混凝土连续梁桥悬浇施工控制方法研究

孙永明, 荣学亮, 何晓东

(1. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090； 2. 石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄050043； 3. 黑龙江省公路工程监理咨询公司，黑龙江 哈尔滨 150090)



混凝土连续梁桥悬浇施工控制方法研究

孙永明1, 荣学亮2, 何晓东3

(1. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090； 2. 石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄050043； 3. 黑龙江省公路工程监理咨询公司，黑龙江 哈尔滨 150090)

对大跨预应力混凝土连续梁桥施工控制理论和方法进行了总结与评价，指出参数识别和状态预测均是大跨混凝土连续梁桥自适应施工控制系统内必不可少的功能。以主梁各悬浇梁段高程的理论计算值和实测值建立高程偏差反馈方程，并将其分为测量偏差、参数偏差和系统偏差三大部分；通过引入参数修正系数向量，实现对结构刚度、梁段自重、挂篮刚度、预应力效应和混凝土收缩徐变等参数的实时修正。以移动挂篮阶段的高程反馈偏差计算结构刚度修正系数，以浇注梁段阶段的高程反馈偏差计算主梁自重修正系数和挂篮刚度修正系数，以张拉预应力阶段的高程反馈偏差计算预应力修正系数，再根据各梁段在浇注过程的反馈偏差总值计算梁段系统偏差。基于灰色预测理论的GM(1,1)和修正GM(1,1)模型分别对待浇梁段的参数修正系数和系统偏差进行预测，获得了待浇梁段的立模标高。工程算例验证表明：随着悬浇梁段的增多、样本数量不断增大，提出的参数识别方法和计算公式能够较为迅速、准确地识别出各参数的真实值，而基于灰色理论的预测值也能够较为稳定的围绕在真值附近。

桥梁工程；混凝土连续梁；施工控制；参数识别；状态预测

大跨径预应力混凝土连续梁桥一般采用挂篮平衡悬浇施工方法，其主梁各梁段高程会随着施工不断发生变化，而且该变化是不可逆的，因此主梁施工预抛高和立模标高也就成为连续梁桥设计和施工的关键问题之一，而线形控制和高程预测也就成为预应力混凝土连续梁桥施工控制的主要内容和核心问题[1-3]。

目前，用于分析混凝土连续梁桥施工控制的理论和方法是将整个施工过程比拟成为一个带有噪音的平稳随机过程，应用控制理论、随机过程理论和概率与数理统计论，解决连续梁桥悬浇施工过程中的梁段高程偏差和预测问题。而现有连续梁施工控制方法仍不能全面、合理地处理系统内“参数识别”和“状态预测”两大问题，如基于灰色理论的连续梁施工控制系统，它只是应用偏差对高程进行状态预测，不具备参数识别功能，无法对计算模型和状态转移矩阵进行更新。而在这种控制系统内，一旦计算参数发生较大的偏差，或参数对状态目标量影响方向改变时，势必造成预测值偏离真实值。因此，必须要对各梁段高程偏差进行分析处理，建立能够综合考虑参数识别和状态预测的连续梁自适应施工控制系统[4-5]。

1 连续梁施工控制理论和方法

1.1 主梁高程控制系统方程

以主梁标高为控制内容，建立预应力混凝土连续梁桥各梁段立模标高计算方程：

(1)

建立连续梁各梁段在各施工阶段下的高程增量反馈偏差：

(2)

对于现代大跨预应力混凝土连续梁桥，必须要在施工过程中对各梁段的高程变化反馈偏差值进行分析处理，并对后续浇筑梁段的立模标高值进行预测调整。建立梁段高程预测方程：

(3)

1.2 主梁高程变化反馈偏差分析

分析反馈偏差δ包含测量偏差δm、参数偏差δp和系统偏差δs等3种偏差成分。测量偏差δm可采取多样本取平均值的方法进行处理；参数偏差δp可通过参数识别的方法进行解决；而系统偏差δs一般可采用设定阀值ε的方法进行控制。

(4)

2 参数修正系数和系统偏差计算

2.1 参数修正系数向量分析

悬浇施工的混凝土连续梁桥每个梁段都要历经“移动挂篮”、“浇筑混凝土”和“张拉预应力”等3个工况才能施工完毕，分别以k=1，2，3来表示。设连续梁共有w个悬浇梁段，已悬浇施工完成n个梁段，准备预测第n+1个梁段的立模标高。分析施工第n梁段的高程变形数据。

