大跨连续梁桥悬臂施工过程控制机理研究

张望 冯磊

(1.辽宁彰武县工程质量监督站，辽宁阜新 123000;2.辽宁阜新第二建筑工程公司，辽宁阜新 123000)

伴随着预应力混凝土理论研究的发展、完善和成熟，预应力混凝土施工技术广泛应用于建造大跨度混凝土桥梁，其中以预应力混凝土连续刚构桥、预应力混凝土连续桥梁和预应力混凝土斜拉桥这三种桥梁形式发展最快［1-4］。目前大跨度的预应力桥梁的主要施工建造方法［6-9］为分段悬臂浇筑法:在完成桥梁墩柱结构的施工工作后，需要开始在桥墩顶部浇筑混凝土直到桥身合龙，施工过程中需要对预应力钢索进行分批张拉，不断强化整个桥梁结构体系的转换、合龙工作。但是由于混凝土材料自身物理力学性质的限制，再加上外界环境因素的影响，以及桥梁结构的不同梁节段的混凝土外界荷载的影响，会导致桥梁结构内力和位移远远高于设计预算值。所以有必要对大跨度预应力混凝土连续箱形梁桥的施工过程进行控制，以保证桥梁的外形与设计保持一致。

1 基于自适应原理的桥梁结构线形控制理论

对于大跨径桥梁结构的施工监控主要分为两种方法:1)基于灰色理论和Kalman滤波法的纠偏终点控制的方法，即在桥梁结构的施工过程中随时对桥梁线形出现偏差的因素进行分析探讨，并及时跟踪控制与纠偏;2)基于现代控制理论中的桥梁结构自适应控制方法，即在桥梁结构的施工过程中，对于可能引起桥梁结构出现偏差的因素(如混凝土的弹性模量、桥梁结构的截面几何特性、混凝土材料容重以及收缩徐变等)进行及时的分辨识别，将各个因素对于桥梁结构的影响进行及时分析计算，最大限度的保证桥梁结构施工过程中所选取的模型参数的取值与实际施工过程相吻合，最大限度的降低桥梁模型参数的误差影响。

基于自适应控制理论，在充分考虑桥梁结构几何线性控制的基础上，建立桥梁结构各个梁段的立模标高。

桥梁结构中箱梁的立模标高由式(1)确定:

桥梁结构施工过程中混凝土材料由于受到温度应力、收缩徐变以及外界不可预测因素的影响，导致理论分析计算结果与施工实际情况差别较大，所以对基于自适应原理的模型计算公式需要进行合理的修正:

2 桥梁结构线性控制的关键参数的选取确定控制

在几何线形控制理论中，桥梁结构重点控制的参数为:1)桥梁的预拱度;2)桥梁的预抛高;3)桥梁的挂篮变形。

2.1 桥梁的预拱度

桥梁的预拱度是为了控制桥梁结构在荷载作用下的挠度，在施工过程中预留的与桥梁位移相反方向的预拱值;对于预应力混凝土连续梁桥而言，控制预拱度计算模型非常重要，在施工过程中影响桥梁结构挠度的因素主要有:桥梁自重、混凝土材料的收缩徐变、预应力张拉作用、施工过程中的各种临时荷载(如机械设备的自重、泵送混凝土的冲击荷载、人群荷载)等，以上各种因素对混凝土连续梁桥悬臂施工中预拱度的计算影响巨大。

2.2 桥梁的预抛高

预抛高是悬臂施工中的一个重要参数。预应力混凝土连续梁桥在长期徐变作用下使跨中挠度增大，如果长期徐变计算分析不准，跨中预抛高值设置不当，运行一两年后，跨中线形会明显下垂;国内不少连续刚构桥建成不久后就出现塌腰的现象。所以控制桥梁的预抛高就显得尤为重要。

