连续刚构桥的施工监控技术研究

黄 瑜

(上海市机械施工集团有限公司，中国 上海 200072)

0 概述

随着我国路桥交通行业的发展，对桥梁的性能要求不断提高。连续刚构桥凭借其自身优势受到人们关注。连续刚构桥采用预应力混凝土结构，既具有T 形刚构的优点，也具有连续梁桥的优点。它不仅具有较强的跨越能力，而且由于其本身的结构优势，使得施工起来并不复杂，在众多的桥梁施工中，连续刚构桥的投资成本相对较低，也能适应在复杂地理环境的情况下进行施工。数据显示，连续刚构桥近年来在我国高等级的公路桥梁施工中得到了较广泛的应用。桥梁施工监控技术是指在研究现代桥梁施工理论的基础上，结合应用软件，根据桥梁的实际参数建立施工模型，对施工的各个阶段进行模拟仿真，参考得到的仿真结果对桥梁施工进行具体管理。

1 连续刚构桥的产生发展及受力特点

在上世纪中期，前联邦德国第一次使用预应力混凝土技术建成T型刚构桥，它不再采用T 型钢构的笨重的大桥墩，取代以空心薄壁式轻便型桥墩。同时，它将边孔做成连续的，而中间的空洞则使用剪刀铰。在后来的多年中，多国采用该技术建设大桥，比较著名的有Bendorf 大桥、浦户大桥、滨名大桥等等。然而，随后的发展使人们发现，T 型刚构存在一些问题，从结构而言，它采用剪刀铰的方式构造复杂，使施工难度加大，因此成本造价非常高昂。另外，由于混凝土结构会受到早晚温差影响，剪刀铰在梁上会出现附加的应力，整体结构的应力也会受到影响，因此在铰的连接处容易出现裂痕，倘若在设计时桥的拱度设置不当，就可能在桥坡上出现折线或者纵段面出现起伏不平。所有这些弊端迫使人们对混凝土技术T 型刚构桥进行改进。在上世纪末期产生了预应力的连续桥梁，连续桥梁在施工中要求对桥墩临时固结，并且要设置大吨位的支座，因此桥梁制造成本高昂，养护费用也不低。在后来的十年间，人们发现了基于预应力的连续刚构桥。连续刚构桥结合了T 型刚构桥和连续梁桥共同的优点，是桥墩固结的连续梁桥，采用预应力混凝土的结构。通常体系布置为对称形式，悬臂浇筑或拼装的方式使桥随桥墩高度增加的时候，对上部结构的作用力减少。因此整体的施工效果较好。

2 连续刚构桥施工监控研究

国外在施工监控方面的研究较早，在上世纪80年代，在修建连续刚构桥时，运用计算机进行结构分析，利用分析结果现场指导施工，获得了较好的效果。在后来，日本成功研制了第一款分析连续刚构桥施工监控系统的计算机系统，该系统包括测量数据采集、精度控制运算和数据分析三部分，能完成现场数据的自动测试、分析运算和控制结果的仿真输出。该系统曾在多个大桥的施工过程中得到应用，也取得了较好的效果。目前，国外在连续刚构桥施工监控方面的研究主要基于计算机软件开发。在我国，这方面的研究较晚，最初在武汉第一长江大桥的修建中，采用施工监测的技术对标高和应力进行调整，取得了一定的效果。直到上世纪90年代后期，施工监控才真正运用到大跨度桥梁施工中，因此我国在该领域的研究与发达国家还存在差距。

在连续钢构桥的施工中，很多不确定因素会对桥梁施工产生影响，这包括应用材料的性能情况，理论标注参数与实际参数的误差水平，施工中温度湿度等环境因素的实时变化等等。连续刚构桥采用悬臂浇注方式可以大幅促进大跨度桥梁的建设，但这个施工过程是一个连续系统，前期施工与后期施工会产生影响，有些在前期施工中产生的不足是无法在后续施工中进行弥补的。因此，在整个施工过程中，每一个环节都需要进行施工监测，并实时地对施工方案进行评估，确定方案的可行性与各个控制参数的选取，保证施工应力符合设计要求，确保施工质量。

