連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控技術(shù)研究

黃 瑜

(上海市機械施工集團有限公司，中國 上海 200072)

0 概述

隨著我國路橋交通行業(yè)的發(fā)展，對橋梁的性能要求不斷提高。連續(xù)剛構(gòu)橋憑借其自身優(yōu)勢受到人們關(guān)注。連續(xù)剛構(gòu)橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，既具有T 形剛構(gòu)的優(yōu)點，也具有連續(xù)梁橋的優(yōu)點。它不僅具有較強的跨越能力，而且由于其本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使得施工起來并不復(fù)雜，在眾多的橋梁施工中，連續(xù)剛構(gòu)橋的投資成本相對較低，也能適應(yīng)在復(fù)雜地理環(huán)境的情況下進行施工。數(shù)據(jù)顯示，連續(xù)剛構(gòu)橋近年來在我國高等級的公路橋梁施工中得到了較廣泛的應(yīng)用。橋梁施工監(jiān)控技術(shù)是指在研究現(xiàn)代橋梁施工理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用軟件，根據(jù)橋梁的實際參數(shù)建立施工模型，對施工的各個階段進行模擬仿真，參考得到的仿真結(jié)果對橋梁施工進行具體管理。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的產(chǎn)生發(fā)展及受力特點

在上世紀(jì)中期，前聯(lián)邦德國第一次使用預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)建成T型剛構(gòu)橋，它不再采用T 型鋼構(gòu)的笨重的大橋墩，取代以空心薄壁式輕便型橋墩。同時，它將邊孔做成連續(xù)的，而中間的空洞則使用剪刀鉸。在后來的多年中，多國采用該技術(shù)建設(shè)大橋，比較著名的有Bendorf 大橋、浦戶大橋、濱名大橋等等。然而，隨后的發(fā)展使人們發(fā)現(xiàn)，T 型剛構(gòu)存在一些問題，從結(jié)構(gòu)而言，它采用剪刀鉸的方式構(gòu)造復(fù)雜，使施工難度加大，因此成本造價非常高昂。另外，由于混凝土結(jié)構(gòu)會受到早晚溫差影響，剪刀鉸在梁上會出現(xiàn)附加的應(yīng)力，整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也會受到影響，因此在鉸的連接處容易出現(xiàn)裂痕，倘若在設(shè)計時橋的拱度設(shè)置不當(dāng)，就可能在橋坡上出現(xiàn)折線或者縱段面出現(xiàn)起伏不平。所有這些弊端迫使人們對混凝土技術(shù)T 型剛構(gòu)橋進行改進。在上世紀(jì)末期產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力的連續(xù)橋梁，連續(xù)橋梁在施工中要求對橋墩臨時固結(jié)，并且要設(shè)置大噸位的支座，因此橋梁制造成本高昂，養(yǎng)護費用也不低。在后來的十年間，人們發(fā)現(xiàn)了基于預(yù)應(yīng)力的連續(xù)剛構(gòu)橋。連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)合了T 型剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋共同的優(yōu)點，是橋墩固結(jié)的連續(xù)梁橋，采用預(yù)應(yīng)力混凝土的結(jié)構(gòu)。通常體系布置為對稱形式，懸臂澆筑或拼裝的方式使橋隨橋墩高度增加的時候，對上部結(jié)構(gòu)的作用力減少。因此整體的施工效果較好。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控研究

國外在施工監(jiān)控方面的研究較早，在上世紀(jì)80年代，在修建連續(xù)剛構(gòu)橋時，運用計算機進行結(jié)構(gòu)分析，利用分析結(jié)果現(xiàn)場指導(dǎo)施工，獲得了較好的效果。在后來，日本成功研制了第一款分析連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測量數(shù)據(jù)采集、精度控制運算和數(shù)據(jù)分析三部分，能完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動測試、分析運算和控制結(jié)果的仿真輸出。該系統(tǒng)曾在多個大橋的施工過程中得到應(yīng)用，也取得了較好的效果。目前，國外在連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控方面的研究主要基于計算機軟件開發(fā)。在我國，這方面的研究較晚，最初在武漢第一長江大橋的修建中，采用施工監(jiān)測的技術(shù)對標(biāo)高和應(yīng)力進行調(diào)整，取得了一定的效果。直到上世紀(jì)90年代后期，施工監(jiān)控才真正運用到大跨度橋梁施工中，因此我國在該領(lǐng)域的研究與發(fā)達國家還存在差距。

在連續(xù)鋼構(gòu)橋的施工中，很多不確定因素會對橋梁施工產(chǎn)生影響，這包括應(yīng)用材料的性能情況，理論標(biāo)注參數(shù)與實際參數(shù)的誤差水平，施工中溫度濕度等環(huán)境因素的實時變化等等。連續(xù)剛構(gòu)橋采用懸臂澆注方式可以大幅促進大跨度橋梁的建設(shè)，但這個施工過程是一個連續(xù)系統(tǒng)，前期施工與后期施工會產(chǎn)生影響，有些在前期施工中產(chǎn)生的不足是無法在后續(xù)施工中進行彌補的。因此，在整個施工過程中，每一個環(huán)節(jié)都需要進行施工監(jiān)測，并實時地對施工方案進行評估，確定方案的可行性與各個控制參數(shù)的選取，保證施工應(yīng)力符合設(shè)計要求，確保施工質(zhì)量。

