某48 m+80 m+48 m混凝土梁橋施工監控方法研究

甘季中，龐建利

（1.西北民族大學，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省新型建材與建筑節能重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3.蘭州民大土木工程科技有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

本論文研究對象為預應力混凝土連續梁橋，采用懸臂施工。該類橋梁的形成要經過一個復雜的過程，施工工序和施工階段較多，各階段相互影響，且這種相互影響又有差異，這就造成各階段的內力和位移隨著混凝土澆筑過程變化而偏離設計值的現象，甚至超過設計允許的內力和位移，若不通過有效的施工控制及時發現、及時調整，就可能造成成橋狀態的梁體線形與內力不符合設計要求或在施工過程中結構的不安全。

在施工過程中，為保證合攏前懸臂端豎向撓度的偏差、主梁軸線的橫向位移不超過容許范圍、保證合攏后的橋面線形良好、保證在施工中主梁截面不出現過大的應力，必須對該橋主梁的撓度、應力等施工控制參數做出明確的規定，并在施工中加以有效的管理和控制，以確保該橋在施工過程中的安全，并保證在成橋后主梁線形符合設計要求。

對于分階段懸臂澆筑施工的預應力混凝土連續梁來說，施工控制就是根據施工監測所得的結構參數真實值進行施工階段計算，確定出每個懸澆階段的立模標高，并在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測和對下一階段立模標高進行調整，以此來保證成橋后的橋面線形、保證合攏段懸臂標高的相對偏差不大于規定值以及結構內力狀態符合設計要求。

對該橋進行施工監控的目的就是確保施工過程中結構的可靠度和安全性，保證橋梁成橋橋面線形及受力狀態符合設計要求，主要控制內容為：主梁線形、受力。

1 施工控制基本理論

在繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續梁的施工監控中，對梁體線形進行重點控制。在控制過程中，監控方采用自適應控制方法對本橋進行線形控制，采用最小二乘法對結構參數進行調整、估計，見圖1。

圖1 繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續梁施工監控體系

1.1 連續梁橋施工控制的特點

本橋預應力混凝土連續梁橋結構在懸臂施工階段是靜定結構，合攏過程中如不施加額外的壓重，成橋后內力狀態一般不會偏離設計值很多，因此連續梁橋施工控制的主要目標是控制主梁的線形。對于混凝土連續梁橋，若已施工梁段上出現誤差，除張拉預備預應力束外，基本沒有調整的余地，且這一調整量也是非常有限的，而且對梁體受力不利。因此，一旦出現線形誤差，誤差將永遠存在，對未施工梁段可以通過立模標高調整已施工梁段的殘余誤差，如果殘余誤差較大，則調整需經過幾個梁段才能完成。

根據上述分析，懸臂澆筑連續梁橋施工中標高控制的特點是，已完成梁段的誤差無法調整，而未完成梁段的立模標高只與正裝模擬計算有關，與已完成梁段的誤差基本無關。因此，在圖2自適應施工控制原理圖中的下半環，即控制量反饋計算，在連續剛構施工控制中一般不起作用。同時，上半環，即參數估計及對計算模型的修正就顯得尤為重要，只有與實際施工過程相吻合的計算模型計算出的預報標高才是可實現的。

圖2 自適應施工控制基本原理

1.2 自適應施工控制系統

對于預應力混凝土橋梁，施工中每個工況的受力狀態達不到設計所確定的理想目標的重要原因是有限元計算模型中的計算參數取值，主要是混凝土的彈性模量、材料的比重、徐變系數等，與施工中的實際情況有一定的差距。要得到比較準確的控制調整量，必須根據施工中實測到的結構反應修正計算模型中的這些參數值，以使計算模型在與實際結構磨合一段時間后，自動適應結構的物理力學規律。在閉環反饋控制的基礎上，再加上一個系統參數辯識過程，整個控制系統就成為自適應控制系統。

當結構測量到的受力狀態與模型計算結果不相符時，把誤差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際測量到的結果相一致。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，按照上述反饋控制方法對結構進行控制。這樣，經過幾個工況的反復辨識后，計算模型就基本上與實際結構相一致了，在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。

對于采用懸臂拼裝或懸臂澆筑的橋梁，主梁在墩頂附近的相對線剛度較大，變形較小，因此，在控制初期，參數不準確帶來的誤差對全橋線形的影響較小，這對于上述自適應控制思路的應用是非常有利的。經過幾個節段的施工后，計算參數已得到修正，為跨中變形較大的節段的施工控制創造了良好的條件。

2 繞城高速80 m連續梁施工監控實施流程

施工控制按照施工→量測→識別→修正→預告→施工的循環過程，其實質就是使施工按照預定的理想狀態順利推進。由于實際上不論是理論分析得到的理想狀態還是實際施工都存在誤差，所以，對本橋進行施工控制的核心任務就是對各種誤差進行分析、識別、調整，對結構未來狀態做出預測。

對于本橋，由于在梁段澆筑完成后，除張拉預備預應力索外，基本沒有調整的余地，而只能針對已有誤差在下一未澆筑梁段的立模標高上做出調整，所以，要保證本橋控制目標的實現，最根本的就是對立模標高做出盡可能準確的預測，依靠預測控制。

