預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工控制方法及其應(yīng)用研究

吳 琳

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司)

1 影響預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工控制的主要因素

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)是施工控制中結(jié)構(gòu)施工模擬分析的基本資料,其準(zhǔn)確性直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。但實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)總是會(huì)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在一定的誤差,施工中如何計(jì)入這些誤差,使結(jié)構(gòu)參數(shù)盡量接近橋梁的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù),是必須首先解決的重要問(wèn)題。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸、結(jié)構(gòu)材料彈性模量、材料容重、材料熱膨脹系數(shù)、施工荷載、預(yù)加應(yīng)力等。

1.2 施工工藝

施工控制方案是根據(jù)審批確定好的施工技術(shù)方案來(lái)制定的,因此在施工過(guò)程中其工藝流程必須嚴(yán)格按照施工技術(shù)方案要求執(zhí)行。由于工藝水平的高低在構(gòu)件制作、安裝等方面必然會(huì)出現(xiàn)或大或小的偏差,在施工控制要考慮這些施工誤差,使施工狀態(tài)保持在控制中。

1.3 施工監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等,是橋梁施工控制的最基本手段之一,也是為后期調(diào)控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要手段。因測(cè)量?jī)x器、儀器安裝、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境情況等存在誤差,所以結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)總是存在誤差的。

1.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型

無(wú)論采用什么分析方法和手段,總是要對(duì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和建立計(jì)算模型。

1.5 溫度變化

溫度變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形影響很大,在不同時(shí)刻對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)(應(yīng)力、變形)進(jìn)行量測(cè),其結(jié)果是不一樣的,如果施工控制中忽略了該項(xiàng)因素,就必然難以得到結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),從而也難以保證控制的有效性。所以,必須考慮溫度變化的影響。

1.6 材料收縮、徐變

對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言,混凝土收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形有較大的影響,這主要是由于大跨徑連續(xù)梁橋施工必須經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)而又復(fù)雜的施工與體系轉(zhuǎn)化過(guò)程,普遍存在加載齡期小、各階段齡期相差大等情況,控制中必須要認(rèn)真研究,采用合理的、符合實(shí)際的徐變參數(shù)和計(jì)算模型。

1.7 施工管理

橋梁施工控制的對(duì)象就是橋梁施工本身,施工管理好壞直接影響橋梁施工質(zhì)量、進(jìn)度等。特別是施工進(jìn)度一旦不按計(jì)劃進(jìn)行,必然給施工控制帶來(lái)一定的難度。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋施工控制的方法

2.1 預(yù)測(cè)控制法

連續(xù)梁橋在梁段澆筑完成后出現(xiàn)的誤差,除張拉預(yù)應(yīng)力索外,基本上沒(méi)有調(diào)整的余地,而只能針對(duì)已有誤差在下一未澆筑梁端的立模標(biāo)高上做出必要的調(diào)整。所以,要保證控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),最根本的就是對(duì)立模標(biāo)高做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),而預(yù)測(cè)控制法是連續(xù)梁橋施工控制常用的方法。這種方法適用于所有橋梁,而對(duì)于那些己成結(jié)構(gòu)狀態(tài)具有不可調(diào)整性的橋梁施工控制必須采用此法。如懸臂施工的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,其己成節(jié)段的狀態(tài)(內(nèi)力、標(biāo)高)是無(wú)法調(diào)整的,只能對(duì)待施工節(jié)段的預(yù)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行改變。

2.2 自適應(yīng)控制法

鑒于連續(xù)梁橋已完成節(jié)段的不可控性以及施工中對(duì)線(xiàn)形誤差的糾正措施有限,控制誤差的發(fā)生就顯得極為重要。所以,采用自適應(yīng)控制法對(duì)其進(jìn)行控制也是很有效的。自適應(yīng)控制法的基本思路是當(dāng)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)狀態(tài)與模型計(jì)算結(jié)果不符時(shí),通過(guò)將誤差的計(jì)算模型輸入到參數(shù)識(shí)別算法中去調(diào)節(jié)計(jì)算模型的參數(shù),使模型的輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致,得到修正的計(jì)算模型參數(shù)后,重新計(jì)算各施工階段的理想狀態(tài)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)節(jié)段的反復(fù)辨識(shí)后,計(jì)算模型就基本與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致,從而對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行有效控制。

