大跨径桥梁施工控制理论分析

大跨径桥梁施工控制理论分析
摘要：介绍了大跨径桥梁施工控制的内容和方法，分析对比了模拟桥梁施工过程的正装法、倒装法、无应力法、倒装法与正装法的联合应用以及基于迭代方法的正装法等施工控制计算方法，认为对连续梁桥采用正装法计算工作量小，适应于人们习惯的正向思维，如果采用基于迭代的正装计算方法，对理论模型中的初始标高做适当修正，计算精度将足以满足工程要求。

关键词：连续梁桥施工控制正装法倒装法无应力法
一、桥梁施工过程模拟分析方法
大跨径桥梁的施工通常采用分节段逐步完成的施工方法，结构的最终形成必须经历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转换过程，对施工过程中每个阶段的变形计算和受力分析，是桥梁结构施工控制中最基本的内容。

现阶段施工控制中桥梁结构的计算方法主要包括：正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。

在大跨度桥梁结构的施工控制中，虽然正装计算法、倒装计算法和无应力状态计算法都能用于各种形式的桥梁结构分析，但是，由于不同形式的桥梁结构所采用的施工方法不同，因而这三种计算方法对于不同形式的桥梁结构分析是有所侧重的，同时三种计算方法也有其各自的特点。

二、桥梁施工过程模拟分析方法简述
1．正装计算法
正装计算法按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，这不仅
可以用来指导桥梁的设计和施工，而且为桥梁的施工控制提供了依据。

同时在正装计算中能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，如结构的非线性问题和混凝土的收缩、
徐变问题。

正因为如此，正装计算法在桥梁的计算分析中占有重要位置，对于各种形式的大跨度桥梁，要想了解桥梁结构在各个阶段的位移和受力状态，都必须首先进行正装计算。

2．倒装计算法
倒装计算法是按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程来进行结构行为分析。

倒装计算的目的就是要获得桥梁结构在各施工阶段理想的安装位置（主要指标高）和理想的受力状态。

大跨度桥梁的设计图只给出了桥梁结构最终成桥状态的设计线形和设计标高，但是桥梁结构施工中间各状态的标高并没有明确给出，要想得
到桥梁结构施工初始状态和施工中间各阶段的理想状态，就要从设计图中给出的最终成桥状态开始，逐步地倒装计算来得到施工各阶段中间的理想状态和初始状态。

按照桥梁倒装计算出来的桥梁结构各阶段中间状态（主要指标高）去指导施工，才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。

当然，在桥梁结构的施工控制中，除了控制结构的标高和线形之外，同样要控制结构的受力状态，它与线形控制同样重要。

正因为倒装计算有这些特点，所以它能适用于各种桥型的安装计算，尤其适用于以悬臂施工为主的大跨度连续梁桥、刚构桥和斜拉桥。

当然，这是相对于无应力状态法而言的。

3．无应力状态法
无应力状态法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。

由于大跨度拱桥的主要承重结构——主拱圈和悬索桥的主要承重结构——主缆索大都在预制厂或工厂制作成型后，在现场进行安装，而在工厂加工时，这些结构基本上处于无
应力状态，并且在安装时，它们的长度一般难以调整，即使可调，也只能局部微调。

因而如何确定主拱圈的加工长度是大跨度拱桥施工控制的关键。

同理，确定主缆索的加工长度是悬索桥施工控制的关键。

三、倒装计算法与正装计算法的本质和优缺点
倒装法的本质及其优缺点：
（1）倒装法的本质是以成桥的应力和线形作为施工控制的直接依据，即首先保证竣工成桥时桥梁的应力和线形满足设计要求以便能够使之正常运营。

