高墩大跨径连续刚构桥施工控制理论研究

摘要：高墩大跨径连续刚构桥施工过程中，受到许多不确定因素的影响，施工监控是桥梁建设质量和安全的保证。本文对高墩大跨径连续刚构桥施工控制理论进行了较全面的总结，讨论了施工控制系統的基本构成，详细介绍了施工监控的内容，对桥梁施工控制常用的方法进行了讨论，分析了高墩大跨度连续刚构桥梁施工过程模拟方法，比较了各种方法的特点以及优缺点，阐述了施工控制的主要影响因素。本文研究内容可为实际工程的施工控制提供理论基础和技术参考。

关键词：连续刚构桥；施工监控；控制方法；影响因素

高墩大跨径连续刚构桥梁常采用悬臂施工法，最终形成需经历复杂施工过程及结构体系转换过程。施工过程各个阶段都受各种因素的随机影响，这些因素有环境温度、施工荷载、结构自重、混凝土收缩徐变、弹性模量等。施工中不可避免的会出现实际结构状况和设计状况的偏差，特别是采用悬臂施工法的大跨度连续桥梁，不合理的施工误差如不能及时识别和处理，主梁应力可能累计而超出设计安全状态发生施工事故。如何消除和修正这些偏差，确保施工过程中桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，保证施工状态和成桥状态符合设计要求，这些都是通过合理的施工监控来保证的。施工监控的目的就是确保施工过程中结构的安全，保证桥梁成桥线型和受力状态符合设计要求[1]。

1高墩大跨度连续刚构桥梁施工控制系统的基本构成

1.1施工控制的特点

悬臂施工是大跨度连续刚构桥常采用的施工方法，其施工控制的特点为：主要目标是线形控制；其控制误差不可逆。己施工梁段的残余误差可通过对未施工梁段立模标高来调整，若残余误差较大，则需经过调整几个梁段才可完成[2]。

1.2施工控制系统的构成

根据自适应控制理论，高墩大跨度连续刚构桥进行施工控制组成有：跟踪测试和测量、数据采集及整理分析、结构分析及反馈。施工控制流程如图1所示。

测试主要工作是通过在结构控制截面预埋测试设备读取各施工阶段数据。通过对试验数据、温度以及结构设计参数的采集分析，取得对结构分析有用的变形、应力数据。结构分析与反馈的主要工作是对采集的数据进行精度判断、误差分析，对结构计算参数进行调整，提出下一施工阶段的立模标高和施工指导建议。

图1连续刚构桥梁施工控制流程

2高墩大跨度连续刚构桥梁施工监控的内容

2.1主梁线形控制

结构在施工过程中会发生变形，对于大跨度桥梁而言，由于施工阶段多，施工误差的随机性等诸多因素影响。线形控制的目的是保证桥梁结构在施工成桥能满足规范的要求且符合设计图纸。线形控制分平面线形控制和高程控制两方面。平面线形控制主要是控制桥梁的轴线，使其在平面上符合设计要求或规范要求。对于轴线为直线的梁桥，平面线形控制是较容易的，而对于弯梁桥，则必须进行结构分析；主梁高程控制是施工监控的重点之一，对于高墩大跨连续刚构桥，主梁高程控制比较困难。因为工期长，梁段多，导致在施工过程中会受到很多不确定因素的影响，使得计算挠度与实测挠度存有误差。

线形控制标准与很多因素有关，如：施工方法、桥梁规模、跨径等。对于悬臂施工法的预应力混凝土梁桥，《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）中质量标准规定如表1所示。

在悬臂施工过程中由于桥梁本身自重不断增加，以及诸多确定不确定因素的影响，使桥梁结构产生挠曲，导致结构的实际位置达不到设计标准或规范要求。通过对施工过程进行实施控制，可及时调整这种偏差，使结构的实际位置满足设计要求。

2.2应力控制

桥梁结构在成桥后其受力状态与设计应保持一致，否则桥梁的承载能力及使用寿命可能无法满足预定目标。一般通过应力监测来了解结构实际受力状态，若发现误差超限就要进行原因查找和调控。在施工过程中，对应力精度的控制考虑以下几个因素：预应力、自重、温度、施工荷载、风雪荷载、基础变位、偶然因素（外力撞击、挂篮掉落）等。应力控制精度不高将会危害结构安全，应严格监控。

2.3稳定性控制

结构失稳是指结构或构件丧失整体稳定性，失稳也称为屈曲。在施工中，通过预测各种不利工况，采取必要的措施，防止结构失稳的过程称为稳定性控制。

2.4温度观测

在日照作用下，墩部和梁部都会产生温度非线性分布且产生自应力及引起结构次内力，对桥梁结构的变形和应力产生影响。通过监测施工现场的箱梁温度场以便在模型中进行相应的调整来合乎实际的施工环境的实际情况。