2.3 線(xiàn)形回歸分析法

線(xiàn)形回歸分析法是通過(guò)對(duì)懸臂箱梁撓度與懸臂長(zhǎng)度、懸臂重量的一元線(xiàn)形回歸處理或二元線(xiàn)形回歸處理,總結(jié)建立撓度線(xiàn)形回歸數(shù)學(xué)模型。它可以用于分析箱梁撓度變形的規(guī)律,也可以用于預(yù)測(cè)待施工梁段的撓度。但它無(wú)法對(duì)溫度和施工引起的誤差進(jìn)行修正,并且要求有較多有規(guī)律的數(shù)據(jù)才行,在梁段數(shù)比較少時(shí)所得到的回歸曲線(xiàn)的精度難以保證。

3 應(yīng)用研究

3.1 工程概況

G大橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用36m+60m+36m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,主梁采用單箱雙室箱梁型式。主墩與箱梁連接的根部斷面梁高為3.4m,跨中和邊跨梁端高為1.6m,主梁l#至 7#及 0#塊部分箱梁梁高按拋物線(xiàn)變化,其余箱梁梁高為等高度。箱梁橋面寬 17m,箱底面寬 11.7m。主橋箱梁采用掛籃懸臂施工,墩梁臨時(shí)固結(jié)采用鋼管混凝土支撐的形式,承受箱梁懸臂澆筑過(guò)程中的不平衡彎矩。主橋分為兩個(gè)T構(gòu),每個(gè)T構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)施工,邊跨靠 6#、9#墩的一段箱梁(長(zhǎng) 4.95m)采用支架立模施工,邊跨現(xiàn)澆段澆筑完畢后,進(jìn)行兩個(gè)邊跨合攏,再進(jìn)行中跨合攏。

3.2 施工撓度控制計(jì)算分析

(1)計(jì)算模型

本橋主橋連續(xù)梁計(jì)算采用上海同濟(jì)大學(xué)開(kāi)發(fā)的橋梁博士軟件,由于主梁跨寬比較大,在計(jì)算中將其簡(jiǎn)化為平面桿系結(jié)構(gòu),各階段離散為梁?jiǎn)卧?建模時(shí)不考慮墩柱的影響。在計(jì)算模型中,主梁分為 54個(gè)單元。

(2)工況模擬分析

箱梁每個(gè)節(jié)段的施工過(guò)程模擬為三個(gè)階段,即安裝(移動(dòng))掛籃、澆筑混凝上、張拉及錨固。在模擬計(jì)算時(shí)全橋的施工劃分為 31個(gè)階段,模擬計(jì)算工況表見(jiàn)表 1。

表1 模擬計(jì)算工況表

(3)計(jì)算參數(shù)取值

①混凝土物理特性

混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)是影響橋梁結(jié)構(gòu)受力和變形的重要因素之一,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,主梁混凝土各參數(shù)取值如下:抗壓彈性模量為3.8×104MPa;容重為2.5kN/m3;線(xiàn)膨脹系數(shù)為1.0×10-5。

②收縮、徐變參數(shù)

徐變?cè)鲩L(zhǎng)速度系數(shù):0.021;徐變特征終極值:2;收縮速度系數(shù):0.0063;

收縮特征終極值:1.5×10-4。

③預(yù)應(yīng)力參數(shù)

鋼絞線(xiàn)彈性模量:1.95×105MPa;張拉控制應(yīng)力: 1395MPa;松馳率:0.025;鋼索回縮值(錨具變形):6mm;摩阻系數(shù):0.25。

