大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术

大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术

向木生1张世飙2张开银1沈典栋3沈成武1

1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063

2.湖北省汉十高速公路指挥部，湖北十堰441000

3.湖北省公路局科研所，湖北武汉430000

摘要：根据有限元理论计算和施工过程中对主梁挠度和线形的测量，使用人工神经网络等控制理论进行高程偏差调整和预测，综合确定主梁施工预拱度。借助预埋钢弦传感元件，测试主梁混凝土应变，分析测试应变中温度等诸多影响因素，确定实际结构的真实应力，为大跨度预应力混凝土桥梁的安全施工和合理成桥状态提供技术依据。关键词：公路桥梁；预应力混凝土；施工控制技术

0引言

桥梁结构设计时，参数的选取（如材料特性、密度、截面特性等）、施工状况的确定（施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力损失、温度、湿度、时间等参数）和结构分析模型等诸多因素的影响，以及混凝土材料的非均匀性和不稳定性，大跨度预应力混凝土连续梁、T型刚构、连续刚构等梁桥施工过程中结构的实际状态与设计状态很难完全吻合。因此在桥梁施工过程中，必须对施工预拱度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。目前施工控制方法主要有三种：一是采用纠偏终点控制法；二是应用现代控制理论中的自适应控制法；三是设计时给予主梁标高和内力最大的误差容许值控制法。

1桥梁结构的理论计算分析

桥梁结构的理论计算通常用有限元素法进行分析，主要是对各节段施工工况下的相应截面的应力、位移进行分析，作为监测和施工控制的依据。目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。

正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，同时，能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力混凝土桥梁，首先必须进行正装计算。

施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程（倒装计算法）来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。

无应力状态法是以桥梁结构各构件的无应力长度和曲率不变为基础，将桥梁结构的成桥状态和施工各阶段的中间状态联系起来，这种方法特别适用于大跨度拱桥和悬索桥的施工控制。

在进行有限元分析时，根据其结构特点建模。一般地说，大跨度预应力混凝土梁桥可按空间（平面）梁单元进行分析。在选用计算分析软件时，应考虑工程应用的方便，选用国内外有相当声誉的正版结构有限元分析软件包（如桥梁博士、ANSYS、COS-MOS、SUPSAP、GQJS等）进行计算与分析，这些软件有很好的前后处理功能。结构载荷应包括：混凝土自重、挂篮自重及钢筋、人员和设备的重量，挂篮移动各施工阶段的施工荷载，同时考虑二期恒载的重力；预应力索张拉力；温度荷载、风荷载及与结构的形成过

程中有关的荷载，如混凝土的收缩徐变等。这些荷载能引起结构的附加变形和应力。一般而言，以正装计算结果作为应力监测的依据，以倒装计算结果作为预拱度控制的依据。2主梁线形测量

2.1墩顶测量和基准点的设立

利用大桥两岸大地控制网点，使用后方交汇法，用全站仪测出墩顶测点的三维坐标，将墩顶标高值作为主梁高程的水准基点。每一墩顶布置一个水平基准点和一个轴线基准点，做好明显的红色标识，每月至少进行一次联测。

2.2主梁挠度、轴线和主梁顶面高程的测量

在每一节段悬臂端梁顶设立2～4个标高观测点和一个轴线点。测点用短钢筋或钢板预埋，并用红色油漆标明编号。标高用水准仪进行测量，根据各节段施工次序，每一节段按三种工况（即浇筑混凝土后、张拉后和挂篮前移后）对主梁挠度进行平行独立测量，相互校核。轴线使用全站仪和钢尺等进行测量，采用测小角法或视准法直接测量其前端偏位。视准时，将轴线后视点引至过渡墩，用远点控制近距离点。在主梁顶面混凝土高程测量过程中，同一截面测2～4点，根据其横坡取其平均值，这样可得到主梁顶面的高程值。同时，在不同工况下，由观察得到的主梁挠度（反拱）变化值，与给定立模标高（含预拱度）立模的高程值，也可得到主梁顶面的高程值，两者比较后，可检验施工质量。

2.3主梁立模标高的测量

一般地说，底板底模板选三个特征位置，顶板底模板选六个特征位置较适宜，如图1所示。用精密水准仪测量立模标高，立模标高的测量应避开温差较大的时段。施工单位立模到位，测量完毕后，监理单位对施工各节段的立模标高进行复测，监控单位不定期进行抽测。

图1 主梁截面立模标高测点

2.4同跨两边对称截面相对高差的直接测量和多跨线形的通测

当两边施工节段相同时，对称截面的相对高差可直接进行测量和分析比较。当施工节段不同时，对称节段的相对高差不满足可比性，此时，可选择较慢的一边最末端截面和较快的一边已施工的对应截面作为相对高差的测量对象。在测量过程中，同一对称截面可测多点，根据其横坡取其平均值，可得到对称截面的对应点的相对高差。除保证各跨线形在控制范围内外，主梁全程线形应定期或不定期进行通测，确保全桥线形的协调性。

2.5结构几何形状测量

结构几何形状的测量主要包括：主梁上下表面的宽度、腹板厚度、上盖板和下底板的厚度、主梁截面高度以及主梁施工节段的长度等。监控单位采用抽查的方式，不定期地进行测量。

3线形控制原理与技术

3.1预拱度控制

主梁悬浇段的各节段立模标高可按下式确定[1]

H i=H0+f i+（-f i预）+f篮+f x （1）

式中：H i为待浇筑段主梁底板前端底模标高；H0为该点设计标高；f i为本施工段及以

后浇筑的各段对该点的影响值；f i

预为本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值；f篮为挂篮弹性变形对该施工段的影响值；f x为由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期恒载、活载等影响值。

上述各参数在有限元倒向分析基础上，根据实测信息，对计算预拱度进行调整和预测，确定最佳预拱度。传统的误差调整方法主要有卡尔曼（KALMAN）滤波法、灰色系统、最小二乘法等[2]。这些方法在桥梁施工控制应用中取得了一些成效。

近年来，人工神经网络、遗传算法等智能型方法，在国外得到了大力发展和应用，国内亦在逐步推广之中。运用这种方法于主梁预拱度预测中，既克服了灰色理论GM（1，N）输入参数单一的缺点，又改进了卡尔曼（KALMAN）滤波法中仅能考虑输入与输出的线性关系的不足，建立了输入与输出之间的多参数、非线性的映射关系。