列進行比較分析，可判斷是否還要進行殘差計算和修正。

修正殘差具體方法如下:必須先進行殘差檢驗檢測，精度合格者或者好于規定程度時可無需再進行殘差修正，不滿足要求應進行修正，計算殘差，直至滿足預測精度要求為止，此時(6)式可計入殘差模型預測模型并可作為標高的最終預測模型。

3 撓度控制結果

控制成橋線形最主要依據是撓度觀測的數據并做記錄。撓度觀測一般安排在早晨太陽出來之前進行，此舉可以為盡量減小溫度影響。整個施工過程中，主要觀測內容包括:撓度變化值在不同階段的讀數，包括混凝土澆筑之前和之后、預應力鋼筋張拉、邊跨和中跨合龍等各項。

觀測結果的正確性決定著最優控制的方向。詳細分析每一施工階段的標高及撓度值都需認真對待。以下為左幅橋的第11#橋墩上的5#塊撓度測點在各種工況下實測撓度數據與理論撓度值的對比圖。

3.1 掛籃移動到位后(單位:mm)

表1 實測數據理論數據

圖3 掛籃移動到各塊件后5#塊撓度測點撓度對比圖

4 線形控制結果

在實際橋梁測量標高時使用一個鋼筋頭作為測量點，設計箱梁頂標高一般由撓度測點使用的鋼筋頭處標高換算得到，理論值與對應的實測標高進行對比分析。下面為左幅橋第11#墩各懸臂現澆梁段在預應力鋼筋張拉幾個階段和幾個關鍵施工階段，箱梁頂標高、理論標高、設計標高，他們之間的施工過程變化對比曲線圖表。

5#塊張拉完畢。

表2 箱梁頂標高、理論標高、設計標號

圖4 5#塊張拉完畢標高對比圖

從圖中可以看出，絕對標高和實際標高是上下波動的，并且圍繞著理論標高波動，兩者偏差不大，數據能比較全面反應各個主要工況，可以完全反映大青溝橋施工控制的全程控制信息以及目標曲線。

5 合龍段高差控制結果

懸臂澆筑梁合龍段線型及合龍段高差必須進行標高精度控制，通過精度控制主梁懸臂兩端標高，使合龍段高差數值盡量消除控制在允許范圍之內。以下為左幅橋中跨和邊跨合龍段高差。右邊緣、中心線、左邊緣是路線前進方向各斷面相應位置。

5.1 1#墩大邊跨合龍段高差

表3 10#塊與11#塊交接斷面 m

表4 11#塊與12#塊交接斷面 m

5.2 中跨合龍段高差

表5 11#墩后退方向10#塊與11#塊交接斷面 m

表6 10#墩后退方向10#塊與11#塊交接斷面 m

6 結語

隨著我國公路交通建設事業發展，在未來幾十年必將會建造更多的大跨徑預應力混凝土連續梁橋，因此對于這種橋型的施工控制技術研究具有重要理論和實際意義。

研究項目依托河南永城大青溝大橋施工控制過程，跟蹤各個環節，將施工控制技術成功地用于指導生產實踐，從而確保大橋的施工及運營安全。

施工控制研究主要結論如下。

最優控制理論和計算機仿真分析相結合能夠有效地控制施工過程，卡爾曼濾波法應用成功，施工中的真實施工狀態成功的從各種因素和噪音中被估計出來。

撓度控制是全橋施工控制的關鍵，由理論計算撓度值與實測數據對比分析可知，各階段張拉—張拉后和澆筑—澆筑后的理論計算值與實測值偏差很小，采用控制參數誤差修正與分析法對橋梁的施工整個過程控制是安全、合理和可靠的，數值模型模擬模擬施工正裝分析十分成功，計算準確可靠。

絕對標高不但決定著橋梁在整個跨線承前啟后的過渡是否自然合理，并且對成橋線形起著至關重要的作用。考慮到后期混凝土收縮徐變、日照溫度及其它因素將使橋梁結構在運營階段下撓，本次對大青溝大橋主橋結構按成橋后運營1 000 d設置了一定的合理預拋高。中跨、大邊跨、小邊跨的預拋高值分別為10 cm、4.5 cm、4 cm。經過對橋跨合龍后絕對標高與設計標高的對比和后期標高觀測，達到預期效果。

當大跨境混凝土連續梁合攏時，結構體系轉換和受力發生較大變化。不同齡期混凝土收縮徐變，水化熱等諸多方面的問題還值得深入研究和探討。

大青溝大橋施工控制運用大量國內外成熟技術與新技術，取得良好效果，日后若有同類型橋梁建設施工即可提供有益可借鑒的和經驗。

［1］劉來君.預應力混凝土平面曲線箱梁裂縫分析［M］.西安:長安大學學報(自然科學版)，2004.

［2］徐君蘭.大跨度橋梁施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］劉來君.變分法在橋梁結構溫度應力計算中的應用［M］.西安:中外公路，2004.

［4］劉興法.混凝土結構的溫度應力分析［M］.北京，人民交通出版社，1991.

U445

C

1008-3383(2012)02-0072-03

2011-11-29

趙瑞鵬(1985-)，男，陜西乾縣人，助理工程師，主要從事橋梁設計、施工控制、結構受力等方面工作。