然后由此反向推算各施工阶段的控制参数，以确保桥梁在该参数控制下施工后在成桥竣工时能够达到倒装初始状态（即设计要求）。

可以这样认为：倒装法就是由“合理的结果”（即设计的成桥状态）来反推“合理的过程”（即与设计的成桥状态相对应的各施工阶段的恰当控制参数）。

（2）倒装法的优点，根据理想的成桥状态（即理想的恒载状态）反推各施工阶段合理的控制参数，使得我们的监控计算分析工作概念明确、理由充分、方向性强。

从理论上说：只要我们拟定好成桥状态就可以反推出与之相对应的各施工状态。

（3）倒装法的缺点，此处所讨论的倒装法的缺点，是指倒装法单独应用时的缺点，关于它与正装法的联合应用，将在本文第5节中进行探讨。

正装法的本质及其优缺点：
（1）正装法的本质与倒装法相反，正装法是以施工应力作为控制直接依据的。

通过调整控制参数首先保证每个阶段的施工都能安全顺利进行，那么施工的最后一个阶段即为成桥竣工状态，其应力也自然会满足要求。

如果感觉不理想，加以调整也就可以达到目的了。

总的来讲，正装法就是“从第一步开始，走好每一步，最后到达目标”。

应该说，正装法也是概念明确，操作简单可行。

（2）正装法的优点与倒装法相比，正装法有如下明显的
优点：
①正装法不存在倒装法中混凝土收缩、徐变难以计算的问题。

因为正装法是按正常施工顺序进行计算分析的。

②正装法不存在倒装法中初始应力的确定问题。

正装法是按施工的最初状态开始计算，即“从零开始”；这对于设计者非常方便，如果哪一个施工阶段的应力没通过，比较容易对其进行调整，而倒装法要重新拟订初始应力。

而且倒装法重新拟订的初始应力对其他施工阶段应力还有影响，这种“连锁反应”处理起来十分复杂。

正装法回避了这些的问题。

③正装法可以充分考虑施工工艺和利用设计资料。

这对监控者来说非常重要，它使得设计、施工、监控融为一体。

监控方充分利用设计资料和施工工艺计算分析施工控制参数，使得监控工作更具针对性，现实性、合理性。

（3）正装法的缺点，当然，正装法也有不足之处。

初始标高的确定就是其中之一，这一点在倒装法中是不存在的。

四、正装法与倒装法的比较及联合应用
在大跨度桥梁施工控制中，由于桥梁结构的非线性问题和混凝土的收缩徐变问题，无论倒装计算法还是无应力状态法，都不会与正装计算的结果完全闭合，因而在施工控制中，一般将倒装计算法或无应力状态法与正装计算法交替使用，直到计算结果闭合为止，即各计算方法的联合应用。

鉴于倒装法初始内力不易单独确定，现在较多采用倒装法与正装法联合应用的办法来解决。

即先以设计标高按正装法建模，求出成桥内力；然后据此内力和设计标高为初始状态进行倒装分析，以获得各施工阶段的施工控制参数。

但本文认为它存在如下不足：首先，这种联合应用的在理论上依然存在缺陷——联合应用方法的初始内力和标高并不处于同一状态。

即联合应用中倒装法的初始内力是以设计标高建模正装计算后成桥竣工时的内力，而由于正装计算中节点坐标的迁移，竣工标高与设计标高存在差异，而倒装法的初始标高采用的是设计标高，因此存在倒装法初始内力对因的标高（正装计算竣工标高）和倒装法采用的初始标高（设计标高）不匹配，或者说倒装法采用的初始标高对应的内力状态与正装法计算所得的内力状态存在差异。

简言之联合应用法采用的标高和内力不匹配，之所以能够实际应用，是因为其产生的误差比较小。

再者，联合应用计算量要远大于正装法。

如果正装法能够获得令人满意的成桥内力和竣工标高，那就不必要进行倒装计算，直接运用正装法中各施工阶段的分析结果更为简单。

五、基于迭代理论的“迭代正装法”
1．如不考虑修正（因为在变形不大的情况下，结构力学都是这样处理的），究竟能引起多大的内力和变形误差?我们以四跨连续梁桥（40m+60m+60m+40m）为例，其中跨最后一个悬臂节段浇筑混凝土引起该点的理论计算挠度为-14 毫米，而实际测量的挠度为-10 毫米，误差仅有 4 毫米，而桥梁此时的变形最大。

这说明：即使不从理论上考虑这种误差的修正也不会引起太大问题。

另外大量实践也表明：一般情况下，当悬臂结构的倾角在3°以内变动时，倾角对内力和挠度的影响非常小。

2．正装法理论计算模型与桥梁的实际施工状态不符的问题可以用迭代法进行解决。

具体方法如下：
上述迭代处理方法并不复杂，一般情况下迭代 2 至 3 次即可，比起倒装法及倒装与正装的联合应用法，无论在迭代次数上还是收敛速度上，都有明显优势。

所以，在连续梁桥的施工监控中，经过修正的正装法无论是理论上还是计算量上都明显优于倒装法及倒装法与正装法的联合应用。

参考文献
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