預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁主梁施工控制研究

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁主梁施工控制研究

趙瑞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

由于連續(xù)梁橋在設(shè)計(jì)和工程建設(shè)中可能出現(xiàn)諸多預(yù)先難以精確估計(jì)的狀況，即使設(shè)計(jì)人員預(yù)先已經(jīng)做好預(yù)案，但由于施工中誤差累積和經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量等因素影響，實(shí)際中必然會(huì)與原設(shè)計(jì)有相違之處。所以要對(duì)連續(xù)梁的施工進(jìn)行控制監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)對(duì)施工過程中各個(gè)控制性關(guān)鍵性施工過程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整是十分重要的。

連續(xù)梁;施工控制;主梁應(yīng)力

1 前言

連續(xù)梁橋是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的橋梁，是多次超靜定構(gòu)件，幾何線形的理想程度直接影響著施工和成橋時(shí)的內(nèi)力狀態(tài)，這不僅與設(shè)計(jì)單位有關(guān)，而且還很大程度上與施工方法的科學(xué)合理性相關(guān)。大青溝大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用三跨變梁高預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橫截面是單箱單室，主梁采用掛籃懸臂澆筑法施工。結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工難度大，對(duì)施工技術(shù)和施工精度要求很高。

為保證施工質(zhì)量，特別是運(yùn)營狀態(tài)質(zhì)量，就必須進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁(連續(xù)梁為代表)的施工控制研究，否則就可能會(huì)危及主梁及其他結(jié)構(gòu)主受力構(gòu)件的耐久性，有可能導(dǎo)致主受力構(gòu)件傾斜、開裂、撓度過大等病害發(fā)生，甚至?xí)绊戇\(yùn)營過程中車輛安全。故監(jiān)控過程中理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際緊密結(jié)合，找出計(jì)算結(jié)果偏差的不確定因素，為以后我國交通建設(shè)事業(yè)，和建設(shè)和諧社會(huì)做出貢獻(xiàn)，亦可為日后該地區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考數(shù)據(jù)。

2 工程實(shí)例分析計(jì)算

大青溝大橋橋址處在河南省東南境永亳淮高速商丘段，橋跨結(jié)構(gòu)跨徑為45 m+80 m+55 m，采用三跨混凝土預(yù)應(yīng)力變梁高箱梁。主橋在0#塊即墩頂處設(shè)2.5 m厚橫隔板，在邊跨端頭設(shè)置1.5 m厚橫隔板，其余部位均未設(shè)置橫隔板。箱梁橫向底板保持水平，頂板設(shè)置2%的單向橫坡，由腹板高度來調(diào)節(jié)。主橋箱梁采用國際先進(jìn)的縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力組合體系。

大跨連續(xù)梁施工監(jiān)控是一個(gè)循環(huán)過程，即施工→量測(cè)→識(shí)別→修正→預(yù)告→施工。眾所周知，施工控制的最基本要求永遠(yuǎn)是施工安全，其次是使橋跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線性盡量合理并無限接近要求的設(shè)計(jì)值。在施工控制實(shí)施過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境極其復(fù)雜，或多或少會(huì)受到各種因素干擾(施工控制中的噪聲干擾)，需要用卡爾曼濾波法，去除噪音得到真實(shí)狀態(tài)和數(shù)值。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能指標(biāo)，就必須不斷進(jìn)行分析、調(diào)整、預(yù)測(cè)等步驟，遵循規(guī)律，組成隨機(jī)最優(yōu)控制系統(tǒng)。

大青溝大橋采用與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的最優(yōu)控制理論和技術(shù)，使用工程控制的思想本，將主橋施工時(shí)結(jié)構(gòu)變位工況和成橋工況線形做數(shù)值離散，對(duì)象確定采用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)最優(yōu)控制，各種性能指標(biāo)和模型的建立為隨機(jī)過程。使用誤差分析，使從復(fù)雜狀態(tài)下，被噪聲(現(xiàn)場各個(gè)不確定因素)污染的各個(gè)因素中確保估計(jì)出橋梁結(jié)構(gòu)目前的真實(shí)狀態(tài)，并用估計(jì)出真實(shí)狀態(tài)量，使用最優(yōu)控制規(guī)律形成閉合環(huán)狀態(tài)反饋給系統(tǒng)，在最優(yōu)控制下求出變量值，不斷對(duì)各懸臂段以及合攏成橋是的工況狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整、控制，最終達(dá)到最優(yōu)控制目標(biāo)。