2.3 桥梁的挂篮变形

挂篮属于桥梁结构施工过程的临时结构，而且多为后支点结构，所以可以视为简支梁结构进行计算。在外力荷载的作用下挂篮变形主要以弹性变形、塑性变形为主，尤其是由挂篮支座连接处的不合理所造成的塑性变形难以控制。为了保证挂篮的安全使用，必须对挂篮结构的安全性进行实时监控，所以一般在使用前都要先对其进行预加载使用，最大限度的保证挂篮结构的受力性能和安全，同时也可以通过预加载试验来合理消除挂篮结构的塑性变形，最大限度保证挂篮在桥梁结构的安全使用。此外由于预应力时间效应、瞬时效应、松弛效应的影响，预应力桥梁容易产生徐变现象，所以合理控制预应力桥梁的徐变也是控制桥梁结构变形的关键因素。

3 工程案例分析

吴忠黄河公路大桥为现浇预应力混凝土连续箱桥梁，其跨度为570 m，上部结构为截面形式变化的连续箱梁，分为4种形式的梁段;下部结构为重力式的钢筋混凝土重桥墩，采用桩基础，如图1所示。吴忠黄河公路大桥的预应力体系采用的是三向预应力体系的箱梁结构，对于纵向预应力钢束主要以平、竖、弯多种形式相结合的方式进行布置，两端张拉的方式主要应用于桥梁的中跨，而边跨多采用的是单端张拉的方式。一般在顶板布置较多的是横向预应力钢束，并且采用单端张拉的方式进行张拉。而对于腹板的竖向预应力钢束采用的是直线形式进行布置，并且在桥梁结构的箱梁顶面进行张拉。

图1 吴忠黄河公路特大桥主桥布置（单位：cm）

3.1 基于几何线形控制桥梁结构的计算分析研究

为了保证桥梁结构施工过程中的安全性，采用国家交通运输部公路交通科技研究所开发的Bridge SB软件对吴忠黄河公路大桥进行施工全过程的模拟分析，其成桥状态的结构计算如图2所示。

图2 吴忠黄河公路大桥主桥结构计算图

根据设计院的设计图纸以及基于几何线形控制原理，综合考虑桥梁的结构状态、施工工况、偶然荷载、长期荷载等各种工况，将吴忠黄河公路大桥主桥结构分为180个有限元分析单元，在统筹分析施工过程、荷载工况等各种施工信息的基础上，进行分析计算，然后计算分析整个施工工程中桥梁结构各个施工阶段的内力和位移，同时将计算模型与计算结果导入有限元分析软件Bridge Monitor中，根据试验确定的挂篮变形，来分析确定各个施工过程中桥梁结构的预抛高值及立模标高。

3.2 桥梁预拱度曲线的确定

根据桥梁施工过程的具体问题，将有限元分析模型共划分为三个阶段:1)边跨合龙;2)次中跨合龙;3)中跨合龙。在有限元分析过程中，结合实际施工情况将悬臂施工阶段划分为13个步骤，其中每个施工步骤分为7 d。对于桥梁结构的二期施工过程中需要考虑恒载的影响，恒载主要由两侧防撞栏杆、桥面铺装以及收缩徐变组成。通过数值计算分析后，吴忠黄河公路大桥的预拱度曲线如图3所示。

图3 吴忠黄河公路大桥主桥预拱度曲线

3.3 桥梁预抛高的确定

图4 吴忠黄河公路大桥主桥预抛高曲线

吴忠黄河公路大桥的桥梁预抛高值需要考虑中跨跨中的跨度(按L/1 000考虑)，取10 cm，边跨2.75 cm;其他各点进行数值计算分析拟合。最终拟合曲线如图4所示。

3.4 计算值与实测值的对比

用Bridge Montior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10号墩的测量数据和理论数据对比，如表1所示。

表1 桥梁10号墩底板理论计算和实测数据 m

由表1可知:实测数据和理论数据吻合的比较好。

4 结语

基于自适应控制原理的预应力大跨度桥梁施工工艺监测，可以有效的控制桥梁施工过程中各种不确定的模糊因素。通过对桥梁施工工艺监测，可以为桥梁施工过程的各个施工阶段提供相对可靠的测量数据，为施工过程提供参考依据，同时为类似的桥梁施工建设提供借鉴意义。

［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］张谢东，石明强，蔡素军，等.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.

［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.