连续刚构桥悬臂施工过程几何控制机理研究

杨椿健

随着预应力混凝土工艺的不断完善,采用挂篮悬臂浇筑梁节段混凝土来建造大跨径混凝土桥,实现无支架而靠自身结构进行施工的先进方法,使得预应力混凝土连续桥梁、连续刚构桥和混凝土斜拉桥得到较大发展[1-4]。分段悬臂浇筑法是目前国内外大跨径预应力混凝土桥梁的主要施工方法[6,7],当桥梁墩柱结构施工完成后,从桥墩顶部浇筑 0号块开始至全桥合龙,其间经历逐段立模浇筑混凝土梁节段,分批张拉预应力钢索和合龙等众多施工工艺,在整个施工过程中,由于混凝土材料的非匀质性、混凝土的收缩和徐变、大气温度、温差的影响,加之各梁节段混凝土加载龄期不同的影响,会造成各梁节段的内力和位移随着混凝土浇筑过程而偏离预计值。因此,在梁的整个悬臂浇筑过程中必须进行施工控制,以保证成桥的梁线形与设计一致。

1 基于自适应控制原理的几何线形控制理论分析

目前在国内对于大跨径桥梁的上部结构线形施工监控监测,一般有两种方法。方法一:采用纠偏终点控制的方法,即在施工过程中,对产生主梁线形偏差的因素跟踪控制,随时纠偏,最终达到理想线形,这种方法常用 Kalman滤波法和灰色理论等。方法二:应用现代控制理论中的自适应控制方法,所谓的自适应控制法又称参数识别修正法,就是在重复性很高的分段施工特别是悬臂[5]施工中,将可能引起结构状态误差的参数,例如截面几何特性、材料容重、弹性模量、混凝土收缩徐变等参数作为未知变量,在各个施工阶段中进行实时识别,并将识别结果用于下一个阶段的实时机构分析,如此循环经过若干个施工阶段的计算可以使模型参数的取值和实际情况相吻合,从而主动降低模型的参数误差。下面就采用自适应控制方法,考虑影响桥梁线形控制的多种因素推导各梁段的立模标高。箱梁各节段理论立模标高一般按下式确定:

考虑到混凝土结构的温度、收缩徐变和非线性等因素影响,实际情况和理论计算不可能一致,因此对理论立模标高要不断修正。箱梁实际立模标高的计算公式可修正为:

2 几何线形控制中关键参数的确定

自几何线形控制中,预拱度、预抛高和挂篮变形需要重点考虑的几个因素。预拱度指的是为抵消荷载在结构作用下产生的挠度,而在施工中预留与位移方向相反的值。预抛高是悬臂施工中的一个重要参数。目前国内一般做法是:各跨跨中预抛高值由设计单位根据计算结果给出,然后按二次抛物线过渡,并叠加到设计线形上,最终形成预抛高曲线。挂篮是施工过程中的临时结构,由于是后支点挂篮,对于整个桥梁结构的受力来说,相当于简支结构,所以挂篮的受力变形将单独考虑,挂篮变形主要包括弹性变形和非弹性变形,其中非弹性变形相对难以控制,主要是由挂篮支座误差和连接处变形所产生的。此外,预应力瞬时效应和时间效应。预应力本身的松弛,梁底面在高应力状态下的徐变,对长期应力有影响。内力增加,在静定结构中,一般考虑截面应力的分布,混凝土的收缩对预应力也会产生影响,从而影响梁体的位移。温度的影响体现在数据的观测和立模标高时产生的误差。

3 工程实例分析

船岭岽特大桥位于厦门—昆明国家重点公路干线福建省龙岩—长汀(闽赣界)高速公路A 16合同段内,是一座预应力混凝土连续刚构桥。主桥型布置为(85+155+85)m预应力混凝土连续刚构。主桥采用单箱单室变截面连续刚构箱梁。中间支点处梁高 9m,边跨直线段及主跨跨中处梁高 3.5m,梁高变化段梁底曲线采用二次抛物线。箱梁横坡由腹板高度调节,底板保持水平。主桥箱梁采用双向预应力体系。

3.1 几何线形控制的计算分析

在对特大桥各施工阶段实施控制时,先采用公路交通部公路科学研究所自主研发的Bridge SB对其进行各施工阶段的模拟。

依据设计参数和控制参数,结合桥梁结构的结构状态、施工工况、施工荷载、二期恒载、活载等实际情况将桥离散成 145个单元,经过施工分析和荷载分析,输入总体信息、施工信息和运营信息进行计算,输出计算结果,从而获得结构按施工阶段进行的每阶段的内力和位移,然后将计算模型导入Bridge monitor中,按照实验确定好的挂篮变形等,进而计算各施工阶段的预抛高值及立模标高。

3.2 预拱度曲线的确定

依据桥梁施工的具体过程,模型的分析过程共划分为:悬臂浇筑阶段、施工合龙段和施加二期恒载。其中悬臂施工阶段共划分为 20个施工步骤(即每个施工阶段为一个施工步骤),每个施工阶段按 7 d考虑;合龙段施工分为三个阶段:先边跨合龙,最后是中跨合龙;二期恒载主要考虑了 6cm防水混凝土、9cm沥青混凝土、两侧防撞栏杆、10年的收缩徐变。经过计算机数值模拟分析计算,得到预拱度曲线。

3.3 预抛高的确定

船岭岽特大桥预抛高值的确定为:跨中设 13cm、边跨设 1cm预抛高值,然后用二次抛物线拟合。叠加上面求出来的预拱度曲线得到最终预拱度曲线。

3.4 计算值与实测值的对比

用 Bridgemonitor软件得出的最终曲线指导大桥的立模标高,经过三阶段的测量数据对比,得出的数据曲线和理论曲线相吻合。下面就 2号墩最大悬臂的测量数据和理论数据进行对比,如表1所示。

表1 2号墩底板理论和实测数据对比 m

由表1可知:实测数据和理论数据吻合的比较好,成桥线形、高程均符合设计要求。

4 结语

预应力大跨径桥梁的施工工艺复杂,施工过程中许多难以预料和估计的因素可能导致桥梁线形控制不合理,导致桥梁难以合龙以及成桥线形的美观,本文的桥梁施工阶段的线形监控,可为桥梁施工的各个阶段提供准确可靠的测量数据,以保证施工工程质量和美观,并可为同类的桥梁提供参考价值。

[1] 范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,1988.

[4] 雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计[M].北京:人民交通出版社,2000.

[5] 张继尧,王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7] 钢构—连续组合梁桥监测监控技术研究[J].公路工程,2008,33(4):137-144.