(4)理論預(yù)拋高值的確定

根據(jù)上述工況劃分,輸入相關(guān)計(jì)算參數(shù),運(yùn)行有限元計(jì)算程序,得出各塊件在各階段的理論撓度值。

(5)立模標(biāo)高的實(shí)時(shí)調(diào)整與預(yù)測(cè)

根據(jù)前述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立和具體運(yùn)行,對(duì)每個(gè)施工節(jié)段均進(jìn)行了高程測(cè)量。但由于施工控制影響因素的多樣性和復(fù)雜性,己施工節(jié)段的實(shí)測(cè)標(biāo)高往往與理想標(biāo)高存在偏差,而已施工節(jié)段無(wú)法再進(jìn)行調(diào)整。為防止誤差偏大,出現(xiàn)合攏困難等問(wèn)題,在下一節(jié)段施工前必須對(duì)前期施工節(jié)段出現(xiàn)的偏差進(jìn)行分析,并在后期節(jié)段中予以調(diào)整。此時(shí)需采用灰色系統(tǒng)理論,根據(jù)理想值與實(shí)測(cè)值之間的偏差建立灰微分方程,計(jì)算下一節(jié)段施工時(shí)的預(yù)拱度調(diào)整值,以確定下一節(jié)段的立模標(biāo)高。按灰色預(yù)測(cè)控制法,在懸臂施工過(guò)程中,根據(jù)已施工節(jié)段高程測(cè)量數(shù)據(jù)的反饋分析,建立新陳代謝 GM (1,l)模型,得出除 0#至 4#節(jié)段、邊跨直線(xiàn)段、邊跨、中合攏段的預(yù)拋高調(diào)整值。

(6)確定立模標(biāo)高

根據(jù)立模標(biāo)高計(jì)算公式:立模標(biāo)高=設(shè)計(jì)標(biāo)高+理論預(yù)拋高值+預(yù)拋高調(diào)整值。

3.3 線(xiàn)形控制結(jié)果

由于采用了預(yù)測(cè)反饋控制的方法,線(xiàn)形控制基本達(dá)到了預(yù)定目標(biāo),符合連續(xù)梁懸臂施控制精度要求,官河大橋的線(xiàn)形控制結(jié)果見(jiàn)表 2。箱梁合攏后跨中的箱梁標(biāo)高比預(yù)期標(biāo)高低8mm,中跨合攏時(shí)兩懸臂端相對(duì)高差為13mm。邊跨箱梁標(biāo)高符合預(yù)定目標(biāo)。箱梁頂標(biāo)高與目標(biāo)標(biāo)高的平均偏差值為 4mm,橋面鋪裝層厚度與設(shè)計(jì)一致。軸線(xiàn)偏差符合規(guī)范要求。成橋梁底曲線(xiàn)平滑,視覺(jué)良好,翼緣板邊線(xiàn)順直。

表2 線(xiàn)形控制結(jié)果匯總表

在懸臂施工階段,前 4段的理論撓度值比實(shí)測(cè)撓度值較為接近,懸臂施工后期撓度實(shí)際值稍大,最大差值達(dá)到12mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

進(jìn)行橋梁施工控制,首先要建立一個(gè)完整的施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)施工中橋梁的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行跟蹤觀測(cè),才能為參數(shù)調(diào)整和反饋控制提供基本數(shù)據(jù)。此外,正確的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果、必要的建材力學(xué)性能試驗(yàn)以及可靠的預(yù)測(cè)反饋控制系統(tǒng)是大跨徑連續(xù)梁橋施工控制的根本保證。理論分析和成橋控制成果都表明,灰色預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)不僅可以對(duì)大跨徑連續(xù)梁橋的施工進(jìn)行控制,而且方法簡(jiǎn)單,效果顯著。通過(guò)實(shí)例分析表明,主橋成橋?qū)崪y(cè)標(biāo)高與目標(biāo)標(biāo)高的偏差不大于12mm,中跨兩懸臂端相對(duì)高差僅 13mm,均在允許誤差范圍內(nèi),且線(xiàn)形良好。表明本次施工控制的過(guò)程是有效的。

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