鑒于本橋已完成階段的不可控性以及施工中對線形誤差的糾正措施的有限性，控制誤差的發生就顯得極為重要，所以施工中采用自適應控制法對其進行控制。基本思路為當結構的實測狀態與模型計算結果不符時，通常將誤差輸入到參數辨別算法中去調整計算模型的參數，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，經過幾個階段的反復識別后，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。

繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續梁自適應施工控制流程見圖3。

3 結構分析參數

3.1 荷載

（1）恒載：按設計圖提供的尺寸，并根據施工現場采集的參數進行必要的修正，考慮結構梁體自重N=26.5 kN/m3；二期恒載170.32 kN/m和臨時荷載,并考慮了橋面排水坡對結構重量和剛度的影響；

圖3繞城高速特大橋48 m+80 m+48 m連續梁自適應施工控制方法流程圖

（2）溫度及混凝土收縮、徐變影響：計算中按規范考慮了結構局部溫差效應及考慮混凝土實際加載齡期的收縮、徐變的影響；

（3）預應力：按規范計入預應力損失,按設計圖分階段進行張拉。

3.2 材料特性

計算中所采用的主要材料特性值見表1。

表1 計算所用材料特性

其中，混凝土的彈性模量、鋼絞線的彈性模量取自《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB10002.3-2005）。

3.3 混凝土收縮、徐變參數

混凝土收縮、徐變參數按照規范取值。

3.4 預應力鋼束

縱向預應力鋼束彈性模量取自表1的試驗結果，摩阻損失參數參考規范及設計圖取值。

3.5 混凝土加載齡期及外部環境

計算考慮外界環境為野外一般條件，每個懸臂現澆梁段的加載齡期為7 d。在施工程中，混凝土加載齡期等參數可能與實際情況不符，將根據實際情況進行調整。

3.6 掛籃重量

掛籃按照60.0 t考慮。

3.7 計算方法及計算模型

根據設計圖反映的內容，對全橋總體結構建立能反映施工荷載的有限元模型，對該橋進行了正裝分析，得到各階段主梁變形狀態。計算模型中根據懸臂施工梁段的劃分、支點、跨中、截面變化點等控制截面將全橋主梁劃分為67個結點和66個單元。

全橋總體計算模型見圖4。

圖4 全橋計算模型

圖4中示出了成橋階段的預應力鋼束。

3.8 主梁施工階段劃分

根據設計圖紙所示施工階段及需完成工作將本橋劃分為42個施工階段。

4 梁體位移計算結果

4.1 成橋階段累計位移

按照設計參數計算繞城高速48 m+80 m+48 m連續梁成橋階段累計位移見圖5，圖5中示出了成橋階段即二期恒載鋪裝后和收縮徐變3 650 d后的累計位移。

圖5 成橋階段梁部累計位移

4.2 活載豎向位移

中-活載作用下箱梁向下的位移見圖6。

圖6中活載作用下箱梁最大豎向位移

4.3 立模標高的確定

在主梁的懸臂澆筑過程中，梁段立模標高的合理確定，是關系到主梁線形是否平順、是否符合設計的一個重要問題。如果在確定立模標高時考慮的因素比較符合實際，而且加以正確的控制，則最終橋面線形較為良好。

立模標高并不等于設計橋梁建成后的標高。一般要設置一定的預拱度，以抵消施工中產生的各種變形（豎向撓度）。其計算公式如下：

式中：Hn為n號梁段前端立模高程；An為n號梁段前端設計高程；Bn為n號梁段前端計算撓度；Cn為n號梁段前端預計掛籃變形值；Dn為n號梁段前端高程調整值，包括考慮模板間隙、托架沉降、（n-1)號梁段高程偏差調整值、計算與實際撓度差值調整值等。

其中掛籃變形值是根據掛籃加載試驗確定的，在施工過程中加以考慮。根據上述計算式和監控分析，可以計算出各梁段的預拱度（相對于設計標高），見圖7。

圖7 梁體預拱度

圖7中預拱度計算結果不包括掛籃變形，在施工中需要計入掛籃變形對預拱度進行修正。掛籃變形需要根據掛籃預壓試驗與上階段澆筑混凝土時梁體及掛籃的變形來估算。

5 結論

施工監控過程中，應用了自適應控制理論進行標高控制，在施工過程中，根據實測結果與計算結果的對比，調整了計算模型的混凝土自重、預應力張拉效應、結構收縮徐變效應，使得各階段結構的實測位移和計算位移基本接近。主要監控結論如下。

（1）成橋階段所有節點標高與設計線形的誤差均在1.5 cm以內，滿足控制目標要求；成橋線形平順，能保證后期鋪設橋面系的要求，滿足設計及施工規范要求。說明本橋懸臂階段的立模標高合理，準確地預測了本橋各施工階段梁體發生的位移。

（2）各施工階段梁體實際發生的位移與理論位移接近，說明施工監控所采用的計算模型及計算參數能反映該橋的實際狀況。

對于預應力混凝土連續梁橋，在施工監控初期，應針對連續梁橋的結構特點、施工組織方案，提出有針對性的線形控制方案，選擇適當的施工控制方法，建立施工控制體系。

對于本類橋梁，可采用自適應可控制方法進行施工控制，并采用灰色理論等方法對梁體撓度和預拱度進行輔助預測。