3 连续刚构桥施工监控的内容

桥梁施工监测方案取决于桥梁的类型，一般而言，连续刚构桥的施工监控有以下几个部分。

3.1 结构挠度

在施工中，混凝土收缩、预应力、施工荷载等因素的综合影响容易导致桥梁绕度产生变化，桥梁结构的标高与理论计算产生差异，影响桥梁的美观与承载力。因此，连续刚构桥的结构绕度需要实时监控。只有在监控的实际标高与理论值偏差范围在合理值时，才能实现成桥绕度和线形符合标准。

3.2 应变应力控制

如果连续钢结构的实际应力水平与理论值差别太大，桥梁结构会存在极大风险。然而，预应力的问题在外观上不容易发现，因此需要通过桥梁监控来完成实时控制。监控人员可以连续监测桥梁的应力情况，将测得值与计算机计算值进行比较，如果误差不满足施工要求，需要及时检查问题所在。

3.3 稳定性控制

连续刚构桥的稳定性在桥梁施工与使用中是非常重要的，虽然目前国内的学者有通过有限元分析来计算桥梁的稳定性，但仍然没有十分成熟的理论和监控技术来完成稳定性控制。连续刚构桥的稳定性系数具有不足处，并不能区别不同工况下的情形。现在这种稳定性计算一般利用轴心受压计算公式。

4 连续刚构桥施工监控方法

4.1 施工监控方法

连续刚构桥进过多年发展，现在已经取得了很多成果。目前主要使用的方法有两种，分别是纠偏终点控制法和自适应控制法。纠偏终点控制法也称为事后控制法，它是在实时监测数据之后，对比监测数据与理论数据，实时对偏差进行调整以取到控制的目的。这种方法计算量大，控制效果一般。自适应控制法师目前使用较多的一种方法，它采用对模型参数，特别是应力及结构线形绕度等重要参量进行修正识别，从而达到控制目的。

4.2 施工监控误差调整方法

理论值与实测值通常是不可能完全吻合的，对于这种误差的调整方法，一般有三种，分别是卡尔曼(Kalman)滤波法、灰色理论法和最小二乘法。下面分别对这三种方法进行介绍。

4.2.1 卡尔曼(Kalman)滤波法

卡尔曼滤波法是1960年Kalman 教授首先提出的。它具有较强的适用性，算法灵活，对非线性系统同样有效。因此得到了较广泛的应用。将卡尔曼(Kalman)滤波应用到桥梁施工监控的方法是：以悬臂浇筑桥梁和预拱度值作为状态变量，施工阶段为k，可以列写状态方程：

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)

其递推公式可以列为：

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

预测算法：X(k/k-1)=Ф(k,k-1)X(k-l/k-l)

滤波增益：K(k)-p(k/k-1)[p(k/k-1)+R(k)]-1

滤波误差协方差：p(k/k)=[I-K(k)]p(k/k-l)

预测误差协方差：p(k/k-l)=Ф(k,k-l)p(k/k-l)ФT(k,k-1)Q(k-l)

在初值问题上，由于0 号块在一般情况下的误差很小，近似取值X(0/0)=X0=0，Ф(k,k-l)的值由原定的理想状态给定，另外，还需要已知R(k)和Q(k-l)的值才可以确定解值。

4.2.2 灰色预测控制系统

灰色模型是近年非常受学者欢迎的一种算法，在桥梁施工监控研究中，通过建立灰色模型体系，可以预测系统未来的发展变化。在连续刚构桥的施工中，设有各个阶段预拱度的理论计算值为：

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

相应X 的实测值为：

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

根据X、Y 可以建立方程式：

δ=(δ(1),δ(2),,,δ(n))

δ(k)=X(k)一Y(k)+c

只要根据δ，X(0),求出Z（1），再根据Z（1）建立灰色模型，确定参数值x(l),再求得x(0)值减去c 即可得到误差估计值，从而求得预拱度计算公式。

4.2.3 最小二乘法理论

十九世纪七十年代中期，K.EGausS 提出最小二乘算法，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳匹配函数。利用最小二乘法可以简便地求出数据，使数据与实际数据之间误差的平方和最小。最小二乘法在连续刚构桥的施工监测中具有较好的效果，尤其在修正参数误差方面得到了较好的运用。

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