連續剛構橋施工線形和應力的分析與控制策略探究

李月森

（中交四公局第二工程有限公司， 北京 通州 101100）

隨著人們交通越來越便利，大量的橋梁工程被建設。影響橋梁工程質量的主要因素為橋梁施工技術。在當今市場中，對橋梁工程提出了較高的要求，同時橋梁施工難度越來越大。任何橋梁施工是一項系統工程，可受到外界多種因素的影響，導致橋梁工程出現質量問題越來越多，因此要注重橋梁施工建設中的質量保障，不斷調整施工狀態，確保橋梁施工每個環節的質量。要對橋梁施工過程進行有效的監督，確保施工的各個環節，按照施工要求進行施工，提升橋梁的施工質量，并且在施工過程中找出影響橋梁施工質量的因素，加以控制，確保橋梁的施工線形以及應力不受到影響，即確保成橋后結構受力和線形滿足設計要求[1]。

1 工程情況概述

在某大橋施工中，其主橋的結構采用結構為預應力混凝土箱型連續剛構橋跨布置，即70+120×2+70m。采用精軋螺紋鋼筋作豎向預應力，橋面寬度為9.30m，行車速度為90km/h。

采用有限元軟件進行計算，明確導致橋梁施工變形和應力變化的各項因素，即混凝土的收縮、徐變、溫度變化。在該座大橋上，其共有3 個橋梁主墩，因此可以將主墩作為固定支座。現階段該座大橋的施工階段的總數約為59，總節點數為138 個。

2 橋梁懸臂施工各階段立模標高的確定

在上述公式中，針對該座大橋的箱梁頂面中軸處設計標高有所代表，即可以利用HS表示；計算預拱度可以利用Hy表示,主要可以利用施工控制將分析值予以計算；掛籃變形調整值可以利用fg表示，可以通過試驗將數值進行計算確定。 調整δ 為各種因素導致的誤差調整值。將該橋的相應數據代入到上述公式中，從而確定該橋的立模標高。

3 線形預測與控制

線形控制是連續剛構橋施工監控工作的重要組成部分，其主要關系到橋梁的合龍效果，線性控制的好，大橋則可以順利合龍，反之亦然，導致最終合龍的大橋無法達到預期的線形效果。目前，連續剛構橋的線形控制主要落實到橋梁每個施工階段，主要采用控制每個階段施工預拱度的方式進行預測，值得注意的是，在進行線形控制時需綜合考慮多方面的影響因素，確保施工預拱度達到目標線形。

在橋梁的設計階段，對橋梁各個施工階段進行了有效的預測，可以利用有限元軟件進行深層次的分析，將橋梁施工中各種影響因素予以排除，將橋梁施工狀態作為理想狀態，此時，通過有限元軟件進行計算得到的橋梁施工數據為橋梁的理想狀態，也是在實際施工中盡量達到的目標。但是在實際的施工中，橋梁施工過程受到多種因素的影響，導致實際施工狀態與理想施工狀態有著很大的差距。為了達到理想狀態下的目標，應不斷地將實際施工狀態中的誤差進行有效調整，逐漸的縮小，最大限度的達到理想狀態，橋梁施工質量。同時通過對誤差的有效控制，可以改善誤差對于橋梁結構的影響，并且利用有限元軟件可以實現對橋梁結構行為的有效預測，進而解決線形控制問題。為了使得橋梁達到理想狀態，應將整個橋梁施工過程作為動態系統，并對各種影響因素的信息進行有效收集，不斷調整誤差，制定最佳方案，促使橋梁施工可以達到橋梁的最佳狀態。為了對橋梁施工情況進行有效的預測，可以采用Kalman 濾波法、灰色理論等方法的結合方式進行預測，并且調查實際情況，找出兩者差距，加以解決，提升橋梁線形控制的精準度[2]。

3.1 灰色系統理論及其應用

在上述公式中，發展系數主要利用a 進行表示，灰作用量主要利用b 表示。該模型為殘差模型，在進行預測分析時，要對預測值進行不斷的修正，可以將橋梁的實際動態情況進行反映。

該橋主要采用懸臂澆筑施工，并將橋梁各個階段的預拱度進行調整，可采用等維灰數遞補數據處理技術對灰色GM（1，1）模型進行改進，得出一個新值。在保證樣本序列維數不變的前提下，確保樣本數據中含有最新的數據信息，并且依據最新的數據建立GM（1，1）模型。采用這種方式不斷修正預測模型，提升預測值的精準度。

3.2 Kalman 濾波法及其應用

Kalman 濾波法能夠從繁雜的信號中，獲取所需要的真實信號，通過濾波的反映，將整個系統的真實狀態進行預測，進而實現對整個系統的有效控制。在該大橋施工中，可以作為狀態變量是橋左右兩臂的預拱度。可以用公式X (k)=φ( k,k-1)X(k -1)+W(k-1)表示橋梁預拱度已施工階段和待施工階段。

