大跨連續(xù)梁橋懸臂施工過(guò)程控制機(jī)理研究

張望 馮磊

(1.遼寧彰武縣工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧阜新 123000;2.遼寧阜新第二建筑工程公司，遼寧阜新 123000)

伴隨著預(yù)應(yīng)力混凝土理論研究的發(fā)展、完善和成熟，預(yù)應(yīng)力混凝土施工技術(shù)廣泛應(yīng)用于建造大跨度混凝土橋梁，其中以預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋這三種橋梁形式發(fā)展最快［1-4］。目前大跨度的預(yù)應(yīng)力橋梁的主要施工建造方法［6-9］為分段懸臂澆筑法:在完成橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的施工工作后，需要開(kāi)始在橋墩頂部澆筑混凝土直到橋身合龍，施工過(guò)程中需要對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼索進(jìn)行分批張拉，不斷強(qiáng)化整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換、合龍工作。但是由于混凝土材料自身物理力學(xué)性質(zhì)的限制，再加上外界環(huán)境因素的影響，以及橋梁結(jié)構(gòu)的不同梁節(jié)段的混凝土外界荷載的影響，會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)預(yù)算值。所以有必要對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁橋的施工過(guò)程進(jìn)行控制，以保證橋梁的外形與設(shè)計(jì)保持一致。

1 基于自適應(yīng)原理的橋梁結(jié)構(gòu)線形控制理論

對(duì)于大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控主要分為兩種方法:1)基于灰色理論和Kalman濾波法的糾偏終點(diǎn)控制的方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中隨時(shí)對(duì)橋梁線形出現(xiàn)偏差的因素進(jìn)行分析探討，并及時(shí)跟蹤控制與糾偏;2)基于現(xiàn)代控制理論中的橋梁結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，對(duì)于可能引起橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏差的因素(如混凝土的彈性模量、橋梁結(jié)構(gòu)的截面幾何特性、混凝土材料容重以及收縮徐變等)進(jìn)行及時(shí)的分辨識(shí)別，將各個(gè)因素對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行及時(shí)分析計(jì)算，最大限度的保證橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中所選取的模型參數(shù)的取值與實(shí)際施工過(guò)程相吻合，最大限度的降低橋梁模型參數(shù)的誤差影響。

基于自適應(yīng)控制理論，在充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)幾何線性控制的基礎(chǔ)上，建立橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)梁段的立模標(biāo)高。

橋梁結(jié)構(gòu)中箱梁的立模標(biāo)高由式(1)確定:

橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中混凝土材料由于受到溫度應(yīng)力、收縮徐變以及外界不可預(yù)測(cè)因素的影響，導(dǎo)致理論分析計(jì)算結(jié)果與施工實(shí)際情況差別較大，所以對(duì)基于自適應(yīng)原理的模型計(jì)算公式需要進(jìn)行合理的修正:

2 橋梁結(jié)構(gòu)線性控制的關(guān)鍵參數(shù)的選取確定控制

在幾何線形控制理論中，橋梁結(jié)構(gòu)重點(diǎn)控制的參數(shù)為:1)橋梁的預(yù)拱度;2)橋梁的預(yù)拋高;3)橋梁的掛籃變形。

2.1 橋梁的預(yù)拱度

橋梁的預(yù)拱度是為了控制橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度，在施工過(guò)程中預(yù)留的與橋梁位移相反方向的預(yù)拱值;對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋而言，控制預(yù)拱度計(jì)算模型非常重要，在施工過(guò)程中影響橋梁結(jié)構(gòu)撓度的因素主要有:橋梁自重、混凝土材料的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力張拉作用、施工過(guò)程中的各種臨時(shí)荷載(如機(jī)械設(shè)備的自重、泵送混凝土的沖擊荷載、人群荷載)等，以上各種因素對(duì)混凝土連續(xù)梁橋懸臂施工中預(yù)拱度的計(jì)算影響巨大。

2.2 橋梁的預(yù)拋高

預(yù)拋高是懸臂施工中的一個(gè)重要參數(shù)。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在長(zhǎng)期徐變作用下使跨中撓度增大，如果長(zhǎng)期徐變計(jì)算分析不準(zhǔn)，跨中預(yù)拋高值設(shè)置不當(dāng)，運(yùn)行一兩年后，跨中線形會(huì)明顯下垂;國(guó)內(nèi)不少連續(xù)剛構(gòu)橋建成不久后就出現(xiàn)塌腰的現(xiàn)象。所以控制橋梁的預(yù)拋高就顯得尤為重要。

2.3 橋梁的掛籃變形

掛籃屬于橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，而且多為后支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所以可以視為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。在外力荷載的作用下掛籃變形主要以彈性變形、塑性變形為主，尤其是由掛籃支座連接處的不合理所造成的塑性變形難以控制。為了保證掛籃的安全使用，必須對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以一般在使用前都要先對(duì)其進(jìn)行預(yù)加載使用，最大限度的保證掛籃結(jié)構(gòu)的受力性能和安全，同時(shí)也可以通過(guò)預(yù)加載試驗(yàn)來(lái)合理消除掛籃結(jié)構(gòu)的塑性變形，最大限度保證掛籃在橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用。此外由于預(yù)應(yīng)力時(shí)間效應(yīng)、瞬時(shí)效應(yīng)、松弛效應(yīng)的影響，預(yù)應(yīng)力橋梁容易產(chǎn)生徐變現(xiàn)象，所以合理控制預(yù)應(yīng)力橋梁的徐變也是控制橋梁結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵因素。

