大跨度橋梁施工控制技術(shù)方法研究

段宗軍

[摘要]隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展,橋梁跨度越來越大,施工難度也增大。對(duì)大跨橋梁實(shí)施施工過程控制,是確保施工質(zhì)量和安全的重要環(huán)節(jié),有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此,結(jié)合工作實(shí)踐分析其施工控制方法,研究其施工控制體系。

[關(guān)鍵詞]大跨橋梁過程控制體系

中圖分類號(hào):TU-0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1120095-02

一、引言

橋梁施工過程本身是一個(gè)完善的系統(tǒng)工程,橋梁施工的過程也就是系統(tǒng)的運(yùn)行過程。在橋梁施工過程中,結(jié)構(gòu)的安全性和理想的成橋狀態(tài)就是該系統(tǒng)所要達(dá)到的目標(biāo)——橋梁施工控制的目標(biāo)。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),要達(dá)到這樣的目標(biāo),僅通過事后檢查是無法實(shí)施的。所以,必須對(duì)橋梁施工過程這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,只有這樣才能保證目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。尤其對(duì)于大跨度橋梁,更是如此。

二、大跨度橋梁施工方法

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,施工機(jī)具、設(shè)備和建筑材料的發(fā)展,橋梁上部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方法到今天已得到了迅速發(fā)展,發(fā)生了重大的變革,形成了多種多樣的施工方法。總的來講,根據(jù)施工中有無支架可以劃分為:有支架施工和無支架施工兩大類方法。

(一)有支架施工方法

有支架施工方法分為落地支架、拱形支架和移動(dòng)支架。落地和拱形支架可以由常備式鋼構(gòu)件組成,配合就地灌筑法,在支架上完成模板架立、鋼筋綁扎、混凝土灌注,預(yù)應(yīng)力張拉等作業(yè)。此施工方法對(duì)機(jī)具和起重能力要求不高,多用于中小跨度的混凝土梁橋;但支架用料較多,成本較高,工期較長(zhǎng),不適于深水或通航情況。

在有支架施工過程中,為了保證橋梁建成后的線形符合設(shè)計(jì)要求,施工時(shí)需要在支架上設(shè)置預(yù)拱度,這實(shí)際上就是一種簡(jiǎn)單的施工控制方法。由于有支架施工方法適用的橋梁跨度較小,施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,影響施工精度的因素也小,由施工控制不力而產(chǎn)生的不良后果也不明顯,從而使人們忽視了它的重要性。

為承重支架(析架式或?qū)嵏故?配備縱向移位系統(tǒng)、支承系統(tǒng)以及起吊設(shè)備,就可形成移動(dòng)支架。對(duì)配備了模板系統(tǒng),并采用逐跨現(xiàn)澆混凝土施工的移動(dòng)支架,習(xí)稱為移動(dòng)模架。因?yàn)橐苿?dòng)支(模)架可以在橋位處逐段(或逐孔)拼裝(或現(xiàn)澆)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,今統(tǒng)稱之為造橋機(jī)。在采用移動(dòng)模架施工時(shí),先讓模架就位,然后立模板,澆混凝土并養(yǎng)生,再拆模,張拉力筋,然后前移模架,修建下一跨。因其需在施工時(shí)需承擔(dān)梁跨結(jié)構(gòu)的自重,移動(dòng)模架造橋機(jī)一般僅適用于跨度不超過60m的長(zhǎng)橋。

(二)無支架施工

無支架施工指在施工過程中不需要借助支架或者僅需要少量輔助性支架的施工方法。無支架施工法采用自架設(shè)體系借助于吊裝設(shè)備施工,橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體或分段(拼裝或現(xiàn)澆)施工。對(duì)橋梁的分段施工,后續(xù)梁段依靠先期完成的梁段結(jié)構(gòu)作為支撐,即施工中不靠支架而靠自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。它體現(xiàn)了“化整為零,集零為整”的特點(diǎn)。這種施工方法在大跨度斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋、拱橋等橋型的施工中得到靈活應(yīng)用。無支架施工法主要有懸臂施工法、轉(zhuǎn)體施工法、頂推法和整體吊裝法(架橋機(jī)法)等。

1.懸臂施工法

懸臂施工法網(wǎng)是指橋墩頂開始,兩側(cè)對(duì)稱(或不對(duì)稱)地分段形成梁體節(jié)段,直至全橋完成。按混凝土是現(xiàn)澆還是預(yù)制,此法可分為懸儲(chǔ)灌注法和懇竹拼裝法。前者的梁段懸臂接長(zhǎng)是采用掛籃,在橋位處就地灌注節(jié)段混凝土,待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后,張拉力筋,前移掛籃,繼續(xù)下一梁段的施工。后者的梁段接長(zhǎng)則是采用吊機(jī),吊裝預(yù)制梁段就位,再張拉力筋,繼續(xù)下一梁段的施工。懸臂灌注法廣為應(yīng)用,但對(duì)跨度不大于l00m,相同孔跨多的情況,為壓縮施工周期,也可采用移動(dòng)支架和平衡懸臂拼裝法。