2.5高墩垂直度控制

高墩墩身垂直度关系到主梁各施工阶段主梁线形、内力分布及行车舒适度等。因此，桥墩施工过程中加强墩身垂直度监测，垂直度偏差不得大于允许偏差1/l000，墩身顶、墩身底平面中心位置与设计偏差不得大于1cm。通过在墩低截面埋设应变计，测试同一截面不同位置处应变，上部结构施工中应注意跟踪观测高墩墩底的应力情况来保证工程的施工安全。3高墩大跨度连续刚构桥梁施工控制方法

桥梁施工控制的目的，就是把大跨度桥梁施工控制的理论和方法应用于桥梁的实际施工过程，对施工期间的结构内力和变形状态进行有力的控制和调整，并控制施工合龙的精度，确保桥梁建成后的内力及线形与设计状态相符。施工控制方法经历了从简单到复杂的过程，主要方法如下：

3.1开环控制法

对于那些跨径不大且结构形式并不复杂的桥梁，一般要计算出结构在成桥阶段的理想状态，并且根据荷载在不同施工阶段的实值，计算结构的预拱度，并严格按照此预拱度进行施工，施工进程结束后，结构就基本上能够达到理想状态的内力状态和几何线型。由于采取单向施工控制，因此不需要做出预拱度的改变。此种方法大致来说是便捷可行的，特别在结构的安装误差影响较小，换言之，即各部件的制造和安装精度很高。此法又称之为确定性控制方法，所谓确定性，即系统量测方程的噪声，以及结构状态方程的误差并未予以考虑。

3.2闭环控制法

对于跨径较大且体系复杂的桥梁结构，尽管精确计算出结构在成桥状态以及各施工阶段的理想状态并非不可实现。但是由于诸多其他因素的影响，随着桥梁跨度的增大，积累误差将不可忽略，以致到施工结束时结构的内力和线形会偏离理想成桥状态。虽然结构理想状态无法实现，但可以按照某种性能最优的原则，使得误差已经发生的结构状态达到所谓的结构最优状态。可以对新的误差不断进行纠正，由误差经反馈计算来确定具体的措施和控制量的大小，进而形成一个闭环反馈控制过程。由于这控制个系统中出现结构状态误差和系统量测误差，因此又称随机性控制系统[3]。

3.3预测控制法

在综合考虑影响结构状态的诸多因素和施工目标后，预测结构的每一施工阶段形成前后的状态，按预定状态进行施工。结构预测状态与实际状态间存在误差，此误差在后续的施工阶段预测中，进行调整，将此过程往复，直到实际结构与设计较为相符，施工完成。其预测方法主要有灰色理论、卡尔曼滤波法等。预测控制法适用于对于己成结构具有不可调整性的桥梁，如悬臂施工的连续刚构桥[4]。

3.4自适应控制法

所谓自适应系统，是一个具有一定适应能力的系统，可以自行校正控制动作，其前提是，系统可以认识环境条件的改变，使系统达到最优或接近最优的控制效果。自适应控制法也称参数识别法，它是在系统的运行过程中，通过系统识别或参数估计来修正参数，使设计输出与实际输出相符实现对目标系统的控制。高墩大跨径连续刚构桥在分段施工中实际结构状态与各个施工阶段理想结构状态间的误差是误差主要症结所在。悬臂施工具有很强的重复性，若能在各个施工阶段中实时识别这些可能引起结构状态误差的参数，并作为未知变量或带有噪声的变量予以考虑。最后将识别得到的结果用于下一阶段进行实时分析，重复循环，经过若干施工阶段的计算与实测的配合可以逐渐使得系统模型反映出的规律适应于实际情况。其参数取值也逐渐趋于精确合理，从而通过主动降低模型参数误差对结构状态误差进行控制。自适应控制系统构成如图2所示。

图2自适应控制系統的组成

与闭环控制方法相比，自适应控制方法的最大特点就在于模型参数误差修正和参数估计。为适应现代大跨度桥梁影响因素复杂、施工工序多、结构超静定次数高等难点，此法在大跨度桥梁施工控制中应用最广。它通过对施工过程中，内力和标高的实测值与计算得出的理论值进行分析比对，对桥梁结构的主要基本设计参数进行识别，找出实测值与理论值产生偏差的原因，以参数估计法求得估计参数，用修正后的参数重新对模型进行修正。其具体步骤为：首先，基于测量结果和计算结果确定参数误差；然后进行参数误差估计，可以采用“最小乘法”或者“卡尔曼滤波法”；计算修正模型参数；采用随机有限元法预测己产生的参数误差对后续施工的影响；最后，用随机性最优控制方法控制调整结构实际状态误差，此法重点在于对影响结构变形和内力的主要设计参数进行识别，只要及时修正产生偏差的参数，一般实测值与理论值比较接近。