大青溝大橋施工控制時(shí)，將橋梁結(jié)構(gòu)離散和簡化為平面體系的二維桿結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)段根據(jù)現(xiàn)場需要離散為兩個(gè)以上的梁單元。采用橋梁專用計(jì)算程序MIDAS 2006程序?qū)Υ髽蚴┕ず透鱾€(gè)工序進(jìn)行模擬。

(1)用有限元程序?qū)⒋髽騽澐譃?3個(gè)單元，89個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，橋墩材料為C45混凝土，主梁材料為C55混凝土，橋墩為4個(gè)單元，主梁63個(gè)單元。

(2)整個(gè)橋梁建設(shè)模擬為18個(gè)過程，其中懸灌施工時(shí)每個(gè)懸臂梁階段的施工為一個(gè)施工過程，該過程劃分成幾個(gè)子過程:立模，掛籃前移，澆筑混凝土，預(yù)應(yīng)力張拉。

(3)施工順序上各墩形成“T”構(gòu)并且上部同時(shí)對(duì)稱施工，合龍順序與一般連續(xù)梁相同為先邊跨合攏后中跨合攏。

成橋后結(jié)構(gòu)計(jì)算離散圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)數(shù)值離散計(jì)算模型

大橋合龍前后結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生轉(zhuǎn)化，即由靜定對(duì)稱的“T”形構(gòu)件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定體系結(jié)構(gòu)，因此合龍前調(diào)整時(shí)，對(duì)單個(gè)“T”的施工段調(diào)整應(yīng)該分別進(jìn)行。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，非對(duì)稱因素往往發(fā)生在兩邊跨現(xiàn)澆段，每個(gè)“T”仍然具有對(duì)稱的關(guān)系，因此本橋只對(duì)單個(gè)“T”進(jìn)行調(diào)整，其控制調(diào)整模型如圖2所示。

圖2 施工狀態(tài)控制調(diào)整模型示意圖

懸臂施工的連續(xù)梁，后節(jié)段是通過預(yù)應(yīng)力筋及混凝土及與前一塊相接而成，所以，每一施工階段相關(guān)性非常密切。所以線形和受力特性的分析，特別是在各施工階段時(shí)的分析就變得不可或缺。成橋工況下的結(jié)構(gòu)線性是懸灌施工任務(wù)之一，成橋線性合理并且符合設(shè)計(jì)要求會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)使用性能安全合理。上部主梁現(xiàn)澆塊的預(yù)拱度標(biāo)高設(shè)置尤為重要。并且確保施工結(jié)束運(yùn)營后3年(1 000 d)后結(jié)構(gòu)標(biāo)高依然在設(shè)計(jì)規(guī)定的標(biāo)高范圍內(nèi)。更有甚者要求10年后線性標(biāo)高符合要求。

由于材料、各種施工誤差等的特性為隨機(jī)變化，故施工條件不可能為計(jì)算時(shí)采用的理想狀態(tài)。為解決上述問題，主橋施工中，從倒裝分、正裝分析以及實(shí)時(shí)跟蹤并分析三方面著手，相互校核，最終實(shí)現(xiàn)成橋結(jié)構(gòu)在內(nèi)力和線形等各方面表現(xiàn)合理并滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

為了準(zhǔn)確分析上述三方面，正確而詳細(xì)地劃分結(jié)構(gòu)在整個(gè)形成過程中的各個(gè)不同受力階段是至關(guān)重要的。在正確建模的基礎(chǔ)上考慮參數(shù)識(shí)別和修正，并根據(jù)現(xiàn)場施工周期修正計(jì)算模型，全部計(jì)算分析過程由有限元專用程序完成。