在上述公式中，可以將第k-1 階段預拱度和第k 階段預拱度之間的計算值進行對比，可以利用φ ( k ,k-1)加以表示。即 φ （ k, k-1)=X(k )/X(k-1)。

可以將預拱度的觀測方程設置為：Y（k）=X（k）+V（k）。

Kalman 濾波遞推公式如下：

其中，I=H（k）。由于橋梁測量誤差是隨機，實現預拱度的有效計算。

3.3 Kalman 濾波法與灰色理論法的結合

該橋梁通過上述公式進行預測后，灰色理論的預測結果誤差小于Kalman 預測結果誤差。但是Kalman 濾波法的濾波誤差較小，因此，可以選用Kalman 濾波法進行預測，從而使得最終的測量結果符合真實值。利用灰色理論進行預測從而確定該橋梁預拱度、標高及誤差，具體數據如表1 和表2 所示。從而將預測標高誤差和實際標高誤差縮小，最終確定橋梁的成橋形。

表1 不同方法預測的標高

表2 不同方法預測標高與立模標高誤差

Kalman 預測 0.005 0.028 0 0.040 0.030 灰色預測 0.015 0.018 0 -0.100 -0.037 濾波后灰色預測 -0.005 -0.002 0 0 0

4 應力監測與誤差分析

在橋梁施工中，施工過程會受到多種因素的影響，導致理論應力分析值和實測應力值是不盡相同的。要想保障該橋梁的工程質量，需對誤差進行合理的分析和及時處理，完成現場應力監控工作。其中可以將各類分為兩種誤差類型：造成系統誤差的因素主要有：混凝土收縮徐變量、元件測試精度等；造成隨機誤差的因素主要有：施工偏差、混凝土強度、溫度等[3]。

（一）混凝土收縮徐變影響在橋梁建設施工中，鋼筋和混凝土是兩種不同的施工原材料。且鋼筋和混凝土兩種原材料之間的物理力學性能是不相同的。而鋼筋混凝土作為一種組合材料，被廣泛的運用在建筑工程中。在持續應力作用下，并且隨著時間的推移，鋼筋混凝土組合材料中的混凝土會發生徐變。混凝土受到的影響因素眾多，導致其逐漸發生收縮現象，而鋼筋因為物理力學性能與混凝土之間有著差異性，使得鋼筋施工原材料不會發生混凝土的徐變現象。兩種施工原材料所受到的影響因素不一致，發生的變化也不一樣，鋼筋混凝土構件上的應力分布出現了不均勻的現象。隨著橋梁施工技術不斷發展，可以在橋梁的預定位置安排傳感器，傳感器能夠將所在點的變形變化量的總和加以反映。其中混凝土收縮、徐變量的大小可以影響到傳感器的讀數。在懸臂澆筑階段，主梁結構能夠自由收縮，但是混凝土收縮卻不會在主梁結構上產生應力，在主梁結構中埋下傳感器，其所感受到的混凝土收縮量并不真實，往往都是將混凝土的真實應力增加。在應力監測中為了避免由非應力變化所產生的誤差，可以采用盈利傳感器，獲得應力值與真實值十分相近。

（二）溫度影響。

在橋梁應力值的測試中，可以知道，橋梁應力值與溫度受到溫度的影響，溫度影響主要分為季節溫度的影響和日照溫度的影響，季節溫度為一年四季的溫度對橋梁應力值的影響，在這種溫度影響下，應力值的變化較為穩定，但是會產生附加的溫度應力。而日照溫度對卡量各個部位有著一定的影響，可在橋梁截面等部位形成溫度梯度，但是因為橋梁為靜結構，在理論上，不會產生溫度應力。但是在實際測量中存在著一定的差距，為了減少溫度應力，可以選擇氣溫變化度較小的早晨進行測量計算。

（三）混凝土強度影響。

該橋梁主梁的混凝土設計主要是按照50 號設計的，但是實際的測量強度與橋梁設計時的強度有著差距，這個差距對橋梁結構的受力有著一定的影響，因此在測量強度時，應充分提高混凝土的強度，減低誤差影響。

（四）施工偏差。

在橋梁工程施工中，會存在著施工偏差，這種偏差影響著應力測試偏差。元件埋沒位置存在偏差，影響到應力值的測試精準度，進而出現誤差。

5 結束語

綜上所述，在橋梁施工中要注重施工線形的控制，全面詳細的了解施工相關數據，為了保證線形達到預期要求，需要對混凝土進行控制，不斷調整，最終確定橋梁的施工順利。而灰色理論的標高預測結果與真實值有著很大的接近，而Kalman 濾波法可以濾波預拱度的值，利用Kalman 濾波法、灰色理論等方法實現應力施工監控，進而提升橋梁施工質量。而且要對施工過程中的影響因素進行控制，降低應力測量值的誤差予以計算。