(5)

(6)

(7)

(8)

大跨连续梁桥悬浇施工具有以下特点：①悬臂浇筑的梁段数量一般不会超过30个，而且还要对旧数据和无效数据进行剔除，因此在整个过程中可供进行参数修正向量使用的有效样本数量不多;②理论模型参数不会偏离结构实际参数较大，即参数修正系数是在1附近波动的平稳数据。综合上述两条，大跨连续梁桥悬浇施工实质是一个少样本、贫信息的平稳随机过程，而这一特点恰好吻合了灰色系统理论的适用要求，具体可采用GM(1,1)模型进行预测分析[10]。

2.2 系统偏差δs分析

系统偏差是由于系统内多种因素耦合作用而产生偏差值，其一般不具有明确的指向性和累积性，因此考虑对一个悬浇梁段内的3个工况的反馈偏差总值进行分析：

(9)

3 连续梁自适应施工控制系统

如图1，连续梁自适应施工控制系统由四大部分组成：首先根据理论模型计算主梁各个施工阶段的高程计算变形值；然后是对已浇筑梁段高程值的处理，基于阶段反馈偏差计算参数修正系数，基于阶段反馈偏差总值计算系统偏差；关键是预测理论和预测模型，应用灰色系统理论预测待浇筑梁段的参数修正系数值和系统偏差值；最后是将已获得的各项数值代入主梁立模标高预测方程，获得待浇筑梁段的立模标高值。

图1 大跨连系梁桥悬浇施工控制系统

在具体进行大跨预应力混凝土连续梁桥施工控制时应注意以下3点：

1)由于实测样本数量较少的限制，初始几个悬浇梁段一般无法进行参数识别和偏差预测，其立模标高只能按照理论计算值进行施工。

2)随着悬浇梁段的增多、样本数量不断增加，应对样本数据进行新陈代谢处理，剔除较早浇筑梁段的数据，始终基于最新浇筑的4～5个梁段的数据进行参数修正系数分析和系统偏差预测。

3)如果连续两个以上梁段的参数修正系数均超出容许限值时，应考虑调整理论参数，重新计算各梁段在各个施工阶段下的高程变形值；使用更新后的数据预测待浇筑梁段的立模标高值。

4 工程算例分析

4.1 工程简介和实测数据

三跨全预应力混凝土连续相梁桥(41 m+65 m+41 m=147 m)如图2，采用挂篮平衡悬浇施工方法，中跨共有6个悬浇块段。计算各梁段在各施工阶段下理论变形值，如表1。

图2 嫩江大桥立面(单位：m)

表1 各梁段理论变形值

构造各梁段在各施工阶段下的实测变形值，具体构造方法如下：对结构刚度、梁段自重、挂篮刚度和预应力效应进行调整，并考虑对主梁在各施工阶段高程变形值施加一定的系统偏差(表2)，计算各梁段在各施工阶段下的实测变形值，见表3。

表2 结构参数性质调整

表3 各梁段实测变形值

4.2 梁段立模标高预测分析

设主梁已悬浇施工完成5个梁段，准备悬浇施工第6 # 梁段。

1)基于式(5)～式(8)计算第5 # 梁段的各参数修正系数值(表4)。

表4 各梁段计算修正系数

由表4可见，实测数据虽然存在±10%的系统偏差，但随着悬浇梁段的增加、识别样本数量的不断增多，从4 # 梁段以后、各参数修正系数已能较好的逼近真实值。

2)应用灰色理论中的GM(1,1)模型和修正GM(1,1)模型分别对6 # 梁段的参数修正系数和阶段系统偏差进行预测。

设X为原始序列，共有n个元素；X1为X的1-AGO序列，Z为X1的紧邻均值序列；a，b为计算参数，则在GM(1,1)模型下，与X对应的最优估计值为：

(10)