監(jiān)控中把大橋看成是一個(gè)系統(tǒng)是由其各種作用組成，那么可知該系統(tǒng)內(nèi)有已知的部分信息，有部分未知，因此，這個(gè)系統(tǒng)是具有物理原型控制系數(shù)誤差分析和修正技術(shù)系統(tǒng)組成，并且是受噪聲干擾的。

控制參數(shù)個(gè)數(shù)不得少于3個(gè)是灰色理論的建模要求，所以，進(jìn)行懸臂施工標(biāo)高實(shí)橋數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)懸臂塊至少前3塊按理想設(shè)計(jì)狀態(tài)加經(jīng)驗(yàn)值立模施工，并且要求時(shí)間間隔相同已觀測(cè)撓度(標(biāo)高)，并對(duì)每塊標(biāo)高觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度效應(yīng)修正，這樣就能形成一個(gè)數(shù)據(jù)序列

式中:i為1、2、3;H(0)i為原始實(shí)測(cè)標(biāo)高數(shù)據(jù)序列;H(0)i(1)為1號(hào)塊標(biāo)高實(shí)測(cè)值，類似地，H(0)i(2)～H(0)i(4)分別為2～4號(hào)塊標(biāo)高實(shí)測(cè)值。

殘差的數(shù)據(jù)序列經(jīng)1-AGO后形成數(shù)列

其中:

按最小二乘法求解

白化形式的微分方程的解為

可以根據(jù)這一公式預(yù)測(cè)之后各懸灌施工階段標(biāo)高變化情況，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可將標(biāo)高預(yù)測(cè)形成序列，前面3次預(yù)測(cè)值與殘差式的數(shù)據(jù)數(shù)列進(jìn)行比較分析，可判斷是否還要進(jìn)行殘差計(jì)算和修正。

修正殘差具體方法如下:必須先進(jìn)行殘差檢驗(yàn)檢測(cè)，精度合格者或者好于規(guī)定程度時(shí)可無需再進(jìn)行殘差修正，不滿足要求應(yīng)進(jìn)行修正，計(jì)算殘差，直至滿足預(yù)測(cè)精度要求為止，此時(shí)(6)式可計(jì)入殘差模型預(yù)測(cè)模型并可作為標(biāo)高的最終預(yù)測(cè)模型。

3 撓度控制結(jié)果

控制成橋線形最主要依據(jù)是撓度觀測(cè)的數(shù)據(jù)并做記錄。撓度觀測(cè)一般安排在早晨太陽出來之前進(jìn)行，此舉可以為盡量減小溫度影響。整個(gè)施工過程中，主要觀測(cè)內(nèi)容包括:撓度變化值在不同階段的讀數(shù)，包括混凝土澆筑之前和之后、預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉、邊跨和中跨合龍等各項(xiàng)。

觀測(cè)結(jié)果的正確性決定著最優(yōu)控制的方向。詳細(xì)分析每一施工階段的標(biāo)高及撓度值都需認(rèn)真對(duì)待。以下為左幅橋的第11#橋墩上的5#塊撓度測(cè)點(diǎn)在各種工況下實(shí)測(cè)撓度數(shù)據(jù)與理論撓度值的對(duì)比圖。

3.1 掛籃移動(dòng)到位后(單位:mm)

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)理論數(shù)據(jù)

圖3 掛籃移動(dòng)到各塊件后5#塊撓度測(cè)點(diǎn)撓度對(duì)比圖

4 線形控制結(jié)果

在實(shí)際橋梁測(cè)量標(biāo)高時(shí)使用一個(gè)鋼筋頭作為測(cè)量點(diǎn)，設(shè)計(jì)箱梁頂標(biāo)高一般由撓度測(cè)點(diǎn)使用的鋼筋頭處標(biāo)高換算得到，理論值與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比分析。下面為左幅橋第11#墩各懸臂現(xiàn)澆梁段在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉幾個(gè)階段和幾個(gè)關(guān)鍵施工階段，箱梁頂標(biāo)高、理論標(biāo)高、設(shè)計(jì)標(biāo)高，他們之間的施工過程變化對(duì)比曲線圖表。

5#塊張拉完畢。

表2 箱梁頂標(biāo)高、理論標(biāo)高、設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)