3 連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控的內(nèi)容

橋梁施工監(jiān)測方案取決于橋梁的類型，一般而言，連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)控有以下幾個部分。

3.1 結(jié)構(gòu)撓度

在施工中，混凝土收縮、預(yù)應(yīng)力、施工荷載等因素的綜合影響容易導(dǎo)致橋梁繞度產(chǎn)生變化，橋梁結(jié)構(gòu)的標(biāo)高與理論計算產(chǎn)生差異，影響橋梁的美觀與承載力。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)繞度需要實時監(jiān)控。只有在監(jiān)控的實際標(biāo)高與理論值偏差范圍在合理值時，才能實現(xiàn)成橋繞度和線形符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 應(yīng)變應(yīng)力控制

如果連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力水平與理論值差別太大，橋梁結(jié)構(gòu)會存在極大風(fēng)險。然而，預(yù)應(yīng)力的問題在外觀上不容易發(fā)現(xiàn)，因此需要通過橋梁監(jiān)控來完成實時控制。監(jiān)控人員可以連續(xù)監(jiān)測橋梁的應(yīng)力情況，將測得值與計算機計算值進行比較，如果誤差不滿足施工要求，需要及時檢查問題所在。

3.3 穩(wěn)定性控制

連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性在橋梁施工與使用中是非常重要的，雖然目前國內(nèi)的學(xué)者有通過有限元分析來計算橋梁的穩(wěn)定性，但仍然沒有十分成熟的理論和監(jiān)控技術(shù)來完成穩(wěn)定性控制。連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性系數(shù)具有不足處，并不能區(qū)別不同工況下的情形。現(xiàn)在這種穩(wěn)定性計算一般利用軸心受壓計算公式。

4 連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控方法

4.1 施工監(jiān)控方法

連續(xù)剛構(gòu)橋進過多年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)取得了很多成果。目前主要使用的方法有兩種，分別是糾偏終點控制法和自適應(yīng)控制法。糾偏終點控制法也稱為事后控制法，它是在實時監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)，實時對偏差進行調(diào)整以取到控制的目的。這種方法計算量大，控制效果一般。自適應(yīng)控制法師目前使用較多的一種方法，它采用對模型參數(shù)，特別是應(yīng)力及結(jié)構(gòu)線形繞度等重要參量進行修正識別，從而達到控制目的。

4.2 施工監(jiān)控誤差調(diào)整方法

理論值與實測值通常是不可能完全吻合的，對于這種誤差的調(diào)整方法，一般有三種，分別是卡爾曼(Kalman)濾波法、灰色理論法和最小二乘法。下面分別對這三種方法進行介紹。

4.2.1 卡爾曼(Kalman)濾波法

卡爾曼濾波法是1960年Kalman 教授首先提出的。它具有較強的適用性，算法靈活，對非線性系統(tǒng)同樣有效。因此得到了較廣泛的應(yīng)用。將卡爾曼(Kalman)濾波應(yīng)用到橋梁施工監(jiān)控的方法是：以懸臂澆筑橋梁和預(yù)拱度值作為狀態(tài)變量，施工階段為k，可以列寫狀態(tài)方程：

X(k)=Ф(k,k-l)X(k-l)+W(k-l)

Ф(k,k-l)=X(k)/X(k-1)

Y(k)=X(k)+V(k)

其遞推公式可以列為：

濾波算法:：X(k/k)=X(k/k-l)+K(k)*[Y(k)-X(k/k-1)]

預(yù)測算法：X(k/k-1)=Ф(k,k-1)X(k-l/k-l)

濾波增益：K(k)-p(k/k-1)[p(k/k-1)+R(k)]-1

濾波誤差協(xié)方差：p(k/k)=[I-K(k)]p(k/k-l)

預(yù)測誤差協(xié)方差：p(k/k-l)=Ф(k,k-l)p(k/k-l)ФT(k,k-1)Q(k-l)

在初值問題上，由于0 號塊在一般情況下的誤差很小，近似取值X(0/0)=X0=0，Ф(k,k-l)的值由原定的理想狀態(tài)給定，另外，還需要已知R(k)和Q(k-l)的值才可以確定解值。

4.2.2 灰色預(yù)測控制系統(tǒng)

灰色模型是近年非常受學(xué)者歡迎的一種算法，在橋梁施工監(jiān)控研究中，通過建立灰色模型體系，可以預(yù)測系統(tǒng)未來的發(fā)展變化。在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工中，設(shè)有各個階段預(yù)拱度的理論計算值為：

X=(X(l),X(2),,,X(n))

相應(yīng)X 的實測值為：

Y=(Y(1),Y(2),,,Y(n))(2.15)

根據(jù)X、Y 可以建立方程式：

δ=(δ(1),δ(2),,,δ(n))

δ(k)=X(k)一Y(k)+c

只要根據(jù)δ，X(0),求出Z（1），再根據(jù)Z（1）建立灰色模型，確定參數(shù)值x(l),再求得x(0)值減去c 即可得到誤差估計值，從而求得預(yù)拱度計算公式。

4.2.3 最小二乘法理論

十九世紀(jì)七十年代中期，K.EGausS 提出最小二乘算法，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)。利用最小二乘法可以簡便地求出數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。最小二乘法在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工監(jiān)測中具有較好的效果，尤其在修正參數(shù)誤差方面得到了較好的運用。

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