以1～5 # 梁段的计算刚度修正系数作为原始序列，应用式(10)预测6 # 梁段的刚度修正系数：

0.009 82×94.718×1.05=0.977

同理，预测6 # 梁段的各参数修正系数和系统偏差值，详见表5。

表5 6 # 梁段参数修正系数和系统偏差预测值

由表5可见，应用灰色理论GM(1,1)模型预测的参数修正系数仍能稳定在真实值附近。

3)将表5所列6 # 梁段各参数修正系数和系统偏差预测值代入式(4)中，得悬浇6 # 梁段的预测变形值(表6)：

表6 6 # 梁段高程变形值对比

由表6可见，当理论计算值与实测值存在较大偏差时，应用预测修正参数系数获得的预测变形值仍能较好的逼近实测值。

将表5所列各项参数修正系数和系统偏差预测值带入式(4)中，即可获得6 # 梁段立模标高值。

5 结 论

提出了现代大跨连续梁桥自适应施工控制系统必须同时具备“参数识别”和“状态预测”两大功能的基本要求，细化分析主梁悬浇施工过程，基于梁段在不同施工工况下的高程偏差值，分别对结构刚度、主梁自重、挂篮刚度、预应力效应及混凝土收缩徐变等参数进行识别修正，并以标准梁段内的总偏差值计算的结构系统偏差值，最后基于已获得的参数修正系数和系统偏差值建立样本空间，应用灰色系统理论对，待浇梁段的高程变形值进行预测，实现了对主梁高程的自适应控制。主要获得以下几点结论：

1)主梁在初始几个悬浇梁段内，由于样本数量较少，各参数修正系数的识别值可能偏离真实值较远；但随着主梁悬浇梁段的增加，样本数量的增大，各参数修正系数均能较好的逼近真实值。

2)应用灰色理论的GM(1,1)模型和修正GM(1,1)模型分别对，待浇梁段的各参数修正系数和系统偏差值进行预测，各预测值均能够稳定地围绕在真实值附近。

3)和理论计算值相比，经参数修正系数处理后的变形预测值能够更好的接近真实值，再经系统偏差作用后的立模标高，能够更准确的反映梁段实际变形情况。

明确给出了结构刚度、主梁自重、挂篮刚度和预应力效应等参数的识别公式，并通过算例说明了具体计算方法。但由于混凝土收缩徐变是一种长期累计效应，不仅很难在实际结构中对其真实值进行采集，而且就混凝土在变应力作用下的徐变规律还有待进一步研究，所以笔者也只是提出了关于混凝土收缩徐变修正系数的概念，未能给出其具体的识别公式或方法。

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Control Method of Concrete Continuous Bridge by Cantilever Casting Construction

Sun Yongming1, Rong Xueliang2, He Xiaodong3

(1. School of Transportation Science & Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China;2. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China;3. Heilongjiang Provincial Highway Engineering Consulting Corporation, Harbin 150090, Heilongjiang, China)

Construction control theory and method of long-span prestressed concrete continuous beam bridge were summarized and estimated, and both of parameter identification and state pre-forest were necessary functions in the self-adaptive construction control system of long-span prestressed concrete continuous beam bridge. The deviation feedback equations were set up by theoretical calculation elevations and measured elevations of every cantilever segments, and the feedback deviations were divided into three parts, including measuring deviation, parameter deviation and system deviation. By introducing the vector of the parameter correction coefficient, the parameters of the beam segment weight, the hanging basket stiffness, the prestressing effects and shrinkage and creep of concrete could be corrected at real time. The correction coefficient of beam stiffness was calculated by the elevation deviation of moving hanging baskets, the correction coefficients of beam weight and hanging-basket stiffness were calculated by the elevation deviation of pouring concrete. The correction coefficient of prestressed effects was calculated by the elevation deviation of tensioning prestressed strands,and the system deviations were calculated by the total deviation of constructing one segment. Finally, every parameter correction coefficients and system deviations of next segment were predicted by the modes of GM (1, 1) and CGM (1, 1) based on gray prediction theory; moreover, the formwork erection elevation of the awaiting constructed beam segment was gained. Tested by the engineering example, with the cantilever segments increased, the total number of samples constantly was increased. The methods and formulas of parameter identification were proposed, which could rapidly and accurately identify the true values of every parameters, and predictive values based on gray prediction theory could be relatively stable near the true values.

bridge engineering; concrete continuous beam; construction control; parameter identification; state prediction

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.05

2014-06-18；

2014-10-31

国家青年科学基金项目(51308156); 博士后面上项目(2012M510969);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(HIT.NSRIF.2014077)

孙永明(1981—)，男，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，主要从事混凝土桥梁安全评定、结构有限元分析原理和桥梁施工控制理论方面的研究。E-mail：sunym@hit.edu.cn。

U445.4

A

1674-0696(2015)04-028-06