圖4 5#塊張拉完畢標(biāo)高對(duì)比圖

從圖中可以看出，絕對(duì)標(biāo)高和實(shí)際標(biāo)高是上下波動(dòng)的，并且圍繞著理論標(biāo)高波動(dòng)，兩者偏差不大，數(shù)據(jù)能比較全面反應(yīng)各個(gè)主要工況，可以完全反映大青溝橋施工控制的全程控制信息以及目標(biāo)曲線。

5 合龍段高差控制結(jié)果

懸臂澆筑梁合龍段線型及合龍段高差必須進(jìn)行標(biāo)高精度控制，通過精度控制主梁懸臂兩端標(biāo)高，使合龍段高差數(shù)值盡量消除控制在允許范圍之內(nèi)。以下為左幅橋中跨和邊跨合龍段高差。右邊緣、中心線、左邊緣是路線前進(jìn)方向各斷面相應(yīng)位置。

5.1 1#墩大邊跨合龍段高差

表3 10#塊與11#塊交接斷面 m

表4 11#塊與12#塊交接斷面 m

5.2 中跨合龍段高差

表5 11#墩后退方向10#塊與11#塊交接斷面 m

表6 10#墩后退方向10#塊與11#塊交接斷面 m

6 結(jié)語

隨著我國公路交通建設(shè)事業(yè)發(fā)展，在未來幾十年必將會(huì)建造更多的大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，因此對(duì)于這種橋型的施工控制技術(shù)研究具有重要理論和實(shí)際意義。

研究項(xiàng)目依托河南永城大青溝大橋施工控制過程，跟蹤各個(gè)環(huán)節(jié)，將施工控制技術(shù)成功地用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，從而確保大橋的施工及運(yùn)營安全。

施工控制研究主要結(jié)論如下。

最優(yōu)控制理論和計(jì)算機(jī)仿真分析相結(jié)合能夠有效地控制施工過程，卡爾曼濾波法應(yīng)用成功，施工中的真實(shí)施工狀態(tài)成功的從各種因素和噪音中被估計(jì)出來。

撓度控制是全橋施工控制的關(guān)鍵，由理論計(jì)算撓度值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，各階段張拉—張拉后和澆筑—澆筑后的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差很小，采用控制參數(shù)誤差修正與分析法對(duì)橋梁的施工整個(gè)過程控制是安全、合理和可靠的，數(shù)值模型模擬模擬施工正裝分析十分成功，計(jì)算準(zhǔn)確可靠。

絕對(duì)標(biāo)高不但決定著橋梁在整個(gè)跨線承前啟后的過渡是否自然合理，并且對(duì)成橋線形起著至關(guān)重要的作用?？紤]到后期混凝土收縮徐變、日照溫度及其它因素將使橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營階段下?lián)?，本次?duì)大青溝大橋主橋結(jié)構(gòu)按成橋后運(yùn)營1 000 d設(shè)置了一定的合理預(yù)拋高。中跨、大邊跨、小邊跨的預(yù)拋高值分別為10 cm、4.5 cm、4 cm。經(jīng)過對(duì)橋跨合龍后絕對(duì)標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高的對(duì)比和后期標(biāo)高觀測(cè)，達(dá)到預(yù)期效果。

當(dāng)大跨境混凝土連續(xù)梁合攏時(shí)，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換和受力發(fā)生較大變化。不同齡期混凝土收縮徐變，水化熱等諸多方面的問題還值得深入研究和探討。

大青溝大橋施工控制運(yùn)用大量國內(nèi)外成熟技術(shù)與新技術(shù)，取得良好效果，日后若有同類型橋梁建設(shè)施工即可提供有益可借鑒的和經(jīng)驗(yàn)。

［1］劉來君.預(yù)應(yīng)力混凝土平面曲線箱梁裂縫分析［M］.西安:長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004.

［2］徐君蘭.大跨度橋梁施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］劉來君.變分法在橋梁結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用［M］.西安:中外公路，2004.

［4］劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析［M］.北京，人民交通出版社，1991.

U445

C

1008-3383(2012)02-0072-03

2011-11-29

趙瑞鵬(1985-)，男，陜西乾縣人，助理工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)、施工控制、結(jié)構(gòu)受力等方面工作。