2.轉(zhuǎn)體施工法

轉(zhuǎn)體施工是20世紀(jì)40年代以后發(fā)展起來的一種架橋工藝。轉(zhuǎn)體施工是在河流兩岸適當(dāng)位置,利用地形或使用簡(jiǎn)便支架將半橋預(yù)制完成,之后旋轉(zhuǎn)橋梁構(gòu)件,分別將兩個(gè)半橋轉(zhuǎn)體到橋位軸線位置合龍成橋。根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方式不同,又分為水平轉(zhuǎn)體、豎直轉(zhuǎn)體和平豎結(jié)合轉(zhuǎn)體。目前該方法已應(yīng)用到拱橋、梁橋、斜拉橋等不同橋型的施工中。

3.頂推施工法

對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,頂推施工lz]是在沿橋縱軸方向的后臺(tái)設(shè)置預(yù)制場(chǎng)地,分節(jié)段預(yù)制,并用縱向預(yù)應(yīng)力筋將預(yù)制節(jié)段與施工完成的梁體聯(lián)成整體,然后通過千斤頂施力,將梁體向前推出預(yù)制場(chǎng),之后再繼續(xù)進(jìn)行下一節(jié)段的預(yù)制頂推。頂推法施工,主要用于等高度梁橋(包括鋼析梁)的施工中。

三、橋梁施工控制的必要性

(一)補(bǔ)充設(shè)計(jì)的需要

一般設(shè)計(jì)文件中所提講的控制數(shù)據(jù)是基于理論的設(shè)計(jì)參數(shù)和假定的施工方法給出的;因此,當(dāng)施工條件發(fā)生變化時(shí),這些數(shù)據(jù)也需要隨之修正,否則就難以滿足施工實(shí)際的需要。施工控制不但能起到補(bǔ)充設(shè)計(jì)和輔助指導(dǎo)施工的作用,更重要的是對(duì)影響施工目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的各種因素的研究、監(jiān)測(cè)及有關(guān)問題的解決。

(二)施工過程的需要

大跨度橋梁的形成需要經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的過程,當(dāng)跨度進(jìn)一步增大時(shí),分段數(shù)目也就越多,懸臂長(zhǎng)度也就越大,在施工過程中遇到的問題也越多。這些方面的問題,如果不能及時(shí)有效地處理,不僅會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利,而且可能會(huì)使主梁線形不順暢以致影響行車。為了解決好這些問題,最好的辦法就是對(duì)施工全過程實(shí)施實(shí)時(shí)控制,控制主梁應(yīng)力和變形誤差處于容許范圍內(nèi),使全橋施工完成后達(dá)到規(guī)定的成橋狀態(tài)。

(三)結(jié)構(gòu)本身特性的需要

對(duì)高次超靜定橋跨結(jié)構(gòu)(多跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu),或斜拉橋),其成橋的梁部線形和結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力與施工方法有著密切的關(guān)系,也就是說,不同的施工方法和工序會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力。

(四)加強(qiáng)設(shè)計(jì)與施工聯(lián)系的需要

現(xiàn)行的設(shè)計(jì)體系與施工體系的結(jié)合并不十分緊密。一方面,設(shè)計(jì)工程師并不直接參加施工,他們熟悉先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,能進(jìn)行理淪分析計(jì)算,但卻并不十分關(guān)注橋梁的建造技術(shù),因此,他們可能更加注重結(jié)構(gòu)在主要施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的性能,而忽略了某些特殊施工階段的受力情況。另一方面,現(xiàn)場(chǎng)施工人員比較熟悉施工方法,但對(duì)施工階段存在的問題,一般只做一些簡(jiǎn)化的理論分析和計(jì)算,不能很深入地理解設(shè)計(jì)師的意圖,這樣就可能造成了設(shè)計(jì)與施工相脫離的現(xiàn)象。為了解決這種矛盾,把設(shè)計(jì)和施工兩者有機(jī)地聯(lián)系起來,就需要有既懂設(shè)計(jì)理論又懂施工的人從中進(jìn)行聯(lián)系,一方面復(fù)核設(shè)計(jì)理論計(jì)算,一方面指導(dǎo)施工。施工控制人員就正是這樣的一個(gè)群體,他們需要具備較豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的理論分析能力,起到為設(shè)計(jì)分憂,為施工解難的目的。

四、施工控制方法

(一)開環(huán)控制

在這種施工控制方法中,控制是單向的,并不需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)來改變施工中的預(yù)拱度和內(nèi)力。在各構(gòu)件的制造和安裝精度較高,或者結(jié)構(gòu)安裝誤差的影響不大時(shí),這種方法是簡(jiǎn)單可行的,大部分中小橋采用的都是這種方法。