3 工程案例分析

吳忠黃河公路大橋?yàn)楝F(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱橋梁，其跨度為570 m，上部結(jié)構(gòu)為截面形式變化的連續(xù)箱梁，分為4種形式的梁段;下部結(jié)構(gòu)為重力式的鋼筋混凝土重橋墩，采用樁基礎(chǔ)，如圖1所示。吳忠黃河公路大橋的預(yù)應(yīng)力體系采用的是三向預(yù)應(yīng)力體系的箱梁結(jié)構(gòu)，對(duì)于縱向預(yù)應(yīng)力鋼束主要以平、豎、彎多種形式相結(jié)合的方式進(jìn)行布置，兩端張拉的方式主要應(yīng)用于橋梁的中跨，而邊跨多采用的是單端張拉的方式。一般在頂板布置較多的是橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，并且采用單端張拉的方式進(jìn)行張拉。而對(duì)于腹板的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用的是直線形式進(jìn)行布置，并且在橋梁結(jié)構(gòu)的箱梁頂面進(jìn)行張拉。

圖1 吳忠黃河公路特大橋主橋布置（單位：cm）

3.1 基于幾何線形控制橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析研究

為了保證橋梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的安全性，采用國(guó)家交通運(yùn)輸部公路交通科技研究所開(kāi)發(fā)的Bridge SB軟件對(duì)吳忠黃河公路大橋進(jìn)行施工全過(guò)程的模擬分析，其成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)計(jì)算如圖2所示。

圖2 吳忠黃河公路大橋主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算圖

根據(jù)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)圖紙以及基于幾何線形控制原理，綜合考慮橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、施工工況、偶然荷載、長(zhǎng)期荷載等各種工況，將吳忠黃河公路大橋主橋結(jié)構(gòu)分為180個(gè)有限元分析單元，在統(tǒng)籌分析施工過(guò)程、荷載工況等各種施工信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析計(jì)算，然后計(jì)算分析整個(gè)施工工程中橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)施工階段的內(nèi)力和位移，同時(shí)將計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入有限元分析軟件Bridge Monitor中，根據(jù)試驗(yàn)確定的掛籃變形，來(lái)分析確定各個(gè)施工過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)拋高值及立模標(biāo)高。

3.2 橋梁預(yù)拱度曲線的確定

根據(jù)橋梁施工過(guò)程的具體問(wèn)題，將有限元分析模型共劃分為三個(gè)階段:1)邊跨合龍;2)次中跨合龍;3)中跨合龍。在有限元分析過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際施工情況將懸臂施工階段劃分為13個(gè)步驟，其中每個(gè)施工步驟分為7 d。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的二期施工過(guò)程中需要考慮恒載的影響，恒載主要由兩側(cè)防撞欄桿、橋面鋪裝以及收縮徐變組成。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析后，吳忠黃河公路大橋的預(yù)拱度曲線如圖3所示。

圖3 吳忠黃河公路大橋主橋預(yù)拱度曲線

3.3 橋梁預(yù)拋高的確定

圖4 吳忠黃河公路大橋主橋預(yù)拋高曲線

吳忠黃河公路大橋的橋梁預(yù)拋高值需要考慮中跨跨中的跨度(按L/1 000考慮)，取10 cm，邊跨2.75 cm;其他各點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析擬合。最終擬合曲線如圖4所示。

3.4 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

用Bridge Montior軟件得出的最終曲線指導(dǎo)大橋的立模標(biāo)高，經(jīng)過(guò)三階段的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，得出的數(shù)據(jù)曲線和理論曲線相吻合。下面就10號(hào)墩的測(cè)量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。

表1 橋梁10號(hào)墩底板理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) m

由表1可知:實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)吻合的比較好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于自適應(yīng)控制原理的預(yù)應(yīng)力大跨度橋梁施工工藝監(jiān)測(cè)，可以有效的控制橋梁施工過(guò)程中各種不確定的模糊因素。通過(guò)對(duì)橋梁施工工藝監(jiān)測(cè)，可以為橋梁施工過(guò)程的各個(gè)施工階段提供相對(duì)可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，為施工過(guò)程提供參考依據(jù)，同時(shí)為類似的橋梁施工建設(shè)提供借鑒意義。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1988.

［4］雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［5］張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］葛耀君.分段施工橋梁分析與控制［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］張謝東，石明強(qiáng)，蔡素軍，等.鋼構(gòu)—連續(xù)組合梁橋監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)研究［J］.公路工程，2008，33(4):137-144.

［8］Gerard C，Meijer M.A contactless capacitive angular-position sensor［J］.Sensors Journal，2003(5):607-614.

［9］Tibor F.A Meastttement Alogodthm for Capactive Speed Encoder with a Modified Front-End Topology［J］.IEEE Transaction on Insta’umentation and Measurement，1998，47(5):1341-1343.