4施工控制中的主要影响因素

高墩大跨径连续刚构桥施工时，许多确定与不确定的因素将对桥梁施工产生影响，要使主梁合拢后状态（线形与受力）与设计状态互相吻合，须了解施工控制的影响因素。桥梁施工主要影响因素如下[5]：

4.1结构参数

结构参数将会直接影响到分析的结果。结构参数对于桥梁施工控制中要考虑的重要因素。施工桥梁结构的参数与设计所用的结构参数，一般是很难完全吻合，结构参数的测试实际存有误差。需要解决的问题是结构参数尽量接近桥梁的真实结构参数，一般通过工地现场实验取得数据。结构的参数主要包括：材料容重、弹性模量、预应力、施工荷载、材料热膨胀系数及结构截面几何尺寸等

4.2施工环境

施工环境的影响主要包括温度及风荷载。

在很多实际工程中，由于没有充分重视温度作用的影响导致很多预应力混凝土箱梁产生严重裂缝，甚至发生线形改变。温度变化会使混凝土箱梁桥的结构产生变形和应力，导致桥梁的线形变化，直接影响到混凝土结构的安全性、耐久性和适用性。为此，国内外曾进行了许多试验研究工作，并将温度荷载先后纳入各国的桥梁设计规范中。因此，为了确保预应力混凝土箱形桥梁的线形满足设计要求，需对其进行温度应力分析[6]。

风对桥梁的作用是一个十分复杂的过程，受到风的自然特性、桥梁的动力性能以及风与桥梁相互作用等三方面影响。当风绕过桥梁结构会产生漩涡和流动的分离，形成复杂的空气作用力[7]。当桥梁结构的刚度较大，风对桥梁的影响可简化成静力作用，分为顺桥向和横桥向两个方向的作用。

4.3混凝土收缩徐变

高墩大跨度预应力混凝土连续梁桥是典型的收缩徐变敏感结构，在施工阶段和运营阶段中，收缩徐变效应对桥梁挠度的影响十分显著。另外，混凝土的收缩、徐变对结构内力、变形有较大影响，这主要由于大跨桥梁施工中普遍存在混凝土加载龄期小、各阶段龄期相差较大等，所以，在施工控制中应采用合理的、符合实际的徐变参数预测模型[8]。

4.4施工工艺及管理

不同的施工单位的管理水平及其施工工艺差异很大，这直接影响到控制目标的实现，在施工控制中必须考虑施工条件非理想化所带来的构件制作、安装等方面的误差并按照施工组织计划实施。

结论

本文对高墩大跨径连续刚构桥施工控制理论进行了较全面的总结，讨论了施工控制系统的基本构成。这方面主要介绍了施工控制的特点和施工控制系统的构成；详细介绍了施工监控的内容：主梁线性控制、应力监控、稳定性控制、温度观测、高墩墩身垂直度控制；对桥梁施工控制的方法进行了讨论，常用的方法有开环控制法、闭环控制法、最大宽容度法、预测控制法，另外对自适应控制法做了详细的介绍；对高墩大跨度连续刚构桥梁施工过程模拟分析方法做了分析，比较了各种方法的特点以及优缺点。最后阐述了施工控制的主要影响因素：结构参数、施工监测过程的影响、结构结算分析模型、环境温度的变化、混凝土收缩徐变以及施工工艺和管理等。

参考文献

[1]钟长伟.高墩大跨连续刚构桥施工控制研究，硕士学位论文[D].成都：西南交通大学，2010：36

[2]刘润华.连续刚构桥施工控制与结构分析，硕士学位论文[D].成都：西南交通大学，2008：42

[3]郭凡，杨永清，贾舒阳.高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥内力分析[J].四川建筑科学研究，2009，12（6）：35-37

[4]汪维安.高墩大跨连续刚构桥的收缩徐变效应分析[D].长沙：长沙理工大学，2005：25

[5]顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京：机械工业出版社，2005：78

[6]王月胜.预应力混凝土连续箱梁桥施工控制研究和温度效应分析[D].成都：西南交通大学，2010.

[7]万钧，滕二甫.风对桥梁结构的影响及作用浅析[J].交通科技，2009（7）：55-57.

[8]樊云龙，李亮，王立中.高墩大跨度变截面连续刚构预应力桥施工监测[J].路基工程，2008，3（1）：138-139

作者简介：林斌，男，本科，工程师，从事建设工程质量监督工作20年。