(二)反饋控制

對(duì)于較復(fù)雜橋型,由于實(shí)際施工狀態(tài)和計(jì)算狀態(tài)之間存在差異,隨著橋梁跨度的增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加,在每個(gè)施工階段的積累誤差將不可忽略,否則到施工結(jié)束時(shí)結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力將較顯著地偏離理想的成橋狀態(tài)。在出現(xiàn)誤差之后就必須及時(shí)地糾正,而糾正的措施和控制量的大小是必須由誤差經(jīng)反饋計(jì)算所決定的,這就形成了一個(gè)閉環(huán)反饋控制過程。

(三)自適應(yīng)控制

對(duì)某一工況,以前的累計(jì)誤差已經(jīng)被調(diào)整掉,由于計(jì)算模型中參數(shù)差距的存在,以后的施工中仍然會(huì)出現(xiàn)新的誤差,因此又需要新一輪的狀態(tài)調(diào)整,這樣將大大增加施工的工序。這時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況,采取自適應(yīng)控制方法。

(四)綜合方法

除了上述的三種控制方法之外,還有其他的一些控制方法,如最優(yōu)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)控制等。隨橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工特點(diǎn)及具體控制內(nèi)容的不同,其施工控制的方法也不盡相同。一般而言,大跨度橋梁均需采用多種方法并行的綜合方法進(jìn)行施工控制。具體地說,就是通過參數(shù)識(shí)別修正計(jì)算模型,預(yù)測(cè)控制每一施工階段的狀態(tài),并根據(jù)設(shè)計(jì)施工規(guī)范結(jié)合實(shí)際情況確定最大容許誤差。

參數(shù)識(shí)別修正是指在控制開始階段,在進(jìn)行施工控制計(jì)算時(shí),若控制體系的某些設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際情況有出入,需要借助現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試體系,進(jìn)行參數(shù)估計(jì)、識(shí)別和修正,使控制計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)基本相符,與實(shí)際情況吻合。預(yù)測(cè)控制法是橋梁施工控制的主要方法,其在考慮影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種因素和控制目標(biāo)設(shè)定的基礎(chǔ)上,對(duì)每一施工階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(內(nèi)力和變形)進(jìn)行預(yù)測(cè),使施工沿著預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行。預(yù)定狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間存在誤差,其對(duì)控制目標(biāo)的不利影響則在后續(xù)若干施工階段的預(yù)測(cè)中予以考慮。在分析誤差、建立安全預(yù)警機(jī)制時(shí),當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工藝水平和相關(guān)的施工和制造規(guī)范,按照最大寬容度法,確定一套合理可行的容許誤差度指標(biāo)體系。

五、大跨度橋梁施工控制中需要注意的問題

(一)影響施工控制的主要因素分析

與斜拉橋、懸索橋不同,連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋的已完成梁段具有不可控性,在施工中對(duì)誤差的糾偏措施很有限,一般只能針對(duì)下一梁段的施工做出有限的調(diào)整。因此,為了實(shí)現(xiàn)控制的目的,就必須首先全面了解影響控制誤差的主要因素,以便預(yù)先對(duì)施工過程進(jìn)行有效控制。

(二)物理參數(shù)識(shí)別

參數(shù)識(shí)別理論在機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)較為成熟,但在土木工程中則遇到了困難。機(jī)械領(lǐng)域的參數(shù)測(cè)量一般比較恒定,其準(zhǔn)確性也較高;而土木工程就不一樣,其環(huán)境因素影響很大,尤其對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)影響因素更多,一些微小的變化都會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)量的變化,這給施工監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估帶來困難。事實(shí)上,在很多情況下,實(shí)際的物理參數(shù)與設(shè)計(jì)所采用的參數(shù)都存在差異,這也就導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)有差異。

(三)懸臂施工撓度預(yù)測(cè)

連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋施工控制是:施工-量測(cè)-識(shí)別-施工的循環(huán)過程。正如第一點(diǎn)所說,連續(xù)梁橋已完成梁段具有不可控性,而只能針對(duì)已有誤差在下梁段的立模標(biāo)高予以適當(dāng)?shù)挠邢薜恼{(diào)整。所以,要保證控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),最主要的就是根據(jù)已完成梁段撓度變形的分析做出盡可能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),以此達(dá)到控制成橋線形的目的。

(四)傳感器的選擇和優(yōu)化布置

傳感器是施工控制中的關(guān)鍵因素之一。由于傳感器、二次儀表及磁盤等的費(fèi)用,一般只能使用有限個(gè)傳感器。一種好的傳感器布設(shè)方案就需做到:在含噪聲的環(huán)境中,能夠利用盡可能少的傳感器獲取較全面、較精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。實(shí)際上,要達(dá)到上述目的,傳感器的選擇和測(cè)點(diǎn)的布設(shè),需要做出細(xì)致分析和優(yōu)化

(五)新型儀器的研制

測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精度不足,測(cè)量通訊信號(hào)受噪聲干擾,外界環(huán)境適應(yīng)性差,這些都制約著施工控制的發(fā)展。要改變這種局面,目前應(yīng)當(dāng)開發(fā)具有智能、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的新型的傳感儀器。這個(gè)問題需要多學(xué)科協(xié)同合作攻關(guān)才能解決,最后達(dá)到大橋的智能控制的目的。

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